利用鄂早１８ Ｇｈｄ７基因型改良揚(yáng)稻６號(hào)生育期效應(yīng)的研究

杜雪樹 夏明元 李進(jìn)波 戚華雄

摘要：利用生產(chǎn)上廣泛應(yīng)用的早稻（Oryza sativa L.）鄂早18作為Ghd7的供體，優(yōu)良的中稻恢復(fù)系揚(yáng)稻6號(hào)作為輪回親本，通過(guò)回交和自交構(gòu)建了一系列群體，在分離世代使用與Ghd7緊密連鎖的SSR標(biāo)記RM5436進(jìn)行分子標(biāo)記檢測(cè)，并結(jié)合田間農(nóng)藝性狀，得到了一批不同回交世代的株系。最終選擇部分農(nóng)藝性狀與揚(yáng)稻6號(hào)相近的株系，考察其抽穗期、株高、有效穗數(shù)、穗長(zhǎng)、每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重、單株產(chǎn)量（即單株粒重）等一系列農(nóng)藝性狀，評(píng)價(jià)了Ghd7基因在水稻生育期改良中的效果及對(duì)水稻其他農(nóng)藝性狀的影響。

關(guān)鍵詞：水稻（Oryza sativa L.）;揚(yáng)稻6號(hào);鄂早18;Ghd7基因;生育期

中圖分類號(hào)：S511;S334? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2018）23-0027-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.23.006? ? ? ? ? ?開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

水稻（Oryza sativa L.）的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)是中國(guó)糧食安全的基礎(chǔ)，也是育種家不斷追求的目標(biāo)。揚(yáng)稻6號(hào)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中為糧食生產(chǎn)的增產(chǎn)和農(nóng)民的增收作出了重要貢獻(xiàn)，但是生育期較長(zhǎng)是其不可忽視的一個(gè)缺點(diǎn)。相對(duì)其他品種，更長(zhǎng)的生育期意味著更多的農(nóng)藥化肥等生產(chǎn)資料及人工的投入，以及水稻生長(zhǎng)后期天氣變化帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)增加。因此，適當(dāng)?shù)纳诓坏梢越档蜕a(chǎn)成本，還可以降低生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)[1]。此外，生育期的變化可以使原品種具有更廣泛的種植范圍，讓不同地域的種質(zhì)交流更加容易[2]。本研究使用水稻生產(chǎn)上廣泛使用的品種揚(yáng)稻6號(hào)和鄂早18，利用分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)將鄂早18的Ghd7基因?qū)氲綋P(yáng)稻6號(hào)中，通過(guò)考察回交群體不同基因類型單株的農(nóng)藝性狀，來(lái)評(píng)價(jià)控制水稻抽穗期和產(chǎn)量性狀基因Ghd7在不同遺傳背景下的效應(yīng)，探討在不同遺傳背景下通過(guò)導(dǎo)入Ghd7不同等位基因來(lái)創(chuàng)新種質(zhì)資源，擴(kuò)大育種材料選擇范圍的可行性，為提高育種水平進(jìn)行探索。

1? 材料與方法

1.1? 供試材料

揚(yáng)稻6號(hào)：常規(guī)中秈，江蘇省里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所選育，于1997年江蘇省農(nóng)作物品種審定委員會(huì)審定，2000年安徽省農(nóng)作物品種審定委員會(huì)審定，2001年湖北省農(nóng)作物品種審定委員會(huì)審定。揚(yáng)稻6號(hào)是光溫敏不育系和紅蓮型不育系的恢復(fù)系。以揚(yáng)稻6號(hào)為父本配制的雜交稻組合兩優(yōu)培九及揚(yáng)兩優(yōu)6號(hào)均被農(nóng)業(yè)部認(rèn)定為超級(jí)稻品種[3]。

鄂早18：秈型常規(guī)早稻，湖北省黃岡市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所選育，于2003年湖北省農(nóng)作物品種審定委員會(huì)審定，2005年國(guó)家品種審定委員會(huì)審定，其稻米品質(zhì)好、產(chǎn)量高，是湖北省多年來(lái)的早稻主導(dǎo)品種[4]。

1.2? 遺傳群體的構(gòu)建

2010年夏季開(kāi)始在湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所南湖核心試驗(yàn)場(chǎng)以揚(yáng)稻6號(hào)為父本，鄂早18為母本配制F1雜交組合;2011年春在海南省陵水縣提蒙鄉(xiāng)以揚(yáng)稻6號(hào)為母本進(jìn)行回交，形成BC1F1群體，檢測(cè)單株的Ghd7基因型，其后以Ghd7基因型雜合的單株為母本，以揚(yáng)稻6號(hào)為輪回親本進(jìn)行回交和自交得到BC2F5、BC3F4以及BC4F3群體。連續(xù)自交時(shí)，主要選擇抽穗期和其他農(nóng)藝性狀。至2017年夏季，在武漢市檢測(cè)3個(gè)不同世代株系的Ghd7基因型。圖1為株系組合配制示意圖。

1.3? 田間試驗(yàn)

群體材料于2017年5月9日播種，6月9日移栽，31 d秧齡。5行區(qū)種植，每個(gè)小區(qū)60株，5列×12行種植，間距16.5 cm×19.8 cm，單本插。設(shè)置2個(gè)重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組種植。田間管理按常規(guī)管理。肥料管理：底肥足、追肥早，底肥和追肥比為7∶3。栽秧后，5 d內(nèi)進(jìn)行第一次追肥，每公頃追施尿素112.5 kg。每公頃試驗(yàn)田總用氮量為187.5 kg，氮、磷、鉀肥配合施用。水分管理：寸水活棵，薄水分蘗，當(dāng)每公頃莖蘗苗達(dá)穗苗的80%時(shí)，及時(shí)曬田，生育后期田間前水不清，后水不上，收割前一周斷水。病蟲防治：除特殊要求外，注意防治螟蟲、稻飛虱、紋枯病等水稻主要病蟲害。

1.4? 性狀調(diào)查

以水稻穗部抽出葉鞘1 cm為標(biāo)準(zhǔn)記錄生育期，將生育期及對(duì)應(yīng)株號(hào)記錄在牌子上并將牌子掛在對(duì)應(yīng)單株上。收獲時(shí)分單株收獲，同時(shí)測(cè)量并記錄對(duì)應(yīng)株高（從地面到最高穗頂部的高度）。收獲的單株在掛藏室里陰干后考種，分別考察有效穗數(shù)、穗長(zhǎng)、每穗粒數(shù)、單株粒重、單株干重和千粒重。考種時(shí)考察每個(gè)單株的所有穗及單穗上所有谷粒。

1.5? DNA的提取

播種兩周后，在田間按小區(qū)取水稻葉片混樣，并提取DNA。水稻基因組DNA的提取采用李進(jìn)波等[5]改進(jìn)的CTAB法。

1.6? 數(shù)據(jù)分析

對(duì)考種數(shù)據(jù)使用Excel 2013軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行t檢驗(yàn)，分析差異是否顯著。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 親本的農(nóng)藝性狀及多態(tài)性分析

2017年夏季在湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所武漢南湖核心試驗(yàn)場(chǎng)種植對(duì)照揚(yáng)稻6號(hào)和鄂早18。揚(yáng)稻6號(hào)播始?xì)v期92 d，鄂早18播始?xì)v期69 d，其他農(nóng)藝性狀如表1所示。

對(duì)得到的株系群體使用Ghd7緊密連鎖的標(biāo)記RM5466進(jìn)行基因型鑒定，將鄂早18的基因型規(guī)定為2，揚(yáng)稻6號(hào)的基因型規(guī)定為1，雜合基因型規(guī)定為H。同時(shí)結(jié)合田間農(nóng)藝性狀，選擇農(nóng)藝性狀同揚(yáng)稻6號(hào)相近的株系，最終共得到2型株系21個(gè)。

2.2? 群體單株的抽穗期考察

2017年夏季種植的對(duì)照揚(yáng)稻6號(hào)抽穗日期為8月8日，播始?xì)v期91 d;鄂早18的抽穗日期為7月17日，播始?xì)v期69 d。在這兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)以5 d為一個(gè)單位，統(tǒng)計(jì)每5 d抽穗株系的數(shù)量。

由表2可知，在21個(gè)揚(yáng)稻6號(hào)（Ghd7-EZ18）株系當(dāng)中，抽穗最早的株系其播始?xì)v期為76 d，但與抽穗期早的對(duì)照鄂早18的69 d播始?xì)v期仍有7 d的差距，這說(shuō)明將揚(yáng)稻6號(hào)中的Ghd7替換為鄂早18中的等位基因后確實(shí)可以使改良后的揚(yáng)稻6號(hào)（Ghd7-EZ18）株系的抽穗提前，但與先前設(shè)想的同鄂早18的播始?xì)v期差異較大。在時(shí)間分布上，播始?xì)v期在75～80 d和81～86 d這兩個(gè)時(shí)間段的株系較多，均有8個(gè)，而余下的5個(gè)株系的播始?xì)v期則在87～91 d，該時(shí)間段偏向揚(yáng)稻6號(hào)抽穗期。這說(shuō)明Ghd7對(duì)水稻生育期的影響不是獨(dú)立的，在揚(yáng)稻6號(hào)的遺傳背景下，應(yīng)該存在另外控制著水稻抽穗期或與Ghd7互作的QTL。

由圖3可知，揚(yáng)稻6號(hào)（Ghd7-EZ18）株系中的1個(gè)株系（C1312）同對(duì)照揚(yáng)稻6號(hào)的抽穗期進(jìn)行對(duì)比，表現(xiàn)了揚(yáng)稻6號(hào)（Ghd7-EZ18）株系同對(duì)照揚(yáng)稻6號(hào)之間播始?xì)v期的差異。在圖3A中，株系C1312的穗部基本抽出時(shí)，揚(yáng)稻6號(hào)仍處于營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段，尚未抽穗;在圖3B中，揚(yáng)稻6號(hào)穗部剛開(kāi)始抽出時(shí)，株系C1312已經(jīng)結(jié)束灌漿，進(jìn)入蠟熟期。

2.3? 不同株系的農(nóng)藝性狀考察

在不同株系各小區(qū)的邊行和中間行分別取5個(gè)單株，視作2個(gè)重復(fù)，考察株高、有效穗數(shù)、穗長(zhǎng)、每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率等農(nóng)藝性狀，并計(jì)算其單株日均產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)系數(shù)，考種結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

由表3可知，在揚(yáng)稻6號(hào)背景下將Ghd7置換成鄂早18基因型后，揚(yáng)稻6號(hào)（Ghd7-EZ18）株系平均株高同揚(yáng)稻6號(hào)相比，下降了2.6%～19.4%。在21個(gè)揚(yáng)稻6號(hào)（Ghd7-EZ18）株系當(dāng)中，其平均有效穗同對(duì)照揚(yáng)稻6號(hào)相比，有3個(gè)顯著減少，有7個(gè)顯著增加，有11個(gè)變化不明顯。有8個(gè)株系穗長(zhǎng)同揚(yáng)稻6號(hào)無(wú)顯著差異，有13個(gè)株系穗長(zhǎng)顯著變短。有13個(gè)株系同揚(yáng)稻6號(hào)相比每穗粒數(shù)明顯變少，7個(gè)株系無(wú)顯著差異，1個(gè)株系明顯增多。21個(gè)揚(yáng)稻6號(hào)（Ghd7-EZ18）株系當(dāng)中，有1個(gè)株系的單株產(chǎn)量顯著增加，7個(gè)株系沒(méi)有顯著差異，13個(gè)株系的單株產(chǎn)量顯著下降。同揚(yáng)稻6號(hào)相比，9個(gè)株系千粒重下降，11個(gè)株系千粒重基本持平，1個(gè)株系千粒重顯著增加。

2.4? 特殊單株的抽穗期

在田間選育的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)8株特殊單株，其中4株是BC4F3，2株BC3F4，2株BC2F5。將這8株特殊單株按照其播始?xì)v期的長(zhǎng)短，分別命名為A、B、C、D、E、F、G、H。由表4可知，單株A、B、C的Ghd7基因型和揚(yáng)稻6號(hào)相同，但其播始?xì)v期同揚(yáng)稻6號(hào)相比早了8～9 d;剩下的5個(gè)單株的Ghd7基因型同鄂早18的基因型，但其播始?xì)v期卻比揚(yáng)稻6號(hào)要長(zhǎng)。這說(shuō)明抽穗期的決定是一個(gè)復(fù)雜的調(diào)控，受遺傳背景的影響。

3? 討論

3.1? Ghd7對(duì)水稻抽穗期的影響

研究[6-10]表明，根據(jù)表達(dá)和蛋白質(zhì)序列將Ghd7的等位基因劃分為5類，發(fā)現(xiàn)其和當(dāng)前生產(chǎn)上常見(jiàn)的一些主栽品種在地域上存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。第一類Ghd7-0a，對(duì)應(yīng)中國(guó)東北地區(qū)的水稻品種，如牡丹江8號(hào)、合江19等。這類等位基因是Ghd7發(fā)生了無(wú)義突變，使其編碼的蛋白質(zhì)提前終止。性狀表現(xiàn)為水稻抽穗期較短，在地域上適應(yīng)北方夏季較短的地區(qū)種植。第二類Ghd7-0，對(duì)應(yīng)中國(guó)南方雙季稻區(qū)品種，如珍秈97和南雄早油等一些早稻品種或不育系，其在這些早稻品種基因組Ghd7的區(qū)段上完全缺失，使得這些材料生育期變短。雖然在本研究中對(duì)鄂早18沒(méi)有進(jìn)行測(cè)序，但從PCR擴(kuò)增及薛為亞[6]的研究來(lái)看，鄂早18應(yīng)當(dāng)是劃分到這一類中。第三類Ghd7-1，其代表品種是明恢63，對(duì)應(yīng)南方稻區(qū)晚中秈稻及熱帶亞熱帶地區(qū)生育期長(zhǎng)的品種，揚(yáng)稻6號(hào)即屬于這一類。第四類Ghd7-2，對(duì)應(yīng)華北同緯度地區(qū)水稻品種，多數(shù)為粳稻，基因效應(yīng)較弱。第五類Ghd7-3，目前只在特青中發(fā)現(xiàn)，對(duì)抽穗期的影響比Ghd7-1更大，可能是人工選擇得到的。

3.2? Ghd7對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

水稻單株的產(chǎn)量由每穗粒數(shù)、有效穗數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重構(gòu)成。提高水稻單位面積產(chǎn)量需主要從這4個(gè)方面著手[11]。但在育種實(shí)踐過(guò)程中的困難在于水稻各個(gè)產(chǎn)量相關(guān)性狀之間呈負(fù)相關(guān)。在本研究中發(fā)現(xiàn)，將揚(yáng)稻6號(hào)中的Ghd7區(qū)段替換為鄂早18中的Ghd7區(qū)段后，所得株系的單株產(chǎn)量同揚(yáng)稻6號(hào)相比，并未顯著降低。在21個(gè)揚(yáng)稻6號(hào)（Ghd7-EZ18）株系中，有1個(gè)株系的單株產(chǎn)量顯著提高，7個(gè)株系的單株產(chǎn)量同揚(yáng)稻6號(hào)相比沒(méi)有顯著差異，13個(gè)株系的單株產(chǎn)量顯著下降，這說(shuō)明Ghd7并不是影響水稻產(chǎn)量的惟一限制因子。通過(guò)分子標(biāo)記輔助選擇結(jié)合田間人工選擇，完全可以選擇得到生育期縮短，但產(chǎn)量不下降的品系。

3.3? Ghd7在水稻遺傳育種中的應(yīng)用前景

本研究認(rèn)為，Ghd7在水稻遺傳育種中的應(yīng)用前景主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）改良后的水稻品種具有更廣泛的適應(yīng)性。中國(guó)水稻種質(zhì)范圍廣泛，北至黑龍江，南至海南均有種植。根據(jù)氣候條件、耕作制度以及適宜種植的品種類型，可將全國(guó)水稻的種植區(qū)域劃分為東北早熟單季稻區(qū)，華北單季稻區(qū)，西北單季稻區(qū)，華中單、雙季稻區(qū)，西南雙、單季稻區(qū)和華南雙季稻區(qū)這六大稻區(qū)[12]。水稻的抽穗期是決定水稻品種地區(qū)與季節(jié)的重要農(nóng)藝性狀。將Ghd7不同的等位基因置換到不同的水稻品種當(dāng)中，可以通過(guò)改變?cè)贩N的抽穗期擴(kuò)大其適應(yīng)范圍。本研究中將鄂早18中的Ghd7導(dǎo)入揚(yáng)稻6號(hào)，使得原揚(yáng)稻6號(hào)的抽穗期提前，一方面可以把改良的揚(yáng)稻6號(hào)當(dāng)作早稻種植，另一方面也可以把改良后的揚(yáng)稻6號(hào)種植到原來(lái)不適宜種植的地區(qū)。從產(chǎn)量上看，改良后的揚(yáng)稻6號(hào)（Ghd7-EZ18）產(chǎn)量并不一定下降。同樣的，若將揚(yáng)稻6號(hào)中Ghd7的等位基因置換到鄂早18中，那么改良后的鄂早18則可以作為中稻種植，產(chǎn)量相對(duì)原鄂早18可能會(huì)得到提高。筆者在進(jìn)行本研究的同時(shí)也將揚(yáng)稻6號(hào)中的Ghd7片段置換到鄂早18中，但從2015和2016年田間種植情況來(lái)看，置換了揚(yáng)稻6號(hào)Ghd7片段的鄂早18結(jié)實(shí)表現(xiàn)異常，結(jié)實(shí)率只有60%～70%。這可能是揚(yáng)稻6號(hào)中的粳稻血緣導(dǎo)入早秈鄂早18后，另一種形式的秈粳雜交所造成的。

（2）擴(kuò)大種質(zhì)交流的范圍，為種質(zhì)創(chuàng)新提供了新思路。雜種優(yōu)勢(shì)理論認(rèn)為，親本間的親緣關(guān)系越遠(yuǎn)，雜種優(yōu)勢(shì)就越強(qiáng)[13]。在當(dāng)前水稻育種實(shí)踐中，雜交稻育種已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)很高的水平，主栽品種的親緣關(guān)系愈發(fā)接近。以長(zhǎng)江中下游地區(qū)雜交中稻為例，當(dāng)前生產(chǎn)和育種中所使用的骨干親本多數(shù)具有揚(yáng)稻6號(hào)的血緣。親本材料的同質(zhì)性，一方面使得選育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的雜交水稻品種更加困難，另一方面也更加凸顯出種質(zhì)創(chuàng)新的重要性。如上所述，通過(guò)將Ghd7不同的等位基因置換到不同的水稻品種中，改變?cè)贩N的抽穗期使得其種植地域更加廣泛，種植季節(jié)也得以擴(kuò)大。這就使得原來(lái)被地域或季節(jié)所阻隔的品種間得到了種質(zhì)交流的機(jī)會(huì)。在本研究中，經(jīng)過(guò)改良后的揚(yáng)稻6號(hào)抽穗期提前，可以當(dāng)作早稻種植，這種全新的途徑為早稻育種提供了優(yōu)質(zhì)的種質(zhì)資源。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曾婷婷，黃晚華，童中華，等.不同播期對(duì)超級(jí)稻早稻產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的影響[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2018，34（27）：17-21.

[2] 胡標(biāo)林，羅向東，嚴(yán)文貴，等.水稻核心種質(zhì)表型性狀遺傳多樣性分析及綜合評(píng)價(jià)[J].作物學(xué)報(bào)，2012，38（5）：829-839.

[3] 國(guó)家水稻數(shù)據(jù)中心.揚(yáng)稻6號(hào)[EB/OL].http：//www.ricedata.cn/variety/varis/600611.htm，2018-04-11.

[4] 國(guó)家水稻數(shù)據(jù)中心.鄂早18[EB/OL].http：//www.ricedata.cn/variety/varis/600020.htm，2018-04-11.

[5] 李進(jìn)波，王春連，夏明元，等.分子標(biāo)記輔助選擇Xa23基因培育雜交稻抗白葉枯病恢復(fù)系[J].作物學(xué)報(bào)，2006，32（10）：1423-1429.

[6] 薛為亞.水稻產(chǎn)量相關(guān)基因Ghd7的分離與鑒定[D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008.

[7] YAN W H，LIU H Y，ZHOU X C，et al. Natural variation in Ghd7.1 plays an important role in grain yield and adaptation in rice[J].Cell Research，2013，23（7）：969-971.

[8] LIU T M，LIU H Y，ZHANG H，et al. Validation and characterization of Ghd7.1，a major quantitative trait locus with pleiotropic effects on spikelets per panicle，plant height，and heading date in rice（Oryza sativa L.）[J].Journal of Integrative Plant Biology，2013，55（10）：917-927.

[9] 談? 聰，翁小煜，鄢文豪，等.多效性基因Ghd7調(diào)控水稻劍葉面積[J].遺傳，2012，34（7）：901-906.

[10] LU L，YAN W，XUE W，et al. Evolution and association analysis of Ghd7 in rice[J].PloS One，2012，7（5）：e34021.

[11] 侯璇璇.水稻產(chǎn)量及抗性相關(guān)基因的克隆及功能分析[D].山東泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2018.

[12] 程式華，李? 建.現(xiàn)代中國(guó)水稻[M].北京：金盾出版社，2007.

[13] 中國(guó)工程院.作物雜種優(yōu)勢(shì)利用[M].北京：高等教育出版社，2014.