三系雜交水稻中雜種優勢位點的發掘與簡要遺傳分析

王智權,唐書升,羅 鑫,王曉玲,肖宇龍,余傳元

(江西省農業科學院 水稻研究所/水稻國家工程實驗室,江西 南昌 330200)

IR24是三系雜交秈稻配套成功推廣后普遍使用的強優勢恢復系,現在生產上很多的優勢恢復系都帶有其血緣。因此,系統性地探析IR24的雜種優勢位點的遺傳機理以及雜種優勢的形成基礎,對三系雜交水稻的遺傳育種以及種質創制或許可以提供一些有用的信息。水稻遺傳育種界的學者們利用各種類型的遺傳群體研究發掘了大量的水稻雜種優勢位點[1-7];作者曾利用CSSL[chromosome segment substitution(CSS)lines]群體對水稻秈、粳亞種間雜種優勢的遺傳基礎進行了粗淺的探析[8-9],利用三系不育系與IAS群體(CSS lines of IR24 as recipient parent，and Asominori as donor parent)測交后對其測交后代農藝性狀雜種優勢的QTL定位也進行過初步的嘗試[10]。理論上,將同一秈稻恢復系的遺傳背景滲入不同粳稻染色體片段的CSSL群體，然后進行雜種優勢性狀的研究,可以明確粳型不同染色體區段的雜種優勢效應,再通過特定的遺傳分析軟件可以發掘分析雜種優勢位點。為了更深入地探討秈恢摻粳對提高水稻雜種優勢的作用,本文用秈恢IR24滲入粳稻Asominori的65個家系的CSSL群體為父本,以贛香A和五豐A兩個三系不育系為母本，分別配制了兩套雜合F1群體,結合置換系分子標記圖譜[11],發掘定位了三系雜交水稻產量相關性狀的雜種優勢位點,并作了簡要的遺傳分析,希望能為以后的MAS育種提供一點參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗共采用3套遺傳群體,其中1套染色體片段置換系源自南京農業大學;對應2套雜種F1群體,由IAS群體各株系(父本)分別與贛香A和五豐A兩個秈型不育系雜交得到的F1組合構成(簡稱為贛香A/IAS F1和五豐A/IAS F1群體)。

1.2 試驗設計

于2015年和2016年正季在南昌試驗基地種植了IAS、贛香A/IAS F1和五豐A/IAS F1共3套遺傳群體；田間各置換系與對應F1代組合采取相間排列的方式種植,隨機區組設計,兩次重復,每小區種植2行,每行10株,每重復共種植20株,采用單苗“寬窄行”種植。田間肥、水管理同常規大田管理,及時進行病蟲害防治。試驗設計方法與以前發表文獻[9-10]中的方法相同。

1.3 考查性狀

成熟后及時取樣考種。每套群體每重復分別計數中間10株單株的有效穗數,按單株有效穗數的均值對每份材料收取5個健康單株,剪收有效穗,分別裝好曬干。主要考察:單株有效穗數、平均穗長、著粒密度、結實率和千粒重;考種按中國稻種資源評價標準[12]進行。

1.4 數據分析

1.4.1 中親優勢(Midparental heterosis, HMP)的計算 中親優勢的計算公式為: HMP=F1(不育系/IAS)-IAS。

1.4.2 雜種優勢位點(Heterotic loci, HL)的定位 以中親優勢HMP作為雜種優勢QTL檢測的基準表型值,結合已有的基因型圖譜[11],利用軟件QTL IciMapping(由中國農業科學院作物科學研究所王建康研究員編制,可從http://www.isbreeding.net網站免費下載)檢測對應雜種F1群體中表現雜種優勢效應的QTL,并將所得連鎖標記的加性效應值視作雜種優勢的效應值。QTL的檢測采用RSTEP-LRT方法[13-16]。以LOD值≥2.0為閾值來判斷QTL是否存在。QTL命名遵循McCouch等[17]的方法(本文稍作調整)。

2 結果與分析

2.1 IAS群體各測交雜種F1代產量相關性狀中親優勢的表型變異

從表1可以看出，贛香A和五豐A與置換系雜交后,贛香A/IAS F1和五豐A/IAS F1組合的有效穗、平均穗長、著粒密度以及千粒重各性狀在群體表現上與IAS相比較具有不同程度的雜種優勢,沒有規律性,說明產量雜種優勢的形成比較復雜。IAS雜種F1代除了結實率表現為減量的中親優勢外,其它均表現為增量的中親優勢,各性狀也普遍存在雙向超親分離現象(見變異幅度)。以上結果表明,在保證單株有效穗數、千粒重的基礎上,如何提高水稻秈粳亞種間組合的結實率是現今育種中應高度重視的關鍵問題。

表1 各不育系與置換系雜種F1代產量相關性狀的雜種優勢值

2.2 贛香A/IAS F1和五豐A/IAS F1組合產量相關性狀中親優勢的方差分析

對兩套組合產量相關性狀中親優勢的平均值進行了方差分析(用F值表示),從表2可知：單株有效穗在年份之間的差異以及在組合與年份之間的互作極顯著,表明單株有效穗受環境的影響比較明顯,是一個不穩定的農藝性狀,其遺傳力比較低[8];平均穗長在年份之間差異不顯著,表明平均穗長是穩定遺傳的性狀,其遺傳力比較高[8];著粒密度在年份之間差異不顯著,表明著粒密度也是穩定遺傳的性狀;結實率在組合、年份以及組合與年份之間互作差異均極顯著,說明該性狀不僅受秈粳亞種間育性不親和的影響較大,而且受環境的影響也較明顯;千粒重受環境的影響不大,其遺傳力也比較高[8]。

表2 各不育系與置換系雜種F1代產量相關性狀中親優勢的方差分析結果(F值)

2.3 贛香A/IAS F1和五豐A/IAS F1組合群體產量相關性狀雜種優勢位點的定位

從表3可知：在贛香A/IAS F1群體中,在第1、3、4、5、6、7、8、9、11、12染色體上共檢測到47個QTL影響單株有效穗、平均穗長、著粒密度、結實率和千粒重等性狀；位于第3、7、11染色體上的連鎖標記RM5474、RM336、RM287在兩年均被檢測到。在單株有效穗性狀中,RM5474的LOD值分別為2.51、2.32,PVE分別為7.26%、9.19%;RM336的LOD值分別為2.84、2.25,PVE分別為23.86%、12.40%;RM287的LOD值分別為2.21、2.33,PVE分別為10.03%、4.29%。在平均穗長性狀中,RM5474的LOD值分別為3.46、2.16,PVE分別為17.11%、10.40%;RM336的LOD值分別為2.37、2.67,PVE分別為8.46%、17.70%;RM287的LOD值分別為2.45、2.08,PVE分別為8.57%、3.54%。在著粒密度性狀中,RM5474的LOD值分別為3.90、2.54,PVE分別為16.53%、10.03%;RM336的LOD值分別為2.88、3.32,PVE分別為4.18%、3.57%;RM287的LOD值分別為2.53、3.57,PVE分別為8.84%、12.91%。在千粒重性狀中,RM5474的LOD值分別為2.38、3.28,PVE分別為6.31%、10.01%;RM336的LOD值分別為2.61、3.07,PVE分別為2.81%、4.99%;RM287的LOD值分別為3.14、2.53,PVE分別為15.40%、13.71%。然而,從嚴格意義上講,這些QTL效應都很微弱,在年份之間波動較大。結實率性狀只在第12染色體上重復檢測到了1個位點RM3331,其兩年的LOD值分別為2.08和2.44,PVE分別為5.76%和15.25%。第3染色體上的RM7分別影響了單株有效穗數和著粒密度性狀,第4染色體上的RM8219分別影響了平均穗長和結實率性狀,第8染色體上的RM331分別影響了單株有效穗數和結實率性狀。以上檢測到的QTL雖然效應微弱,但均表現出一因多效。

表3 在贛香A/IAS F1群體中產量相關性狀雜種優勢位點的分布

從表4可知,在五豐A/IAS F1群體中,在第1、2、3、4、5、6、7、8、9、11、12染色體上共檢測到53個QTL影響單株有效穗、平均穗長、著粒密度、千粒重等性狀,位于第3、7、11染色體上的連鎖標記RM5474、RM336、RM287在兩年均被檢測到。在單株有效穗性狀中,RM5474的LOD值分別為2.21、2.72,PVE分別為6.27%、15.67%;RM336的LOD值分別為2.59、3.11,PVE分別為11.55%、10.50%;RM287的LOD值分別為2.35、2.67,PVE分別為6.53%、4.07%。在平均穗長性狀中,RM5474的LOD值分別為2.55、2.12,PVE分別為13.91%、8.33%;RM336的LOD值分別為2.74、3.27,PVE分別為11.39%、12.71%;RM287的LOD值分別為2.65、2.18,PVE分別為6.77%、5.14%。在著粒密度性狀中,RM5474的LOD值分別為2.90、2.23,PVE分別為13.83%、12.70%;RM336的LOD值分別為2.18、2.31,PVE分別為5.22%、13.26%;RM287的LOD值分別為2.28、2.66,PVE分別為5.88%、8.97%。在千粒重性狀中,RM5474的LOD值分別為2.55、2.05,PVE分別為5.29%、8.13%;RM336的LOD值分別為2.68、2.23,PVE分別為6.78%、8.12%;RM287的LOD值分別為2.26、3.15,PVE分別為10.90%、11.36%。一般而言,當LOD值≥3時,檢測到的QTL的可靠性高,如果能多年重復,則為穩定表達的QTL。結實率性狀只在第12染色體上重復檢測到了1個位點RM3331,其兩年的LOD值分別為2.49和2.85,PVE分別為6.89%和9.11%。第3染色體上的RM7分別影響了單株有效穗數和著粒密度性狀,第4染色體上的RM8219分別影響了平均穗長和結實率性狀,第8染色體上的RM331分別影響了單株有效穗數和結實率性狀。以上所有QTL的效應都不大,但均表現出一因多效。

表4 在五豐A/IAS F1群體中產量相關性狀雜種優勢位點的分布

對贛香A/IAS F1和五豐A/IAS F1組合群體中雜種優勢的位點進行比較分析,發現：單株有效穗性狀中qHPPP6和qHPPP11的連鎖標記分別為RM336和RM287,它們在兩套群體中都可以被檢測到,但是由于受不同遺傳背景的影響,其顯性效應值分別為-0.21、0.77和-0.89、0.45;平均穗長性狀中qHPL3、qHPL7和qHPL11在兩套群體中都可以被檢測到,并且顯性效應值方向一致。這從側面也能印證單株有效穗性狀受環境和遺傳背景的影響較大,而平均穗長性狀比較穩定,受環境和遺傳背景的影響較小。

3 討論

雜種優勢的遺傳基礎比較復雜,從本研究中可以看出,產量相關性狀的雜種優勢不一致,規律性不明顯,可見雜種優勢形成的差異性是產量雜種優勢遺傳基礎復雜性的外在表現。各性狀均存在效應相反的雜種優勢位點。為了盡可能地全面發掘一些微效基因,在本研究中QTL檢測所采用的LOD值比較小(LOD≥2.0),通過IAS群體與各F1群體之間的表型差異,結合已有的結實率圖譜(圖1),在兩個群體中分別檢測到53個(29個增效)和47個(25個增效)雜種優勢位點影響產量構成性狀雜種優勢的表現。在所有檢測到的QTL中,有54個增效位點,占總位點數的54%,表明將粳稻Asominori的等位基因導入秈稻IR24中能增強三系雜交F1代的雜種優勢表現,因此通過秈滲粳的技術手段將含有優勢基因(QTL)的粳型染色體片段導入到秈稻恢復系中,能夠用來改良秈型恢復系。

本研究在生產上大面積應用的不育系五豐A的測交F1群體中檢測到增量增效的雜種優勢位點29個，而在本單位自主選育但應用面積較小的不育系贛香A測交F1群體中檢測到增量增效的雜種優勢位點25個，這是否說明含有增量雜種優勢位點多的不育系在育種過程中由于更多的有利等位基因的互補,所以更容易配制出優勢組合？由于數量性狀位點受遺傳背景的影響較大,所以在不同遺傳材料中定位到的QTL效應也不盡相同。因此,本研究所定位到的雜種優勢位點是否具有代表性和真實性？這還需通過其它育種材料大量的測交、更加精確的試驗設計以及更加系統全面的位點分析才能加以證明。

本研究雖然檢測到大量與雜種優勢相關的QTL,但由于LOD值較小,QTL假陽性存在的可能性較大,比如在贛香A/CSSL F1群體中檢測到的qHPL3,在兩年的LOD值分別為3.46和2.16,波動較大;在著粒密度性狀中的qHSD3.1,在兩年的LOD值分別為3.90和2.54,可能存在假陽性;而且其中大部分的QTL在各群體中沒有重演性,與前人的研究結果[18-19]類同,說明遺傳背景和環境對數量性狀位點的影響很大,尤其是結實率性狀,方差分析表明該性狀在組合、環境以及組合與環境之間互作差異均極顯著,說明該性狀受環境的影響較明顯,因此如何提高水稻秈粳亞種間組合的結實率是水稻育種工作者們在育種過程中應考慮的關鍵問題;通過“秈粳架橋”等方式,通過不斷回交選擇,可將秈粳育性不親和基因置換掉,這樣秈粳亞種間親和性提高,結實率增加。

在與產量密切相關的性狀中,從兩套群體中均檢測到位于第3、7、11染色體上與分子標記RM5474、RM336、RM287密切相關的3個QTL，雖然它們的效應并不大,屬于微效基因,但都表現出一因多效現象,其中第3染色體上的RM7分別影響了單株有效穗數和著粒密度性狀,第4染色體上的RM8219分別影響了平均穗長和結實率性狀,第8染色體上的RM331分別影響了單株有效穗數和結實率性狀。這與筆者之前的研究結果[9-11]類同,這能否再次證明一因多效是雜種優勢形成的原因,還需要更深入的分子生物學研究來證明。雖然這3個QTL在兩套群體中都能檢測到,但由于QTL檢測所采用的LOD值比較小(LOD≥2.0,一般用3.0可信度更高),而且大部分的效應值均比較微弱,且在年份之間差異明顯,這些QTL是否具有特異性或假陽性？所得結果是否存在環境誤差或者隨機誤差？還需要更為精確的試驗來確定。

有些QTL在不同群體中也能檢測到,比如位于第8染色體上的與標記RM331緊密連鎖的qPPP8,在以Asominori為背景的CSSL群體(AIS)中能夠增加單株有效穗數[8]。本研究發現，在五豐A/CSSL F1群體中與標記RM331緊密連鎖的qHPPP8會減少單株有效穗數,兩套CSSL遺傳群體(AIS和IAS)相互印證,說明任何位點都可能存在一系列的復等位基因,因此不能排除在其它水稻種質中還存在類似的效應更大的雜種優勢等位基因。因此,對于水稻遺傳育種而言,今后需要通過構建更多不同的遺傳群體和更大的自然群體，采用更為嚴謹、精密有效的數量遺傳統計分析軟件和更加精確的試驗設計,結合使用更為高效的低誤差的表型鑒定方法,廣泛定位與產量性狀雜種優勢密切相關的數量性狀位點,這樣可以為今后在三系雜交水稻育種中利用分子標記技術聚合增效位點以及消除減效位點,培育雜種優勢強大的品種提供幫助。