不同生態(tài)類群水稻MAGIC群體構(gòu)建

桂毅杰 陳建民 楊紹華 陳在杰 王鋒

摘 要：優(yōu)異種質(zhì)的創(chuàng)制是育種工作成敗的關(guān)鍵。為擴大水稻親本遺傳多樣性，提高重組頻率，通過利用育種骨干親本來構(gòu)建水稻MAGIC群體。選擇了3種典型的水稻生態(tài)類群（分別為華南地區(qū)早生快發(fā)類群Z;長江流域粗稈大穗類群D和太湖流域粳稻類群J）共48份育種骨干親本，開展各個類群的MAGIC群體構(gòu)建。結(jié)果表明：親本在特定的環(huán)境下的產(chǎn)量相關(guān)性狀存在顯著差異，遺傳多態(tài)性豐富。采用漏斗式雜交配組的方法開展親本間和雜交種的半雙列雜交，獲得了138份兩親本雜交F1組合和96份4親本雜交F1組合，為接下來的8親本雜交配組奠定了材料基礎(chǔ)，目標(biāo)是構(gòu)建3個不同生態(tài)類群的水稻MAGIC群體，以期聚合骨干親本的優(yōu)勢基因來創(chuàng)制水稻優(yōu)異種質(zhì)。

關(guān)鍵詞：水稻;MAGIC群體;生態(tài)群

中圖分類號：S 511? ?文獻標(biāo)志碼：A? ?文章編號：0253-2301（2021）04-0001-08

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2021.04.001

Construction of Rice MAGIC Population of Different Ecological Groups

GUI Yi-jie， CHEN Jian-min， YANG Shao-hua， CHEN Zai-jie， WANG Feng*

（Fujian Key Laboratory of Agricultural Genetic Engineering/Institute of Biotechnology，

Fujian Academy of Agricultural Sciences， Fuzhou， Fujian 350003， China）

Abstract： The creation of the excellent germplasm is the key to the success of breeding. In order to expand the genetic diversity of rice and improve the frequency of recombination， the rice MAGIC population was constructed by using the elite breeding lines. A total of 48 breeding backbone parents from 3 typical rice ecological groups were selected to carry out the MAGIC population construction of each group. The results showed that there were significant differences in the yield-related traits among the parents under the specific environment， and the genetic polymorphism was abundant. By using the method of funnel-shaped hybridization， the half diallel crosses between the parents and hybrids was carried out， and 138 two-parent F1 hybridized combinations and 96 four-parent F1 hybridized combinations were obtained， which laid the material foundation for the next eight-parent hybridized combinations. The goal was to construct the rice MAGIC population of 3 different ecological groups， in order to aggregate the superior alleles of the backbone parents to create the excellent rice germplasm.

Key words： Rice; MAGIC population; Ecological group

雜交選育是培育新品種的重要手段。通過兩個或多個親本間的有性雜交產(chǎn)生基因重組，再經(jīng)過若干世代的性狀分離、選擇和鑒定，篩選出符合育種目標(biāo)的新品種[1]。雜交育種在國內(nèi)外的動植物育種中得到普遍應(yīng)用且成效顯著，從雜交的方式來劃分，主要包括單交和多親本復(fù)交。傳統(tǒng)的雙親本雜交比較簡單且針對單基因控制的質(zhì)量性狀改良效率比較高，被廣大育種工作者采用。此外，廣泛應(yīng)用于作圖群體，如F2、BC、RIL和DH等QTL定位和基因克隆。單交在帶來便捷的同時，也存在缺陷。單交主要受親本遺傳背景的限制，遺傳多態(tài)性不夠豐富，發(fā)生重組頻率比較低。而多親本復(fù)交可以較好地解決單交的問題，原因有：（1）多親本擴大了遺傳變異度，增加了等位基因頻率;（2）在群體構(gòu)建過程中經(jīng)歷多親本雜交及接下來的自交，雜交事件發(fā)生頻次多和世代高可以增加遺傳重組的頻率;（3）重組頻率的提高一方面可以提高遺傳作圖定位的精度，另一方面可以獲得新類型的材料，這對作物育種具有重要的現(xiàn)實意義。（4）群體結(jié)構(gòu)不明顯，適合運用全基因組關(guān)聯(lián)分析來解析復(fù)雜農(nóng)藝性狀。

早在20世紀(jì)70年代就有學(xué)者提出六元和八元的雙列雜交系統(tǒng)用于自花授粉作物育種[2-3]。21世紀(jì)初，多親本互交群體首先在小鼠上報道[4]。Colin等[5]將多親本互交引入到作物育種領(lǐng)域，并提出多親本高世代互交群體Multi-parent Advanced Generation inter-cross lines（MAGIC）概念。2009年Kover等[6]報道了植物擬南芥上的第1個MAGIC群體，接著在作物上也陸續(xù)構(gòu)建了MAGIC群體，包括水稻[7]、小麥[8-9]、大麥[10]、高粱[11]、玉米[12]和棉花[13]等。國際水稻研究所[7]IRRI首先構(gòu)建了水稻MAGIC群體，包括8親本秈稻MAGIC群體、8親本粳稻MAGIC群體和16親本的MAGIC群體，此外還有兩個4親本的MAGIC群體并利用該群體對水稻重要農(nóng)藝性狀進行了QTL定位分析[14-15]。國內(nèi)學(xué)者徐建龍團隊[16-17]利用其中2個4親本和1個8親本MAGIC群體，采用關(guān)聯(lián)分析定位抽穗期、株高和白葉枯病抗性QTL。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)邢永忠研究組[18-19]也構(gòu)建了水稻4親本MAGIC群體，分析了粒形，株型以及抽穗期QTL等。日本學(xué)者Ogana等[20]利用粳稻MAGIC群體結(jié)合單體型分析定位粒形QTL。綜上所述，已有的水稻MAGIC群體主要用于農(nóng)藝性狀QTL定位，而利用不同生態(tài)類群的育種骨干親本來構(gòu)建水稻MAGIC群體的鮮有報道。本研究選擇48份育種骨干親本，代表中國典型水稻生態(tài)類群，包括華南稻區(qū)、長江流域稻區(qū)以及太湖流域粳稻亞群，用于構(gòu)建不同生態(tài)類群的水稻MAGIC群體。以期通過世代選擇實現(xiàn)將來源于多個不同親本的優(yōu)勢基因聚合到同一個理想單株中。本研究對親本兩年兩點的產(chǎn)量相關(guān)性狀作統(tǒng)計分析，并進行各個類群親本兩兩之間的半雙列雜交配組，以及在此基礎(chǔ)上完成了4親本的雜交F1，為最終的MAGIC群體構(gòu)建奠定材料基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

利用48份水稻育種骨干親本，其中包括31份秈稻和17份粳稻品種，48份水稻材料類型及品種特性見表1。候選親本經(jīng)歷多年多點的田間表型調(diào)查和考種數(shù)據(jù)的分析，選擇抗病和高產(chǎn)，農(nóng)藝性狀互補的骨干親本，按不同生態(tài)類群來開展雜交配組試驗。材料均來自福建省農(nóng)業(yè)遺傳工程重點實驗室水稻種質(zhì)庫。

1.2 田間試驗及雜交配組

育種材料每年種兩季，分別播種在福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所福州壽山基地（N26°18′、E119°28′）和福建省南繁基地三亞藤橋（N18°39′ 、E109°73′），株行距為20 cm×20 cm，田間管理參照常規(guī)大田生產(chǎn)方式。采用漏斗式雜交方式構(gòu)建8親本F1（G3），在此基礎(chǔ)上通過高世代自交（6代以上）獲得MAGIC群體（圖 1）。

1.3 表型調(diào)查

表型調(diào)查包括生育期田間記載和收獲后室內(nèi)考種兩部分。田間表型調(diào)查，主要包括抽穗期、株高和株葉形態(tài)觀察記載;室內(nèi)考種主要包括單株產(chǎn)量、有效分蘗數(shù)、穗長和千粒重等。具體方法參照水稻特征特性鑒定方法及標(biāo)準(zhǔn)[21]，并做適當(dāng)調(diào)整。具體如下：抽穗期記錄試驗材料群體50%抽穗的日期;株高測量成熟期水稻植株自地面至穗頂部（不包括芒）的長度，一般量5～10株，取平均值;水稻完熟后，在群體中心收獲5～10株典型株系，經(jīng)

晾曬后在室內(nèi)分別調(diào)查有效分蘗數(shù)（總穗數(shù)/株數(shù)）、穗長（任意選擇10個稻穗測量穗頸節(jié)至穗頂間的長度，不包括芒）、單株產(chǎn)量（脫粒清選后總重/株數(shù)）和千粒重（隨機選取1000粒發(fā)育良好的稻谷，準(zhǔn)確稱至0.01 g，3次重復(fù)）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

本研究獲得的表型數(shù)據(jù)采用SAS University Edition（SAS Institute Inc.， Cary， NC， USA）進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果分析

2.1 親本產(chǎn)量相關(guān)性狀調(diào)查及分析

目前獲得48份親本兩年兩點的田間表型數(shù)據(jù)，涵蓋播始?xì)v期、株高、分蘗數(shù)、穗長、單株產(chǎn)量和千粒重等（表2）。從表2可以看出，上述農(nóng)藝性狀在候選骨干親本差異顯著，播始?xì)v期最長的達到112 d，是最短的（57 d）近2倍，單株產(chǎn)量可以達到5倍的差距。在株高方面存在明顯的地域差異，壽山正季平均株高較藤橋南繁季的要高15～20 cm，這種地域差異同樣表現(xiàn)在分蘗數(shù)上，正季較南繁季多2～3個分蘗。而遺傳力相對比較大的千粒重、穗長和單株產(chǎn)量在2018年和2019年存在極顯著差異（P<0.01）。

進一步分析了各個不同生態(tài)類群內(nèi)親本間的差異情況，3個生態(tài)類群內(nèi)的千粒重差異不顯著，提示千粒重遺傳力強，且受環(huán)境因素影響較小。而粳稻類群在同一地點不同年份的株高上存在極顯著差異（P<0.01），表現(xiàn)出在三亞2019年的平均株高比2018年的高6 cm，而在福州卻是相反2018年比2019年的高3 cm。株高在年際間有顯著變化，變化的趨勢因立地條件不同而不同。

水稻產(chǎn)量的構(gòu)成三要素：分蘗數(shù)、穗粒數(shù)和粒重。針對本試驗獲得兩年兩點的單株產(chǎn)量數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計回歸分析，考察在特定環(huán)境下，播始?xì)v期、分蘗數(shù)和穗長、千粒重等要素對單株產(chǎn)量的決定系數(shù)（表3）。結(jié)果顯示在單因素模型下，決定系數(shù)變異范圍為9.74%～30.13%，起決定的要素分別是分蘗數(shù)和生育期（播始?xì)v期）。2018年生育期在藤橋試驗點對單株產(chǎn)量的貢獻達到22.01%，而壽山基地對單株產(chǎn)量起決定作用的是分蘗數(shù)，貢獻率達到30.13%。在雙因素模型下，除分蘗數(shù)或生育期外，還有株高和穗長對單株產(chǎn)量也有影響。特別是在2018年壽山基地單株產(chǎn)量的決定要素是分蘗數(shù)和穗長，兩者的決定系數(shù)達到49.59%。粒重對單株產(chǎn)量的貢獻不明顯。

2.2 親本的選擇和雜交配組

親本的選擇是雜交配組的關(guān)鍵，本研究在親本選擇上主要考慮以下三點：（1）通過人工接種進行苗期稻瘟病篩查，選擇抗病品種作為骨干親本;（2）觀察親本雜交F1代是否表現(xiàn)雜種優(yōu)勢，包括基本營養(yǎng)生長量、產(chǎn)量構(gòu)成要素以及合理的株葉態(tài)等農(nóng)藝性狀表型;（3）親本的稻米品質(zhì)，包括外觀品質(zhì)和蒸煮食味品質(zhì)，選擇整精米率高，食味品質(zhì)好的作為親本。

通過篩選獲得48份骨干親本用于構(gòu)建MAGIC群體，即來自華南稻區(qū)的早生快發(fā)類群（Z群），長江流域的粗稈大穗型（D群）以及太湖流域的粳稻組群（J群）。每個生態(tài)類群選擇8份生育期相近，農(nóng)藝性狀互補的親本采用漏斗式兩兩雜交配組（圖 1）。截至目前，共獲得雙親本雜交F1組合138份，4親本F1組合有96份（表4），這為接下來的8親本MAGIC群體的構(gòu)建奠定了材料基礎(chǔ)。

3.1 構(gòu)建不同生態(tài)類群的水稻MAGIC群體

MAGIC群體已廣泛用于遺傳育種領(lǐng)域，在復(fù)雜性狀基因QTL精細(xì)定位和作物遺傳改良上發(fā)揮傳統(tǒng)雙親本雜交群體無法比擬的優(yōu)勢[22]。MAGIC群體構(gòu)建親本選擇是關(guān)鍵，本研究選擇3種典型的生態(tài)類群的育種材料作為親本，材料創(chuàng)制為育種實踐服務(wù)的目的突出。另外，來自同一個生態(tài)類群的材料具有一致的光溫習(xí)性和基本營養(yǎng)型，表現(xiàn)在生育期上相差不大，這樣更容易花期相遇便于開展田間雜交配組試驗。例如本研究中選擇的華南地區(qū)早生快發(fā)的Z群在兩年兩點的播始?xì)v期相差不超過15 d，這樣很容易通過分期播種，讓花期相遇，順利開展雜交配組。

構(gòu)建MAGIC群體在擴大遺傳背景增加重組概率的同時，需要耗費更多的人力和物力。因為需要更多的雜交數(shù)量并要經(jīng)歷更多的世代，方能構(gòu)建成功。也正因如此，在一開始的親本選擇上更需謹(jǐn)慎，除表型數(shù)據(jù)外還得考察親本基因型，必須得結(jié)合基因型數(shù)據(jù)和表型數(shù)據(jù)，全面系統(tǒng)的分析親本的優(yōu)點和不足，才能優(yōu)中選優(yōu)，構(gòu)建富有遺傳變異且基因重組充分的MAGIC群體，在這樣的群體中才有可能選出滿足育種實際需求的優(yōu)異種質(zhì)。

3.2 播始?xì)v期和分蘗數(shù)是單株產(chǎn)量的決定因素

兩年兩點的表型數(shù)據(jù)分析顯示親本的表型變異豐富，且受環(huán)境影響顯著。光溫資源充沛的福州正季比三亞南繁季分蘗數(shù)要多2～3個，平均株高超出15 cm，體現(xiàn)在單株產(chǎn)量上差1倍。環(huán)境通過塑造表型的差異來決定產(chǎn)量的變化，因此得重視環(huán)境在群體構(gòu)建過程中的影響，因勢利導(dǎo)，順應(yīng)自然。同時還得利用功能基因分子標(biāo)記來追蹤目標(biāo)性狀，評估遺傳力和育種值的大小。分析基因與環(huán)境互作的效益，更好地為區(qū)域育種提供指導(dǎo)。

3.3 MAGIC群體在水稻育種利用上的展望

優(yōu)異種質(zhì)的創(chuàng)制是育種成敗的關(guān)鍵。構(gòu)建水稻MAGIC群體就是通過聚合各個親本優(yōu)異等位基因創(chuàng)造新類型種質(zhì)資源，與傳統(tǒng)的兩親本雜交遺傳多態(tài)性僅局限于雙親不同，MAGIC親本從2個變成了4個、8個甚至16個和32個。這從源頭上增加了變異豐度，會產(chǎn)生更豐富的變異和組合，需要更大的群體來容納（代表）豐富的多態(tài)性。在創(chuàng)造變異上，MAGIC群體具有無法比擬的優(yōu)勢。

育種的實質(zhì)是創(chuàng)造變異并選擇和固定下來。在豐富變異的大群體里，如何才能選出優(yōu)異株，這是一個不小的挑戰(zhàn)。因此要利用水稻基因組數(shù)據(jù)來幫助我們做必要的前景和背景選擇，目標(biāo)基因型的選擇，全基因組選擇。MAGIC群體帶來的選擇挑戰(zhàn)將會給水稻育種方法帶來革新，并為水稻新品種培育的突破提供解決方案。

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（責(zé)任編輯：柯文輝）