水稻品種秈粳屬性的鑒定方法研究

戚華雄　查中萍

摘要：水稻秈粳亞種間雜種優勢的利用是提高水稻單產的重要途徑之一，正確鑒別育種材料的秈粳屬性是有效利用亞種間雜種優勢的先決條件。多種方法可以檢測秈粳分類，目前常用的有依賴于秈粳間形態性狀變異的程氏指數法和基于DNA 序列差異進行分類的分子標記檢測法。程氏指數法具有簡便、易于觀測和受環境條件影響大等特點，而分子標記檢測法具有準確、可定量及對試驗條件的要求相對較高等特點。在多數情況下，在秈粳亞種水平上程氏指數和分子標記檢測分類結果趨于一致。

關鍵詞：水稻（Oryza sativa L.）；秈粳鑒定；程氏指數；分子標記

中圖分類號：S32；Q943；S511.032 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）24-6130-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.24.006

Abstract： Utilizing inter-subspecies heterosis of indica-japonica rice hybrids has been regarded as an important solution to further improve rice production. Correctly identifying the classification of indica-japonica of breeding materials is a prerequisite for taking advantage of inter-subspecies heterosis. There are a variety of technical methods to determine the classification of indica-japonica. Currently， the Chengs index and the molecular markers detection are two methods widely employed in the study. The former makes use of indica-japonicas variation of morphological features， and it is simple to operate and observe， but susceptible to environment； while the latter is based on the sequence difference of DNA， and it is accurate and quantifiable， but requires strict experimental conditions. In most cases， the classification results of the two methods are consistent with each other at subspecies level of Indica-Japonica.

Key words： rice； Indica-Japonica identification；Cheng′s index； Molecular marker

水稻（Oryza sativa L.）是中國最重要的糧食作物之一，水稻生產在中國農業生產、農民增收和農村經濟發展中起著極其重要的作用。水稻單產的兩次大的飛躍都是建立在突破性種質資源的發現和利用上，水稻矮化育種使稻谷單產增加20%～30%，雜交稻又使稻谷單產在矮化育種的基礎上再次增產20%。進一步提高稻谷單產并實現水稻育種研究的全面突破，是保障國家糧食安全的重要舉措。

目前生產上推廣的雜交稻主要是利用品種間雜種優勢和部分亞種間雜種優勢。研究表明，亞種內品種間遺傳多態性小，進一步利用的局限性較大。就提高雜種優勢的程度而言，袁隆平[1]將雜交稻的發展分品種間雜種優勢利用、亞種間雜種優勢利用和遠緣雜種優勢利用三個階段。程式華等[2]提出，實現“中國超級稻研究”目標的重要途徑在于加大雙親的遺傳差距，進行亞種間（秈稻與粳稻）、種間（栽培稻與野生稻）甚至屬間（C 3與C 4植物）的基因交流。肖國櫻等[3]對水稻秈爪交和粳爪交雜種優勢的研究結果表明，亞種間雜種優勢具有秈粳交>秈爪交>粳爪交>秈秈交>粳粳交的趨勢。亞種間的雜種一代具有強大的雜種優勢，但雜種的一般結實率偏低、子粒充實度差，這些問題制約了亞種間雜交稻的利用。經過多年不斷的努力，近年來亞種間雜種優勢利用的技術瓶頸獲得重要突破，育種家通過選育特殊配合力晚粳型核質互作雄性不育和粳型不育系強恢的中秈型恢復系[4]，育成了甬優12、浙優18、春優84等一批綜合性狀優良的秈粳亞種間組合，為進一步提高水稻單產奠定了良好的基礎。

目前國內外很多科研單位都在開展秈粳雜交育種，產生了大量的秈粳中間型材料。在實際育種工作中，要預先正確判別育種親本的秈、粳屬性，了解親本的遺傳信息，才能有效利用秈粳亞種間雜種優勢。因此，將育種材料進行恰如其分的分類是秈粳亞種間雜種優勢利用的基礎，對合理和有效利用種質資源及品種改良具有重要的理論和實踐意義。由于秈粳兩亞種在形態、同工酶和DNA的多態性等都存在較大的差異，秈粳分類可采用形態變異、同工酶以及DNA分子標記等多種方法。本研究擬對常用的程氏指數法和分子標記檢測法等進行介紹。

1 形態鑒定

鑒定秈、粳屬性的傳統方法主要是依賴于秈粳間形態性狀的變異（如株高、粒型等），Kato（1928）最早提出用稃毛、粒形和雜交親和性等進行秈粳稻的鑒別。此后，Oka（1958）評價了根據粒形、稃毛和葉毛的有無，以及對苯酚、次氯酸鉀的反應來進行秈粳劃分的可靠性，確定采用差別函數判別秈粳特性。程侃聲等（1984）提出了以形態鑒定為基礎的“程氏指數法”，即對稃毛、酚反應、第一、第二穗節間長、抽穗時殼色、葉毛及谷粒長寬比6個性狀分別按0、1、2、3、4共5級進行評分，以綜合評分作為分類的尺度（表1）[5]。程氏指數分4級，0-8為秈（H）、9-13為偏秈（H-）、14-17為偏粳（K-）、18-24為粳（K）。形態指數分類法具有以下重要特點，該法簡便快速，所使用的6項分類指標易于觀測鑒別，能在現場對單個樣本的歸屬作出較準確的判斷，重演率較高；采用綜合性狀來鑒別秈粳，基本上解決了中間類型的分類難題。該方法的缺點是，主要形態特征受環境影響較大，形態學指標的判別需要操作者具有一定的經驗；被測水稻樣品，從播種到成熟種植周期較長；該方法只能定性，而不能定量。程氏指數法長期以來廣泛應用于秈粳分類上，是育種實踐中用于鑒定秈、粳品種的主要方法。

吳建利等[6]對13個不同類型的親本和48個亞種間組合按程氏指數法進行分類，結果表明，12個親本的分類結果與選材時劃分是一致的，亞種間F1可以劃分為4類，即粳、偏粳、秈和偏秈，但主要以偏粳和偏秈為主，親本細胞質對分類的影響非常明顯。于亞輝等[7]利用程氏指數法對北方粳型兩系雜交水稻骨干親本（7個光溫敏核不育系以及對應的7個恢復系）及其配制的49個雜交組合為材料進行分類，光溫敏核不育系程氏指數分布為13.5～19.0，平均值為15.8，不育系的程氏指數變異系數相對較小，不育系秈粳成分主要集中體現為偏粳和粳型；恢復系的程氏指數分布為13～22，平均值為18，主要表現為偏粳和粳型；雜種的程氏指數分布為9～22，平均值為16，雜種秈粳成分主要偏粳，但變異系數較大，組合間秈粳成分差異比較明顯。根據程氏指數法分析甬優6號等8個雜交水稻組合及其親本的秈粳屬性的結果表明，甬優系列雜交水稻的母本都屬于粳稻，其父本均屬于秈稻或偏秈，所配組的組合本身則分別屬于偏秈或偏粳[8]，可以明確甬優系列雜交稻組合屬秈粳亞種間雜交稻。程氏指數法在秈粳分類上得到眾多學者的認可，多數國內學者認為程氏指數分類法對秈粳進行分類是科學合理的。

2 分子標記分類

水稻全基因組序列特別是秈稻品種（93-11）和粳稻品種（日本晴）全基因組DNA序列測定的完成，為水稻遺傳育種研究提供了大量的生物信息，也為水稻育種材料秈粳屬性鑒定方法的建立提供了重要的工具。分子標記分類法是基于DNA序列差異進行分類，它不受環境條件影響，分類結果可靠性較高。上世紀80年代中期限制性片段長度多態性（RFLP）標記開始應用于水稻遺傳研究，錢惠榮等[9]應用160個RFLP標記分析了21個水稻廣親和品種和6個秈粳測驗種，得到了24個秈粳特異性RFLP標記。目前被用于水稻秈粳分類研究較多的分子標記是簡單重復序列（SSR）標記和插入/缺失片段（InDel）標記。

朱作峰等[10]用20對SSR引物對4個不育系和55份來自不同生態型的恢復系進行分類研究，結果表明，供試材料DNA秈粳分化明顯，聚類分析結果和用RFLP對供試材料的秈粳分類結果基本一致，而且二者與形態分類的結果也基本一致，并篩選出5個秈粳特異的分子標記。陸永法等[11]用22個SSR分子標記對13份甬優系列雜交水稻組合及其親本材料和6份秈粳對照種進行聚類分析，分子標記分析結果與形態分類結果基本一致，從分子水平上進一步確認了雜交水稻甬優6號和甬優4號為秈粳亞種間雜交稻。王彩紅等[12]選取具有代表性的100份亞洲栽培稻品種，應用程氏指數和109個SSR分子標記對它們進行分類，結果表明，程氏指數與SSR分子標記進行栽培稻分類存在明顯的正相關，兩種方法各個材料間遺傳距離的相關達極顯著水平，表明利用一定數量的秈粳特異性較高的形態性狀能夠有效鑒別秈稻和粳稻亞種。遺傳結構和聚類分析表明，在秈粳亞種水平上，程氏指數和SSR標記分類結果趨于一致，但在亞種內亞結構分析中，程氏指數偏差較大，SSR標記具有更高的準確性。

蔡星星等[13]基于秈稻9311和粳稻日本晴全基因組序列比對獲得的InDel差異片段設計了45對引物，對來自亞洲10個國家的49份秈稻、43份粳稻品種和24份野生稻進行了檢驗，結果表明，其中41對InDel引物可用于鑒定秈稻或粳稻品種，準確率高于80%。盧寶榮等[14]用44個經過程氏指數法鑒定的秈稻和粳稻品種作為實驗群體，確定了與栽培稻的秈、粳遺傳分化密切相關的34個InDel位點，提出了鑒定秈粳屬性的InDel分子指數法（表2）。與基于形態特征鑒定秈、粳特性的程氏指數法相比，該方法不僅能夠準確鑒定秈稻和粳稻，而且還具有更快捷、簡便和高效的特點。

夏士健等[15]利用與栽培稻秈、粳遺傳分化密切相關的34個InDel標記，鑒定了部分水稻不育系的秈粳屬性，結果表明目前廣泛應用于生產的不育系培矮64S、廣占63S、Y58S等的秈型基因頻率均為0.75～0.90，據此認為具有10%～25%左右粳稻血緣的秈型不育系可能更有利于亞種間雜種優勢利用。姚國新等[16]利用734對SSR標記和34對InDel標記分別對秈粳雜交后代材料進行秈粳成分鑒定，結果2套標記鑒定結果較為吻合，證明該套InDel標記完全可以用于水稻秈粳成分的快速準確鑒定。王林友等[17]利用19對InDel標記對48份育種上常用的秈稻、粳稻和中間型材料（品種）進行了秈粳屬性分析。結果表明，InDel分子標記法與傳統的程氏指數法的總體吻合率為89.58%，在典型秈稻或典型粳稻材料上兩者的吻合率為100.00%；在具有復雜遺傳背景的中間型材料上，InDel分子標記法比程氏指數法具有更高的準確性。陳萍萍等[18]利用形態指數法和分子標記法秈粳屬性鑒定了通過秈粳雜交培育的9個水稻品系，結果表明形態指數法的鑒定結果與分子標記的遺傳距離聚類分析結果一致。多數研究結果表明，InDel標記法對復雜材料的秈粳鑒定具有更高的分辨力和準確度，但也有研究證明InDel標記在亞種內多態性較低。

育種材料的屬性分類應根據其遺傳背景的復雜程度及研究目的而采用不同的方法，程氏指數法適用于遺傳背景相對簡單的典型秈或粳型材料秈粳屬性的分類，InDel分子指數法適用于遺傳背景復雜的亞種間秈粳材料的分類，而對亞種內育種材料的秈粳比例的定量分析，則適宜用SSR標記進行分析。

3 水稻秈粳分類與雜種優勢的關系

對雜種優勢與雙親秈粳分化的相關關系分析表明[19]，超親優勢與雙親的秈粳分化關系明顯，且DNA水平上的差異與超親優勢的相關系數明顯大于形態指數的差異與超親優勢間的相關系數，說明以雙親在基因組上的差異來研究或預測雜種優勢要優于表型性狀。分析優勢組合類型和強優勢組合雙親的形態指數的差異發現，雙親要么在形態上秈粳分化差異較大，要么是在DNA上的秈粳分化的差異較大，要么是在形態和DNA上差異均大，說明無論是形態上秈粳分化的差異，還是基因組上秈粳分化的差異，都是雜種優勢產生的重要基礎。王林友等[20]研究了InDel遺傳距離與雜種優勢的相關性，結果表明，在以粳粳交、秈粳交組合整體作為分析對象時，InDel遺傳距離與稻谷產量、每穗總粒數、單穗重呈極顯著正相關，與結實率呈顯著負相關；僅以秈粳交組合為研究對象時，InDel遺傳距離僅與單穗重和千粒重呈顯著正相關。說明InDel遺傳距離在不同類型品種間具有較好的雜種優勢預測能力，可用于單穗重的優勢預測，即隨著InDel遺傳距離的擴大，雜種優勢主要體現在單穗重的增加上。

因此，對水稻品種進行秈粳成分分析，能夠準確判別品種的秈粳屬性，明確雜種優勢利用中秈粳分化配比問題，分析雙親遺傳差異對主要性狀雜種優勢的影響，對水稻雜種優勢的遺傳研究以及育種工作都具有重要意義。

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