水稻柱頭外露率研究進(jìn)展

杜雪樹++戚華雄

摘要：在雜交水稻制種中，高柱頭外露率不育系可有效提高雜交種產(chǎn)量，降低生產(chǎn)的單位成本，受到廣大種業(yè)公司的歡迎。因此，對水稻（Oryza sativa L.）柱頭外露率進(jìn)行研究具有重要的意義和廣泛的市場需求。對近年來發(fā)表的在水稻柱頭外露率的遺傳和環(huán)境因子，以及高柱頭外露率水稻品系育種實(shí)踐的探索進(jìn)行了綜述。

關(guān)鍵詞：水稻（Oryza sativa L.）；柱頭外露率；QTL

中圖分類號：S511；Q75 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）16-3841-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.16.001

Progress on the Stigma Exsertion in Rice

DU Xue-shu，QI Hua-xiong

（Institute of Food Crops， Hubei Academy of Agricultural Sciences， Wuhan 430064， China）

Abstract： In hybrid rice seed production， the high stigma exsertion rate of a male sterile line is welcomed with Seed Company for higher yield and lower cost. Therefore， the study of stigma exsertion has significance for raising the yield of hybrid seed production. In this paper， we reviewed the genetic and environmental factors influencing the stigma exsertion rate， and the practices of breeding rice lines with high stigma exsertion rate.

Key words： rice（Oryza sativa L.）； stigma exsertion；QTL

在雜交水稻制種的長期生產(chǎn)實(shí)踐中人們發(fā)現(xiàn)，使用高柱頭外露率的不育系作為母本可以得到更高的雜交種產(chǎn)量。這是因?yàn)橐环矫嬷^外露率高的親本可以克服穎殼對花粉的遮蔽，使柱頭獲得更大的與花粉接觸的面積；另一方面，柱頭即使在開花當(dāng)天沒有授粉，但因?yàn)橹^外露，其在第二天甚至在以后若干天內(nèi)仍有授粉的機(jī)會，并可能受精結(jié)實(shí)。田大成[1]的研究表明，柱頭外露的穎花其結(jié)實(shí)率平均為64.0%，而柱頭不外露的穎花其結(jié)實(shí)率平均僅為15.7%，是前者的1/4。而且水稻（Oryza sativa L.）總結(jié)實(shí)率的55.0%是依靠柱頭外露穎花在開花后的幾天授粉結(jié)實(shí)的。此外還有研究認(rèn)為，柱頭外露率高的品種具有更高的柱頭活力[2]。因此，越來越多的水稻育種家把高柱頭外露率不育系的選育作為重要的研究目標(biāo)之一。

1 水稻柱頭外露率的影響因子

1.1 花器性狀

柱頭外露與否取決于柱頭與穎花其他器官之間的相對關(guān)系。李陶等[3]研究認(rèn)為，柱頭外露率與柱頭長、粒長、柱頭角度及子房長呈顯著正相關(guān)，與粒寬呈顯著負(fù)相關(guān)；各花器性狀對柱頭外露率直接效應(yīng)的大小依次為柱頭角度、子房長、柱頭長、粒長、粒寬。Uga等[4]利用亞洲栽培稻Pei-kuh和野生稻W(wǎng)1944構(gòu)建了一個(gè)重組自交系群體，研究發(fā)現(xiàn)柱頭外露率與柱頭長度、花柱長度、花藥長度、穎殼的最大張角及內(nèi)外稃的長厚比呈顯著正相關(guān)，而與內(nèi)外稃的厚度則呈顯著負(fù)相關(guān)。其在第5和第10染色體上各定位了一個(gè)柱頭外露率QTL，即qRES-5和qRES-10。其中與qRES-5相鄰的區(qū)間同時(shí)影響花藥長度、內(nèi)外稃厚度和內(nèi)外稃的長厚比，而qRES-10所在區(qū)間影響著內(nèi)稃長度。其后Uga等[5]又利用5個(gè)遺傳群體對花器官的10個(gè)性狀進(jìn)行了比較作圖，結(jié)果表明穎殼的主要性狀由少數(shù)幾個(gè)主效QTLs控制，而雌蕊和雄蕊的長度則由多個(gè)微效QTLs控制。

Yan等[6]研究了來自USDA水稻核心種質(zhì)資源庫的90份微核心種質(zhì)，發(fā)現(xiàn)柱頭單外露率、柱頭雙外露率和柱頭總外露率之間呈顯著正相關(guān)，且柱頭總外露率、柱頭單外露率與穎殼長度的相關(guān)性分別達(dá)到顯著和極顯著水平。賀立偉[7]以7個(gè)兩系不育系和7個(gè)三系不育系為材料，對它們的花器性狀和柱頭外露率進(jìn)行了相關(guān)性和通徑分析。結(jié)果表明，柱頭外露率與柱頭跨度、穎花長、穎花長寬比和子房長度之間顯著相關(guān)，其他性狀對柱頭外露率有影響，但不顯著。

1.2 種間差異

栽培稻是由野生稻經(jīng)過人工馴化而來。在馴化過程中，野生稻的天然異交結(jié)實(shí)率由100%降至栽培稻的2%～4%。Ying等[8]對2 065份非洲稻種資源的柱頭外露情況進(jìn)行了考察，發(fā)現(xiàn)柱頭外露率由低到高依次為亞洲栽培稻（1.0%）、雜草型野生稻（20.0%）、巴蒂野生稻（34.8%）、非洲野生稻（54.9%）、長藥野生稻（85.7%）、斑點(diǎn)野生稻（100.0%）。李晨等[9]使用栽培稻桂朝2號和江西東鄉(xiāng)普通野生稻作為親本材料，構(gòu)建了一個(gè)BC1群體，從中定位得到2個(gè)QTL，分別位于第5和第8染色體上，命名為qPEST-5和qPEST-8，其綜合貢獻(xiàn)率達(dá)到20%以上，增效基因來源于野生稻。

秈稻（Indiea）和粳稻（Japoniea）作為亞洲栽培稻（Oryza sativa L.）的2個(gè)主要類型，其在許多形態(tài)和生理性狀之間存在著顯著的差異。許克農(nóng)等[10]對兩用核不育系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)總體上粳型不育系柱頭外露率要比秈型高。張戟等[11]為選育一定柱頭外露率的粳型不育系，使用秈型廣親和不育系培矮64和一個(gè)不具備柱頭外露性狀的單季晚粳品種雜交，卻發(fā)現(xiàn)在F2分離群體中粳型群體的柱頭外露率低于秈型群體。李文宏等[12]利用極低外露率的粳稻京系17和高柱頭外露率的秈稻窄葉青8號作為親本，構(gòu)建了一個(gè)加倍單倍體群體，在該群體中對控制柱頭外露率的QTL進(jìn)行分析，分別在第2、3染色體上檢測到2個(gè)控制水稻柱頭外露率的QTLs（qPES-2、qPES-3），其增效基因均來源于秈稻窄葉青8號。

1.3 環(huán)境因子

在雜交水稻制種過程中，水稻的柱頭外露率受外界環(huán)境影響較大，可通過合理施肥以及激素處理提高不育系的柱頭外露率，從而提高雜種產(chǎn)量。

呂凱等[13]用協(xié)早青A、珍汕97A等材料研究了肥料、激素及花調(diào)靈等不同施用水平對柱頭外露率的影響，發(fā)現(xiàn)即使在不缺肥的情況下于水稻幼穗分化五期前使用一定量的氮肥仍可大大提高水稻柱頭外露率。在始穗期施用較高濃度的赤霉素，也可使柱頭外露率得到一定程度的提高。田大成等[14]的研究表明，通過在水稻抽穗1%后1 d噴施赤霉素可顯著提高柱頭外露率，但噴施時(shí)機(jī)不當(dāng)反而會造成柱頭外露率的下降。田大成[15]、朱英國[16]研究認(rèn)為，赤霉素并不是直接提高柱頭外露率，而是通過使不育系莖稈伸長，減輕包頸程度，甚至恢復(fù)正常，以增強(qiáng)植株生長勢而實(shí)現(xiàn)的。噴施赤霉素后，不育系的柱頭外露率可以提高15%～20%。

Yu等[17]使用一個(gè)包含有186個(gè)株系的重組自交系群體在干旱脅迫和非干旱脅迫兩個(gè)不同條件下進(jìn)行了2年的研究，通過一個(gè)包含有203個(gè)SSR標(biāo)記的連鎖圖譜，在非干旱脅迫下發(fā)現(xiàn)了4個(gè)QTLs，干旱脅迫下發(fā)現(xiàn)了3個(gè)柱頭單外露率相關(guān)QTLs，分別位于第1、10、12染色體上；發(fā)現(xiàn)了4個(gè)雙柱頭外露率相關(guān)QTLs。研究發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫下水稻的柱頭外露率更低。

2 水稻柱頭外露的遺傳機(jī)理研究

2.1 水稻柱頭外露的遺傳調(diào)控

李陶等[3]利用8個(gè)不同的親本進(jìn)行組合分析柱頭外露率，發(fā)現(xiàn)不同組合下的基因效應(yīng)不同。在綜合分析了各個(gè)組合的遺傳效應(yīng)后，指出水稻柱頭外露率是數(shù)量性狀，親本雜交后代都呈現(xiàn)出連續(xù)變異特征，且柱頭外露率主要受顯性效應(yīng)影響，其次是加性效應(yīng)，上位性效應(yīng)影響較小。

雖然一般認(rèn)為水稻柱頭外露率僅受核基因控制，不受胞質(zhì)的影響，但王文明等[18]以珍秈97A（W型）、D汕A（D型）、K青A（K型）為胞質(zhì)供體構(gòu)建了3套同核異質(zhì)系，對影響水稻異交性能的9個(gè)性狀的質(zhì)核互作關(guān)系進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，胞質(zhì)對柱頭總外露率、雙外露率同樣存在影響；不育胞質(zhì)比正常胞質(zhì)提高柱頭外露率效果顯著；在不育胞質(zhì)中，K型胞質(zhì)和D型胞質(zhì)優(yōu)于W型胞質(zhì)。

可以看出，水稻的柱頭外露率是典型的數(shù)量性狀，由多個(gè)微效基因共同控制，存在胞質(zhì)效應(yīng)，受外界環(huán)境影響較大。

2.2 水稻柱頭外露率的QTL定位

作為一種重要的數(shù)量性狀，研究人員利用不同的分離群體，對水稻柱頭外露率進(jìn)行了大量的QTL定位研究。截至2014年4月20日，Gramene網(wǎng)站上共登記柱頭外露率相關(guān)QTL 7個(gè)，分別位于第2、3、5、8染色體上。但從發(fā)表的文獻(xiàn)來看，實(shí)際已定位的QTL不止7個(gè)。

李文宏等[12]秈稻窄葉青8號和粳稻京系17構(gòu)建的加倍單倍體（DH）群體在第2、3染色體上分別定位到控制水稻柱頭外露率的QTL：qPES-2和qPES-3；并發(fā)現(xiàn)柱頭外露率與單柱頭外露率的QTL在染色體上的位置相同，控制雙柱頭外露率的QTL只在第2染色體上檢測到。鄧應(yīng)德等[19]用高柱頭外露率品種優(yōu)ⅠB（秈稻）和低柱頭外露率品種糯5號（粳稻）構(gòu)建F2群體，利用該群體檢測到了分別位于第2、5、8號染色體上的3個(gè)QTLs：qPES-2、qPES-5、qPES-8，其分別解釋了表型變異的10.1%、11.1%和9.0%。增效基因均來自于高柱頭外露率親本優(yōu)ⅠB。馮玲玲等[20]在以高柱頭外露率的50S作為母本，低柱頭外露率的三系粳稻保持系連B作為父本構(gòu)建的F2群體中，在第3、9、12染色體上分別檢測到qPES-3、qPES-9和qPES-12 3個(gè)控制柱頭外露率的QTL，其增效基因均來自50S。鄧應(yīng)德等[21]使用柱頭外露率差異極顯著的Ⅱ-32B和岡46B構(gòu)建定位群體，利用極端群體法篩選多態(tài)性標(biāo)記，通過單標(biāo)記分析法分析發(fā)現(xiàn)，位于第1染色體上的RM5310、第2染色體上的RM3188、第5染色體上的RM3437和RM31，以及第8染色體上的RM3395，這5個(gè)標(biāo)記與柱頭外露率極顯著連鎖，對該群體柱頭外露率的貢獻(xiàn)率分別為4.63%、7.09%、13.65%、13.62%和4.83%。其中，位于第5染色體上的RM3437、RM31可能與同一個(gè)主效QTL連鎖，可用于分子標(biāo)記輔助選擇水稻高柱頭外露率的不育系。尹成等[22]利用岳早秈6號和Ⅱ-32B構(gòu)建的重組自交系，在第1、3、5、6、7、9染色體上共檢測到16個(gè)控制柱頭外露率的QTLs。其中，位于第1染色體RM472-RM12276和第9染色體RM278-RM107兩個(gè)區(qū)段中的QTLs，在2種表型的兩年重復(fù)數(shù)據(jù)中均能穩(wěn)定地檢測到。這兩個(gè)區(qū)間中的QTLs對單株頭外露率和雙柱頭外露率的表型變異解釋為10.65%～35.72%和6.71%～21.99% 。截至目前，水稻的12條染色體上均發(fā)現(xiàn)了控制柱頭外露率的QTL，但都不是主效QTL。

Yan等[6]利用108個(gè)SSR標(biāo)記和1個(gè)Indel標(biāo)記結(jié)合田間性狀，對USDA的90份微核心種質(zhì)使用分子標(biāo)記進(jìn)行分型及連鎖分析，發(fā)現(xiàn)4個(gè)標(biāo)記同單柱頭外露率相關(guān)，6個(gè)標(biāo)記同雙柱頭外露率相聯(lián)，5個(gè)標(biāo)記同總柱頭外露率有關(guān)。其中，位于第1染色體上標(biāo)記RM5的位點(diǎn)在單柱頭外露率和雙柱頭外露率上均具有重要作用。

3 高柱頭外露率不育系的選育

在高柱頭外露率不育系的選育實(shí)踐中，水稻育種家們主要在兩個(gè)方面進(jìn)行了嘗試。一是利用高柱頭外露率種質(zhì)資源作為供體，通過回交將優(yōu)良的目標(biāo)性狀轉(zhuǎn)入受體親本中；二是通過將與有利于提高柱頭外露率相關(guān)的花器性狀聚合，從而獲得高柱頭外露率的品系。但從多年實(shí)踐來看，上述兩種途徑效果均不理想。武小金等[23]研究了不同群體改良方法對水稻柱頭外露率的改良效果，認(rèn)為隨機(jī)多交有利于微效基因的累加和多個(gè)優(yōu)良性狀的聚合，效果較為理想；而單純的混合選擇無法達(dá)到上述效果，且效果最差。

分子標(biāo)記輔助選擇是提高選育高柱頭外露率品系的有效手段。Miyata等[24]以IR24為供體親本，Hoshinohikari和Koshihikari為輪回親本，通過分子標(biāo)記輔助選擇將高柱頭外露率QTL qES3導(dǎo)入至Koshihikari背景中。獲得的近等基因系與Koshihikari相比，柱頭外露率提高了36%。

4 小結(jié)

從當(dāng)前來看，定位的控制水稻柱頭外露率的QTL雖然較多，但都是初步定位，且一般對表型的貢獻(xiàn)率不超過15%。若要在育種實(shí)踐中較好地應(yīng)用這些定位的QTL，一方面要進(jìn)一步精細(xì)定位控制柱頭外露率的QTL，另一方面要將多個(gè)QTLs聚合在一起，才能產(chǎn)生較為理想的效果。此外，在全球氣候變暖的趨勢下，水稻抽穗揚(yáng)花時(shí)的高溫對柱頭外露率的影響愈發(fā)顯著。所以在今后的工作中，更應(yīng)重視高溫脅迫下柱頭外露性狀的研究。

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