摘要:選擇每穗粒數和每穗二次枝梗數差異大的2個水稻親本CB1(每穗粒數87.83粒,每穗二次枝梗數12.77個)、CB4(每穗粒數150.70粒,每穗二次枝梗數25.75個),配制CB1×CB4組合,建立了相應的P1、F1、P2、B1、B2、F2群體,將其分為中季和晚季兩個生產季節種植,考查了每穗粒數和每穗二次枝梗數性狀。利用主基因+多基因混合遺傳模型理論的Akaike信息準則(AIC)在B1、B2、F2代中鑒定影響數量性狀的主基因存在與否,主基因存在時,通過分離分析估計主基因和微效基因的遺傳效應及所占總變異的分量。結果表明,每穗粒數在所有B1、B2、F2中均符合兩對主基因+多基因模型模式,主基因遺傳率為17.717%~63.562%,多基因遺傳率為21.188%~59.449%,總基因型遺傳率為76.029%~92.973%,每穗粒數遺傳率受種植季別影響明顯;每穗二次枝梗數在所有B1、B2、F2中均符合兩對主基因+多基因模型模式,主基因遺傳率為59.537%~71.787%,多基因遺傳率為6.431%~23.870%,總基因型遺傳率為78.121%~87.298%;每穗二次枝梗數遺傳率受種植季別影響較小。
關鍵詞:水稻;每穗粒數;二次枝梗數;主基因+多基因混合遺傳模型;遺傳效應
中圖分類號:S511;S330.2+5文獻標識碼:A文章編號:0439-8114(2011)07-1319-06
Genetic Analysis of Grains and Secondary Branch Numbers per Panicle in Rice
CHEN Xiao-rong,CHEN Zhi-bing,HE Hao-hua,ZHU Chang-lan,PENG Xiao-song,
HE Xiao-peng,FU Jun-ru,OUYANG Lin-juan
(Key Laboratory of Crop Physiology,Ecology, Genetics and Breeding,Ministry of Education / Key Laboratory of Crop Physiology,
Ecology and Genetic Breeding of Jiangxi Province / College of Agronomy,Jiangxi Agricultural University,Nanchang 330045,China)
Abstract: Two rice parents with great difference in grains and secondary branch numbers per panicle, CB1(87.83 grains and 12.77 secondary branch numbers per panicle)and CB4(150.70 grains and 25.75 secondary branch numbers per panicle)were chosen to construct the combines CB1×CB4, and the corresponding P1,F1,P2,B1,B2,F2 populations were established and planted as middle and late season rice. The two traits were checked. The Akaike's information criterion (AIC) of the major genes plus polygenes mixed inheritance model was used to identify the existence of major genes affecting quantitative traits in B1, B2 and F2 populations. When the major genes existed, the genetic effects of the major genes and polygenes and their genetic variance were estimated through segregation analysis. The results showed that two major genes plus polygenes were the most fitted genetic model for grains per panicle in all B1, B2 and F2 populations. The heritability values of the grains per panicle of the major genes varied from 17.717% to 63.562%, and those of polygenes varied from 21.188% to 59.449%. The total heritability values ranged from 76.029% to 92.973%. The heredity of grains per panicle was affected by planting season obviously. Two major genes plus polygenes were the most fitted genetic model for secondary branch numbers per panicle in all B1, B2 and F2 populations. The heritability values of the secondary branch numbers per panicle of the major genes varied from 59.537% to 71.787%, and those of polygenes varied from 6.431% to 23.870%. The total heritability values were from 78.121% to 87.298%. The heredity of secondary branch numbers per panicle was hardly affected by planting season.
Key words: rice(Oryza sativa L.); grains per panicle; secondary branch number; major genes plus polygenes mixed inheritance model; genetic effect
每穗粒數是水稻產量構成的重要因素,穗大粒多是當前高產新品種選育的主要途徑之一。從稻穗形態建成上看,可分為3個主要階段:第一階段主穗軸上產生一次枝梗;第二階段在一次枝梗上產生二次枝?;蛑苯赢a生部分小花,大量小花由二次枝梗產生,這兩個階段決定了稻穗大小的潛力,且有相當大的遺傳變異;第三階段單個小花發育[1-3]。大量研究表明,水稻產量雜種優勢主要表現在每穗穎花數性狀上[4-10]。不同組合間每穗穎花數性狀方差大于其他產量構成性狀[11]。每穗穎花數的增加主要取決于一次枝梗數和二次枝梗數的增加[12-14]。靳德明等[15]研究表明,水稻二次枝梗數和每穗總粒數的雜種優勢分別為62.74%和48.16%,超親優勢分別為30.06%和32.18%。前人對水稻每穗粒數和二次枝梗數的遺傳進行了一些研究,但由于研究材料與分析方法(遺傳模型)的不同,所得結論存在差異。由于數量性狀遺傳研究,尤其是分析上的復雜性,迄今稻作界對水稻產量構成因素遺傳研究尚有待深入。近年來,蓋鈞鎰等[16,17]發明了一套遺傳分析方法并建立了相應的遺傳模型,已得到較好的應用。本研究利用該遺傳分析方法對水稻每穗粒數和二次枝梗數進行了遺傳分析。
1材料與方法
1.1親本簡介
本試驗采用的水稻材料CB1、CB4均是自育的農藝性狀穩定的常規稻,每穗總粒數CB1、CB4分別在87.83、150.70粒左右,每穗二次枝梗數分別在12.77、25.75個左右,較大的親本差異有利于該性狀的遺傳分析。
1.2F1、B1、B2和F2世代的獲得
選擇上述親本材料,配制CB1×CB4組合,通過自交、雜交等建立P1、F1、P2、B1、B2和F2 6個世代,將種子分為兩份,分別以中季(M)和晚季(L)種植。
1.3植株性狀考查樣本的獲得與數據考查
為了避免環境因素、氣候因素及土壤肥力的差異性影響,將獲得的種子種植于江西農業大學科技園試驗田同一田塊,栽培管理條件相同。中季2009年5月20播種,6月20日移栽,晚季6月22播種,7月22日移栽,株行距18 cm×18 cm,單本種植,常規栽培管理,及時防治病蟲害。為了避免邊際效應,考查樣本一般不選擇外圍3圈的植株,只取中間植株。親本一般考查40株,F1代考查30株,回交世代各考查120株左右,F2代考查200株左右。按單穗對上述兩個性狀進行計數。
1.5數據分析方法
應用蓋鈞鎰等[16,17]提出的植物數量性狀主基因+多基因混合遺傳模型分析方法,對P1、F1、P2、B1、B2和F2 6個世代進行遺傳分析。通過極大似然法和重復條件期望最大化(Iterated expectation and conditional maximization,IECM)算法對混合分布中的有關成分分布參數做出估計,然后通過AIC值的判別和一組適應性檢驗,選擇最優遺傳模型,并估計主基因和多基因效應值、方差等遺傳參數。有關運算和分析采用蓋鈞鎰等[16,17]提供的統計軟件,在計算機上完成。
2結果與分析
2.1每穗粒數
2.1.1每穗粒數在各世代中的數據描述由表1可知,多粒型親本與少粒型親本雜交組合F1平均每穗粒數均多于多粒型親本,表現出強雜種優勢。從B1、B2回交世代平均值可看出,多粒型親本回交后代的平均每穗粒數相對于用少粒型親本回交后代要多。4個組合F2代的平均值均介于兩親本之間。
2.1.2模型的選擇及遺傳參數的估算每穗粒數在各模型的AIC值見表2,選?。粒桑弥底钚〖芭c最小AIC值最接近的兩個遺傳模型,如中季種植的AIC值最小的為C-0模型,與之最接近的是D-0模型和E-1模型,選擇該三模型進行適合性檢驗,即均勻性檢驗(U12,U22,U32)、Smirnov檢驗(nW2)、
Kolmogorov檢驗(Dn),選擇統計量達到顯著水平個數較少的模型作為最優模型。表3列出各種檢驗值。由表3可知,E-1模型在檢驗中達到的顯著水平個數較其他兩個模型的少,因此可以確定E-1模型為中季的最適且最佳模型。通過同樣的檢驗,可得晚季的最適最佳模型也為E-1。兩個組合的模型參數極大似然估計值列于表4。
表5為每穗粒數一階遺傳參數的估計值。由表5可知,每穗粒數的群體均值(m)中、晚季分別為 82.380和106.738,兩對主基因的加性效應值(da)中、晚季分別為-9.308和7.718,(db)中、晚季分別為-12.376和4.442;兩對主基因的顯性效應值(ha)中、晚季分別為-16.446和-7.281,(hb)中、晚季分別為-16.446和20.634,兩純合位點間互作效應值(i)中、晚季分別為26.025和9.373,a基因純合位點與雜合位點間互作效應(jab)中、晚季分別為-4.087和
-36.570,b基因純合位點與雜合位點間互作效應(jba)中、晚季分別為-4.088和-8.636。兩雜合位點間的互作效應(l)中、晚季分別為8.550和-11.435。
表6為二階遺傳估計值。由表6可知,每穗粒數主基因遺傳率為17.717%~63.562%,多基因遺傳率為21.188%~59.449%,總基因型遺傳率為76.029%~92.973%。
2.2二次枝梗數
由表7可知,二次枝梗數較少的親本與相對較多的親本雜交F1代二次枝梗數均多于大值親本,表現出極強的雜種優勢。從B1、B2回交世代平均值可看出,二次枝梗數較多的親本回交后代平均二次枝梗數多于較小親本回交后代,且大于大值親本。所有F2代二次枝梗平均值介于兩親本之間,但更趨于大值親本。
2.2.2模型的選擇及遺傳參數的估算與前面方法一樣選擇最佳模型,表8列出了被選3個模型的各個檢驗值。通過檢驗,中季群體最適且最佳模型也為E-3。各組合的E-3模型參數的極大似然估計值見表9。
表10為二次枝梗數一階遺傳參數的估計值,表11為二次枝梗數二階遺傳參數的估計值。
由表10可知,中季和晚季的二次枝梗數群體均值(m)分別為15.481和20.954,兩對主基因中a基因加性效應(da)分別為-5.454和-3.463,b基因加性效應(db)分別為-2.094和-5.942。
由表11可知,二次枝梗數主基因遺傳率為59.537%~71.787%,多基因遺傳率為6.431%~23.870%,總基因型遺傳率為78.121%~87.298%。
3小結與討論
3.1每穗粒數
Knodo等[18]認為影響每穗粒數最重要的因素是枝梗數性狀,其次是長度性狀。洪德林等[19]在多年的雜交粳稻遺傳育種研究過程中,也觀察到粳稻雜種F1代每穗穎花數優勢非常明顯。張能義等[20]在浙農大40的84個二倍體花培系中檢測到控制穎化數的基因間存在互補作用。陳升位等[21]用滇I型雜交水稻(尋AX南29-2)F1代花藥培養的DH群體,發現穗長、一次枝梗數、穗頸長、每穗實粒數4個性狀的遺傳率和基因對數分別為70.16%、40.87%、75.03%、58.61%和6.835、23.204、8.947、17.367對,控制穗長的多基因間無互作,控制一次枝梗數、穗頸長、每穗實粒數的多基因間可能存在互補作用,影響每穗實粒數的多基因間存在互補作用。Ashikari等[22]在水稻第一染色體上發現了兩個控制每穗總粒數的基因Gnla和Gnlb,Gnlb位于Gnla的上游,兩者效應幾乎相同。劉金波等[23]研究認為粳稻每穗穎花數性狀受兩對主基因+多基因共同控制,獨立的兩對主基因和多基因都存在加性-顯性-上位性效應。歐龍海[24]的研究表明,主穗總粒數這一性狀屬于兩對等加性主基因+多基因控制遺傳模型,主基因遺傳率為77.66%,多基因遺傳率為7.53%。如前所述,本研究對每穗粒數性狀進行6個基本世代聯合分析,得出每穗粒數屬于兩對主基因+多基因控制模型中的E-1模型(兩對加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性多基因)。經過對比,中季的主基因遺傳率在B1、B2和F2代里的波動弧度較晚季的小。各個一階參數也相差較大,群體均值中季的明顯大于晚季的,且中季的da、db、hb均為負值,而晚季的為正值,表明在中季種植條件下,兩對主基因的加性效應值da、db對每穗粒數的性狀表達有降低作用,而在以晚季種植的條件下卻有提高的作用。i 、 jab和jba在兩個季別下均為負值,對每穗粒數這一性狀的表達均表現出降低的作用。不難發現,本研究結果與前人的研究既有相似之處,但又不完全相同,具體來說,與劉金波等[23]的研究結果更為接近些,與歐龍海[24]的兩對等加性主基因+多基因有差異,這可能是所選材料與研究方法的差異造成的。
3.2二次枝梗數
郭媛等[25]研究認為二次枝梗數受兩對獨立主基因控制,同時存在多基因,主基因的遺傳率分別為80%和65%,多基因遺傳率分別為10%和12%。蔡英杰[26]的研究表明,二次枝梗數受兩對互補作用連鎖主基因+多基因的混合遺傳控制,主基因決定表型變異的32.88%,多基因決定42.53%。歐龍海[24]研究表明,二次枝梗數這一性狀屬于D-1模型,主基因遺傳率為35.00%,多基因遺傳率為13.68%。本試驗對中季和晚季兩個種植季節的二次枝梗數遺傳分析表明,該性狀兩個季別均屬于兩對主基因控制+多基因模型,即E-3模型(兩對加性主基因+加性顯性多基因模型)。主基因加性效應值da、db均為負值,說明兩對主基因的加性效應會降低二次枝梗數的表達。對比可發現,中季和晚季種植,二次枝梗數基因型遺傳率和總的主基因加性效應值無明顯差異,表明在以二次枝梗數性狀為研究對象時,可以適當放寬對材料的時間選擇,作中稻或晚稻種植對該性狀的影響均較小。如此看來,本研究結果與郭媛等[25]的報道較為相似,而與歐龍海[24]的觀點有較大出入,認為可能與所選材料與研究方法的差異有關。
參考文獻:
[1] SENANAYAKE N,NAYLOR R E L,DATTA S K,et al. Variation in development of contrasting rice cultivars[J]. J Agric Sci,1994,123(1):35-39.
[2] YAMAGISHI J,NEMOTO K,MU C S. Diversity of the rachis-branching system in a panicle in japonica rice [J]. Plant Prod Sci,2003,6(1):59-64.
[3] YAMAGISHI J,MIYAMOTO N,HIROTSU S,et al. QTLs for branching, floret formation and pre-flowering floret abortion of rice panicle in a temperate japonica×tropical japonica cross[J]. Theor Appl Genet,2004,109:1555-1561.
[4] VIRMANI S S,CHAUDHARY R C,KHUSH G S. Current outlook on hybrid rice[J]. Oryza,1981,18:67-84.
[5] VIRMANI S S,AQUINO R C. Heterosis breeding in rice (Oryza sativa L.)[J]. Theor Appl Genet,1982,63(4):373-380.
[6] VIRMANI S S, AQUINO R C. Heterosis and Hybrid Rice Breeding[M]. Berlin/Heidelberg: Springer-Verlag,1994.2-7.
[7] YUAN L P. Increasing Yield Potential in Rice by Exploitation of Heterrosis[M]. Manila:International Rice Research Institute, 1994.1-6.
[8] 洪德林,楊開晴,潘恩飛. 粳稻不同生態類型間F1的雜種優勢及其親本的配合力分析[J].中國水稻科學,2002,16(3):216-220.
[9] HONG D L,LENG Y. Genetic analysis of heterosis for number of spikelets per panicle and panicle length of F1 hybrids in japonica rice hybrids[J]. Rice Science,2004,11(5/6):255-260.
[10] 洪德林,潘恩飛,陳長青. 雜交粳稻與純系粳稻收獲指數比較研究[J].南京農業大學學報,1998,21(4):12-18.
[11] 李建紅,洪德林. 新選粳稻BT型不育系主要農藝及品質性狀的配合力分析[J]. 南京農業大學學報,2004,27(4):11-16.
[12] 徐正進,陳溫福,張步龍, 等. 水稻高產生理研究的現狀與展望[J]. 沈陽農業大學學報,1991,22(增刊):115-123.
[13] 鐘蕾,陳小榮,胡華金,等. 雜交稻親本枝梗和穎花分化與退化對播期反應的基因型差異與類型[J].江西農業大學學報, 2007,29(5):695-700.
[14] 陳小榮,潘曉華,陳忠平,等. 施氮對秈型雙季雜交水稻枝梗和穎花分化與退化的影響[J]. 江西農業大學學報,2008,30(1):1-6.
[15] 靳德明,王維金,藍盛銀,等. 培矮64s/E32產量構成因素和穗部性狀的雜種優勢及相關分析[J]. 華中農業大學學報,2001, 20(6):516-521.
[16] 蓋鈞鎰,章元明,王建康. 植物數量性狀遺傳體系[M]. 北京:科學出版社,2003.
[17] 王建康,蓋鈞鎰. 利用雜種世代鑒定數量性狀主基因-多基因混合遺傳模型并估計其遺傳效應[J]. 遺傳學報,1997,24(5):432-440.
[18] KONDO S,FUTSUHARA Y. Genetically studies on the panicle formation in rice I. Analysis of component characters of panicle density[J]. Japan J Breed,1980,30(4):335-343.
[19] 洪德林,楊開晴,潘恩飛. 粳稻不同生態類型間F1的雜種優勢及其親本的配合力分析[J]. 中國水稻科學,2002,16(3):216-220.
[20] 張能義,薛慶中. 水稻DH群體數量性狀的遺傳分析[J]. 作物學報,1997,23(1):123-126
[21] 陳升位,楊德,張雪梅,等. 滇I型雜交粳稻DH群體四個數量性狀的遺傳分析[J]. 云南農業大學學報,2002,17(1):28-31.
[22] ASHIKARI M,SAKAKIBARA H,LIN S Y,et al. Cytokinin oxidase regulates rice grain production[J]. Science,2005,309:741-745.
[23] 劉金波,洪德林. 粳稻穗角和每穗穎花數的遺傳分析[J].中國水稻科學,2005,19(3):223-230.
[24] 歐龍海. 水稻產量和穗部性狀主基因+多基因混合遺傳[D]. 福州:福建農林大學,2005.
[25] 郭媛,萬志兵,陳獻功,等. 粳稻一次枝梗數和二枝梗數的遺傳分析[J]. 南京農業大學學報,2008,31(3):8-12.
[26] 蔡英杰.水稻長穗大粒RIL群體產量相關性狀的遺傳分析[D]. 福州:福建農林大學,2006.