優(yōu)異常規(guī)粳稻親本組合選配方法及其育種應(yīng)用

杜燦燦,景德道,胡慶峰,曾生元,李 闖,錢華飛,余 波,孫立亭,林添資,龔紅兵

(江蘇丘陵地區(qū)鎮(zhèn)江農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所,江蘇 句容 212400)

【研究意義】傳統(tǒng)育種主要通過育種家對親本及雜交后代的表型選擇開展品種選育工作,正確選擇組配親本是育種工作的首要問題[1]。表型選擇需要育種家多年的經(jīng)驗積累[2],但是經(jīng)驗豐富的育種家也會面臨很多棘手問題,例如2個中感稻瘟病的品種雜交后代中出現(xiàn)了中抗類型,2個產(chǎn)量相當(dāng)?shù)钠贩N雜交后代穗數(shù)不足,產(chǎn)量不達標(biāo)。另一方面,品種井噴時代可以用來作為親本的品種或者中間材料過多[3],2020年僅通過江蘇省農(nóng)作物品種試驗審定的水稻品種就有55個,此外還有許多聯(lián)合體試驗審定品種,其中不乏有些品種可能田間表型差異互補、符合育種目標(biāo),但是兩者基因型同源度高,組配難以選出符合預(yù)期的突破性品種;再或者肉眼觀察兩者田間表型差異不大,但其基因型差異較大,兩者組配可能快速形成穩(wěn)定品種,但卻因肉眼表型差異無法區(qū)分而被舍棄該親本組合。這些情況大大增加了育種家親本選擇、配組難度及工作量。同時對品種的表型和基因型進行分類,再從中依據(jù)育種目標(biāo)選擇合適的優(yōu)異親本進行組合,可以減少對育種材料的利用和配組盲目性,減少育種工作量,提高育種效率。【前人研究進展】雜種優(yōu)勢群是指一群具有密切關(guān)系的近交系,群內(nèi)材料間的共祖程度高,而2個雜種優(yōu)勢群之間的材料共祖程度低,一般群內(nèi)自交系雜交優(yōu)勢弱,群間自交系雜交優(yōu)勢強[4]。該概念多用于玉米育種中,在水稻雜交育種中也有探索。1992年陳立云等[5]按照生態(tài)型對秈粳進行了分類及組配研究。其后有學(xué)者就秈稻或者粳稻單獨進行雜種優(yōu)勢群研究。羅小金等[6]利用SSR標(biāo)記將58份秈稻聚成3類,并通過雜種優(yōu)勢分析證明了可以利用SSR標(biāo)記劃分秈型水稻雜種優(yōu)勢群,指導(dǎo)親本選擇,提高育種效率。同樣,王勝軍等[7-8]通過2次試驗對雜交秈稻骨干親本進行了類群劃分,并提出了多種雜種優(yōu)勢模式。王凱[9]利用384個SNP對737份秈稻材料進行聚類,發(fā)現(xiàn)拉丁美洲的材料是雜交秈稻育種潛在的優(yōu)勢生態(tài)群。Wang等[10]在兩項研究的基礎(chǔ)上,確定了熱帶秈稻種質(zhì)資源的4個雜種優(yōu)勢群體和3個有望用于熱帶雜交稻育種的雜交模式。劉煒等[11-12]通過對50份不同生態(tài)型的粳稻材料進行雙列雜交研究,劃分出4種優(yōu)勢生態(tài)群并提出3種最佳雜種優(yōu)勢模式。但是以上這些雜種優(yōu)勢群都是在雜交稻中探索或應(yīng)用的,而本研究利用該分群思想同時借助表型和基因型指標(biāo)將常規(guī)粳稻進行分類,用以指導(dǎo)常規(guī)粳稻親本雜交組合選配。【本研究切入點】盡管分子標(biāo)記輔助育種已經(jīng)應(yīng)用于水稻育種,但是一般采用單標(biāo)記或者多標(biāo)記在加代間進行輔助選擇[13-17],而本研究從背景基因型考慮,在常規(guī)粳稻親本選擇時利用標(biāo)記基因型與表型分別作為聚類分類的指標(biāo),提供親本組合選擇組配依據(jù),以解決育種實際問題。【擬解決的關(guān)鍵問題】利用聚類分析對本研究選擇的34個候選親本進行分類,在同時了解表型與基因型差異的基礎(chǔ)上按照親本選擇四大原則進行優(yōu)異親本選配,為水稻育種提供一種優(yōu)異親本組合的選配方法。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用江蘇省育成的34個品種為試驗材料,按生態(tài)類型分為早熟晚粳(16個)、中熟晚粳(1個)、遲熟中粳(5個)、中熟中粳(12個),品種名稱、生態(tài)類型等具體信息見表1。

表1 試驗材料信息

1.2 田間試驗設(shè)計

本試驗在江蘇丘陵地區(qū)鎮(zhèn)江農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新中心試驗田進行,中熟中粳、遲熟中粳播期為5月25日,中熟晚粳、早熟晚粳播期為5月15日。濕潤育秧,30 d秧齡移栽,株距13 cm,行距25 cm,3次重復(fù),田間肥水管理按照各生態(tài)類型與試驗田氣候正常進行。

1.3 農(nóng)藝性狀調(diào)查

依據(jù)《植物新品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測試指南》水稻性狀表進行農(nóng)藝性狀調(diào)查與記載。每個材料于田間調(diào)查劍葉長、劍葉寬、倒二葉長、倒二葉寬、芒的有無、初期芒色、后期芒色、劍葉曲度、前期穎尖色、后期穎尖色、莖稈長度、莖稈粗細、莖稈莖數(shù)、劍葉角度、芒的分布、主穗長度、穗立形狀、穗類型、穗抽出度、有效穗、株高等21個性狀。成熟期選擇代表性植株5株于室內(nèi)考察千粒重、二次枝梗、單株平均穗長、穗總粒、穗實粒、結(jié)實率、落粒性、谷粒長度、谷粒寬度、谷粒長寬比、糙米長度、糙米寬度、糙米長寬比、胚乳類型、糙米香味等15個性狀;每個材料選取2 m2進行人工收割、脫粒、晾曬、測產(chǎn),重復(fù)3次。

1.4 品質(zhì)性狀測定

每份材料稱取450 g,出糙后用JY7132型精米機碾成精米,計算精米率、糙米率。利用RCTA-11A型食味儀(日本佐竹公司)測定食味值、直鏈淀粉、蛋白質(zhì)和水分含量,每份樣品重復(fù)測定3次。

1.5 形態(tài)標(biāo)記數(shù)據(jù)處理

將農(nóng)藝性狀和品質(zhì)性狀作為形態(tài)標(biāo)記,利用R語言將各個表型性狀數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理,然后計算歐幾里得距離(Euclidean),按照Ward 法(Ward.D)進行層次聚類。

1.6 分子標(biāo)記選擇及數(shù)據(jù)處理

選擇均勻分布在水稻12條染色體上的SSR標(biāo)記41對[18],引物序列由上海生工生物技術(shù)有限公司合成。電泳結(jié)果用0/1表示,不同品種在同一標(biāo)記同一位置有擴增條帶記為1,無條帶記為0,缺失記為9。利用Ntsys軟件的Qualitative data模塊計算品種間的遺傳相似系數(shù),然后通過該軟件的SAHN模塊按照UPGMA法進行聚類,并繪制聚類圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于農(nóng)藝性狀的相似性分析

利用R軟件將34個品種的36個農(nóng)藝性狀作為標(biāo)記計算試驗品種間的歐式距離,并統(tǒng)計單個品種與其它33個品種距離的最值。由表2可知,任意2個品種間的距離變幅為1.827～14.114,其中華粳5號與通粳981(14.114)的距離最大,農(nóng)藝性狀差異最明顯,親緣關(guān)系最遠;鎮(zhèn)稻88與鎮(zhèn)稻99的距離最小(1.827),說明其親緣關(guān)系最近。

表2 基于農(nóng)藝性狀的試驗品種間歐式距離最值

單一品種的農(nóng)藝性狀平均距離變幅在6.784～10.992(圖1),其中14個品種的平均距離大于總平均距離(8.236),20個品種的農(nóng)藝性狀平均距離小于總平均距離,說明總體上大部分試驗品種的農(nóng)藝表型比較接近,遺傳基礎(chǔ)背景比較相近。

x軸表示試驗品種名,y軸表示試驗品種歐式距離均值,橫線表示所有品種的總平均距離(8.236)。下同。The x-axis represents the experimental variety name, the y-axis represents the mean Euclidean distance between experimental varieties, and the horizontal line represents the total average distance of all varieties (8.236). The same as below.

2.2 基于品質(zhì)性狀的相似性分析

由表3可知,任意2個品種間的距離變幅為0.0657～10.464,其中鎮(zhèn)糯19號與淮稻9號的距離最大,品質(zhì)性狀差異最明顯;鹽稻8號與武運粳27號的距離最小,說明其品質(zhì)性狀最相似。

表3 基于品質(zhì)性狀的試驗品種間歐式距離最值

單一品種的品質(zhì)平均距離變幅在2.087～8.436(圖2),其中9個品種的品質(zhì)平均距離大于總平均距離(2.947),25個品種的品質(zhì)平均距離小于總平均距離,32個品種與鎮(zhèn)糯19號的距離最大,這與試驗品種中僅鎮(zhèn)糯19號為糯稻品種一致。說明試驗品種中僅有少數(shù)品種的品質(zhì)存在較大差異。

圖2 基于品質(zhì)性狀的試驗品種間歐式距離均值Fig.2 Mean Euclidean distance between experimental varieties based on quality traits

2.3 基于SSR標(biāo)記的遺傳相似性分析

利用41對SSR引物對34個品種進行擴增,共獲得99個等位基因,進一步利用該信息進行遺傳相似性分析,結(jié)果顯示,34個品種間的遺傳相似系數(shù)在0.39～0.95,平均0.648。其中,40.46%品種的遺傳相似系數(shù)集中在0.6～0.7,8個品種的遺傳相似系數(shù)在0.9～1.0,20個品種的遺傳相似系數(shù)在0.5以下(表4)。說明江蘇不同單位育成的品種遺傳背景仍存在不同,可以互引品種作為骨干親本,關(guān)鍵在于選出與本單位品種遺傳相似性小的品種。

表4 基于SSR標(biāo)記的品種間遺傳相似系數(shù)頻率分布

2.4 基于農(nóng)藝性狀的聚類分析

系統(tǒng)聚類樹狀圖(圖3)顯示,試驗品種可分為三類,第一至三類分別包含18、12、4個品種,分別占試驗品種的53%、35%、12%。其第一類多為中熟中粳(12個),第二類包含各種生態(tài)型,第三類屬于早熟晚粳類型,農(nóng)藝性狀分類與生態(tài)型不存在一一對應(yīng)關(guān)系。由表5可知,第一類的產(chǎn)量顯著小于第二、三類,第三類的有效穗顯著小于第一、二類,第三類的株高顯著高于第一、二類,第三類的穗長顯著大于第二類,第三類的每穗總粒數(shù)顯著高于第一類。說明,三類品種在農(nóng)藝性狀上差距較大,如果選育目標(biāo)想在農(nóng)藝性狀上進行改良,可根據(jù)差異顯著性在相應(yīng)類群間選擇。

圖3 基于36個農(nóng)藝性狀的34個品種系統(tǒng)聚類Fig.3 Cluster of 34 varieties based on 36 agronomic traits

表5 不同類群部分農(nóng)藝性狀遺傳變異分析

2.5 基于品質(zhì)性狀的聚類分析

由圖4可知,試驗品種可聚為三類,其中第一類包含9個品種,第二類包含品種數(shù)最多,第三類僅含有1個。由表6可知,三大類群的5個品質(zhì)性狀極顯著差異,1個性狀顯著差異,6個性狀群內(nèi)變異系數(shù)較小。說明大部分試驗品種屬于同一類,群內(nèi)品種品質(zhì)差異不大,群間差異明顯。同一育種單位育成的品種未完全聚于一類,不同育種單位的品種存在品質(zhì)差異,同一單位育成的品種也存在品質(zhì)差異。第一、二類都含有中熟中粳稻、遲熟中粳稻、早熟晚粳稻,品質(zhì)差異與不同生態(tài)型不存在明顯關(guān)系。

圖4 基于6個品質(zhì)性狀的34個品種系統(tǒng)聚類Fig.4 Cluster of 34 varieties based on 6 quality traits

表6 不同類群品質(zhì)性狀遺傳變異分析

2.6 基于SSR標(biāo)記的聚類分析

遺傳相似系數(shù)系統(tǒng)聚類結(jié)果顯示,34個品種可聚為三類,第一類群有12個品種,包括連粳4號、寧粳4號、鹽稻11號等,多為中熟中粳類型;第二類群包含的品種最多,包括鎮(zhèn)稻18、鎮(zhèn)糯19、南粳46等16個品種,多為早熟晚粳生態(tài)型;第三類群有6個品種,分別為華粳5號、滬蘇香粳、通粳981、武育粳3號、武運粳21號、武運粳27號,該類群包括3種生態(tài)型,其中遲熟中粳類型占一半。另外,中熟中粳對照品種徐稻3號位于第一類群,早熟晚粳對照品種武運粳23號位于第二類群,遲熟中粳對照武運粳27號位于第三類群(圖5),即使3個對照一一對應(yīng)稻不同類群,總體上類群與生態(tài)型的對應(yīng)關(guān)系并不明顯。

圖5 基于41個SSR標(biāo)記的34個品種聚類Fig.5 Cluster of 34 varieties based on 41 SSR markers

AMOVA分析結(jié)果表明,96.19%的遺傳變異來源于群體內(nèi),3.30%的遺傳變異來源于群體間,組群間和組群內(nèi)的差異均顯著(表7),說明試驗品種的遺傳分化主要來自組群內(nèi)的個體差異,但候選親本組配雜交后代的遺傳差異可以從組群間獲得。

表7 3個水稻類群的AMOVA分析

3 討 論

3.1 江蘇省粳稻品種的遺傳相似性比較

親本資源的引進與利用在常規(guī)粳稻育種過程中至關(guān)重要,本試驗選擇江蘇省13家育種單位的34個品種,通過對農(nóng)藝性狀、品質(zhì)形狀、基因型的相似性分析發(fā)現(xiàn),從農(nóng)藝、品質(zhì)性狀來說,近年來江蘇粳稻品種整體品質(zhì)有所提升,外觀、產(chǎn)量水平差異不大;但是從基因型來說,江蘇不同單位育成的品種遺傳背景仍存在不同,可以互引品種作為骨干親本,關(guān)鍵在于選擇出與本單位品種遺傳相似性小的品種。親本組合選擇時,雙親的遺傳相似性也不是越小越好,如果雙親一個為常規(guī)粳稻,另一個為秈稻或者野生稻,兩者的遺傳距離大,遺傳相似性小,兩者組合雜交后代會嚴(yán)重分離,選出符合目標(biāo)的粳稻品系難度大,該組合形式可以用于創(chuàng)制新的種質(zhì)資源作為中間材料,不適合直接用于常規(guī)粳稻的直接選育。 因此,今后江蘇粳稻育種單位可以選擇與本單位品種遺傳相似性相對較小的品種進行引種利用,快速選育適宜江蘇不同區(qū)域種植的粳稻品種,但是若要在某一性狀(例如抗病、抗除草劑等)實現(xiàn)突破,則需要引進或者創(chuàng)制相應(yīng)資源。

3.2 江蘇省粳稻品種的農(nóng)藝性狀、品質(zhì)性狀、SSR標(biāo)記的聚類分析

對農(nóng)藝性狀、品質(zhì)性狀、SSR標(biāo)記聚類分析結(jié)果進行比較發(fā)現(xiàn),不同分類指標(biāo)聚類得到的類群并不完全一樣,例如,寧粳5號、鎮(zhèn)稻15在3次聚類中分別被聚在完全不同的類群中,以農(nóng)藝性狀為分類指標(biāo)時,寧粳5號被聚在第二類群,鎮(zhèn)稻15號被聚在第三類群;以品質(zhì)性狀為分類指標(biāo)時,寧粳5號、鎮(zhèn)稻15被聚在第二類群;以SSR標(biāo)記為指標(biāo)時,寧粳5號、鎮(zhèn)稻15被聚在第一類群。武育粳3號以農(nóng)藝性狀為分類指標(biāo)被聚在第一類群,以品質(zhì)性狀為分類指標(biāo)被聚在第一類群;以SSR標(biāo)記為指標(biāo)被聚在第三類群。另外,有11個品種聚類結(jié)果不因聚類指標(biāo)而變化,寧粳4號、連粳9號、徐稻3號、鎮(zhèn)稻99在3種指標(biāo)下3次被聚在同一類(第一類),淮稻5號、寧粳1號、南粳5055、武運粳7號、鎮(zhèn)稻10號、鎮(zhèn)稻11號、鎮(zhèn)稻18號3次被聚在第二類群。說明寧粳4號、連粳9號、徐稻3號、鎮(zhèn)稻99親緣關(guān)系近,不適宜互為父母本進行雜交配組。同樣,淮稻5號、寧粳1號、南粳5055、武運粳7號、鎮(zhèn)稻10號、鎮(zhèn)稻11號、鎮(zhèn)稻18號遺傳背景相似度高,也不適宜互為父母本進行雜交配組。由于不同標(biāo)記指標(biāo)檢測遺傳變異的基礎(chǔ)不一樣[19],因此,用3種聚類結(jié)果結(jié)合起來對親本材料進行分類更有利于增加親本選配的精確度,減少選配工作量。

3.3 基于多種指標(biāo)聚類法進行常規(guī)粳稻親本選配的應(yīng)用

連粳4號、連粳7號、連粳9號、徐稻3號、淮稻9號、鹽稻8號、鹽稻11號、寧粳4號、鎮(zhèn)稻88、鎮(zhèn)稻99在農(nóng)藝性狀與SSR指標(biāo)下都被聚在第一類,且均為中熟中粳;淮稻5號、寧粳1號、南粳5055、武運粳7號、鎮(zhèn)稻10號、鎮(zhèn)稻11號、鎮(zhèn)稻14號、鎮(zhèn)稻18號、鎮(zhèn)糯19號在農(nóng)藝性狀與SSR指標(biāo)下都被聚在第二類,除淮稻5號外都為早熟晚粳。在這兩類品種中選擇品種作為親本,符合性狀互補、遺傳差異性、適應(yīng)性、配合力四大親本選育原則,配組產(chǎn)生的F2代的生育期、粒型、穗型等變異范圍更廣,而且更易選出株高、品質(zhì)等符合國標(biāo)要求的株系。本研究利用該方法指導(dǎo)親本選擇雜交組配,在鎮(zhèn)稻18號與鹽稻11號組合中,選育出大量優(yōu)異中間材料,同時育成了不同生態(tài)型新品種[鎮(zhèn)稻23號(蘇審稻20200008)、鎮(zhèn)稻32號(蘇審稻20210010)、鎮(zhèn)稻33號(蘇審稻20210050)],并實現(xiàn)品種轉(zhuǎn)讓。因此,對水稻品種進行表型和基因型分類后再進行親本選配可以有效提高育種效率。另外,張良韜等[20]通過對福建省推廣雜交秈稻品種和淘汰組合親本聚類發(fā)現(xiàn),推廣品種的雙親均在不同類群,淘汰組合雙親多在同一類群。這與本研究提出在試驗品種的第一類與第二類中選擇常規(guī)粳稻親本更高效選育品種結(jié)論一致。Taddesse等[21]對79個水稻種質(zhì)的多樣性和稻瘟病抗性研究發(fā)現(xiàn),79個種質(zhì)可分為兩類(秈型和粳型),為避免雜交育種中出現(xiàn)秈粳間雜交不育,可以在同一DNA群中選擇理想的親本種質(zhì);同時指出育種家應(yīng)該利用A群中的高抗種質(zhì)改良農(nóng)民偏愛的地方品種稻瘟病抗性,該研究也說明分群可以有效提高親本組合選配效率。

4 結(jié) 論

江蘇育成的36個粳稻品種類群間差異顯著,遺傳背景仍存在不同,可以互引品種作為骨干親本,關(guān)鍵在于選出與本單位品種遺傳相似性小的品種。同一組合來源品種(鎮(zhèn)稻23號、鎮(zhèn)稻32號、鎮(zhèn)稻33號)的成功選育,說明同時對品種的表型和基因型進行分類,再從中依據(jù)育種目標(biāo)選擇合適的優(yōu)異親本進行組合,可以減少育種工作量,提高育種效率,是快速選育新品種的有效途徑。