基于粳稻品種‘日本晴’的大穗大粒近等基因系評(píng)價(jià)

唐 偉，孫 博，周 琪，曾 蓋，張菊萍，降好宇，葉乃忠，肖應(yīng)輝，2，3*

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長(zhǎng)沙410128；2水稻油菜抗病育種湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙410128；3南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南長(zhǎng)沙410128）

基于粳稻品種‘日本晴’的大穗大粒近等基因系評(píng)價(jià)

唐 偉1，孫 博1，周 琪1，曾 蓋1，張菊萍1，降好宇1，葉乃忠1，肖應(yīng)輝1，2，3*

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長(zhǎng)沙410128；2水稻油菜抗病育種湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙410128；3南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南長(zhǎng)沙410128）

為了篩選出理想的穗形、粒形近等基因系，對(duì)以粳稻品種‘日本晴’為背景親本、以大穗品系‘R1126’和大粒品系‘TDX’為供體親本構(gòu)建的大穗、大粒株系進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：P01、P05、P09、P19和P20株系每穗粒數(shù)顯著多于日本晴，而其他農(nóng)藝性狀與日本晴基本相當(dāng)；G08和G09的粒重、粒長(zhǎng)顯著大于日本晴，而株高、穗長(zhǎng)、每穗總粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和單株粒重等性狀與日本晴相當(dāng)。這些株系是基于日本晴背景的理想大穗、大粒近等基因系，為后續(xù)的深入研究提供了基礎(chǔ)材料。

水稻；穗粒數(shù)；粒型；近等基因系；日本晴

重穗型雜交水稻品種選育是超高產(chǎn)水稻育種的技術(shù)路線之一，該類(lèi)型水稻品種往往表現(xiàn)出庫(kù)容量大和較高的單穗質(zhì)量［1，2］。水稻群體的庫(kù)容量表現(xiàn)為單位面積的穎花數(shù)和單個(gè)穎花容量的乘積，而前者又決定于單位面積的有效穗數(shù)和每穗穎花數(shù)［3］。由于穗數(shù)受栽培技術(shù)等環(huán)境因素影響較大，通過(guò)遺傳調(diào)控每穗穎花數(shù)和單個(gè)穎花容量已成為培育重穗型水稻品種的重要途徑，因此近年來(lái)對(duì)于決定水稻每穗穎花數(shù)的穗型性狀和決定籽粒大小的粒形性狀的研究倍受關(guān)注。此外，水稻籽粒粒長(zhǎng)、粒寬和粒厚等粒形性狀還是決定稻米外觀品質(zhì)和商用品質(zhì)的重要因素［4］，同時(shí)也是決定以混播制種為核心的機(jī)械化雜交制種技術(shù)能否成功的關(guān)鍵性狀［5，6］。因此，對(duì)于水稻穗形性狀和粒形性狀的研究，已日益受到水稻遺傳育種家的重視［7］。

關(guān)于水稻穗形和粒形性狀的遺傳特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外已有大量的研究報(bào)道。據(jù)Gramene網(wǎng)站［8］和國(guó)家水稻數(shù)據(jù)中心［9］統(tǒng)計(jì)，截至2016年，已報(bào)道591個(gè)與水稻穗粒數(shù)相關(guān)的QTL，包括353個(gè)以“spikelet number”為性狀名稱(chēng)和238個(gè)以“grain number”為性狀名稱(chēng)的QTL。然而，迄今僅有6個(gè)與水稻穗粒數(shù)有關(guān)的基因被成功克隆。位于第1染色體的編碼細(xì)胞分裂素氧化酶/脫氫酶的Gn1a是第一個(gè)被克隆的與水稻每穗穎花數(shù)有關(guān)的基因［10］。隨后，控制延遲抽穗期、增加株高和穗大小的多效性基因GHD7［11］，控制水稻穗發(fā)育相關(guān)的基因SP1［12］，控制水稻密穗直立和每穗粒數(shù)的多效基因DEP1［13］，減少分蘗發(fā)生、促進(jìn)一次枝梗和二次枝梗發(fā)生從而增加每穗穎花數(shù)的IPA［14］和WFP［15］等與穗形大小有關(guān)的基因相繼被克隆。同時(shí)，已有文獻(xiàn)報(bào)道了400多個(gè)與水稻籽粒大小和形態(tài)有關(guān)的QTL［8，9］，其中GW2［16］、GS3［17］、GW5［18］、GS5［19］、GW8［20］、qGL3（qGL3.1）［21］、GIF1［22］、TGW6［23］等8個(gè)QTL已被分離克隆。

利用近等基因系是實(shí)現(xiàn)控制穗形和粒形等性狀基因精細(xì)定位的重要途徑［24］。由于近等基因系能有效消除目標(biāo)基因以外遺傳背景的干擾，是遺傳分析和基因精細(xì)定位的理想材料［25］。筆者分別引進(jìn)了平均每穗粒數(shù)450粒以上的大穗型秈稻品系R1126和千粒質(zhì)量50 g以上的大粒秈稻品系特大秈［26］，并通過(guò)雜交和連續(xù)回交的方法構(gòu)建了基于粳稻品種日本晴背景的大穗大粒近等基因系。本研究擬對(duì)構(gòu)建的若干近等基因系的穗粒數(shù)、粒形以及其他農(nóng)藝性狀進(jìn)行鑒定評(píng)價(jià)，旨在為進(jìn)一步利用這些近等基因系進(jìn)行相關(guān)基因的精細(xì)定位提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料包括粳稻品種日本晴（NPB）、大穗品系R1126、大粒品系特大秈（TDX）以及構(gòu)建的33個(gè)大穗、大粒近等基因系。近等基因系是采用NPB為受體親本，分別以R1126和TDX為大穗、大粒供體親本，通過(guò)雜交、連續(xù)多代回交和自交純合穩(wěn)定而來(lái)，具體的構(gòu)建過(guò)程如圖1所示。所有試驗(yàn)材料種子由湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻科學(xué)研究所提供。

圖1 日本晴大穗、大粒近等基因系構(gòu)建過(guò)程Fig.1 The breeding schedule of the Nipponbare NILs w ith large panicle and large grain

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 種植方法

所有近等基因系和背景親本日本晴于2015年種植在位于長(zhǎng)沙縣江背鎮(zhèn)的北大荒墾豐種業(yè)股份有限公司湖南育種站試驗(yàn)基地。于05-25播種，06-20移栽，田間每株系種植2行，每行栽8株，單本栽插，行距和株距均為16.7 cm，株系間空1行。按照當(dāng)?shù)厮驹耘嗉夹g(shù)要求進(jìn)行田間管理和病蟲(chóng)防治。

1.2.2 鑒定方法

于各株系成熟期，隨機(jī)取每株系中間有代表性的3株，考查株高、單株穗數(shù)、單株粒重和千粒質(zhì)量，從每個(gè)樣株中選最長(zhǎng)穗考查穗長(zhǎng)、每穗總粒數(shù)、結(jié)實(shí)率等性狀。此外，所有大穗近等基因系和日本晴還考查最大穗的一次枝梗數(shù)和二次枝梗數(shù)，所有大粒近等基因系和日本晴還考查粒長(zhǎng)、粒寬和粒厚等性狀。

2 結(jié)果與分析

2.1 大穗株系與輪回親本農(nóng)藝性狀比較

2.1.1 穗形相關(guān)性狀

對(duì)穗形大小的評(píng)價(jià)，通常采用穗長(zhǎng)或者每穗總粒（穎花）數(shù)作為鑒定指標(biāo)，后者往往受一次枝梗數(shù)和二次枝梗數(shù)的影響。因此，本文對(duì)所有大穗近等基因系的穗形大小有關(guān)性狀即穗長(zhǎng)、每穗總粒數(shù)、每穗一次枝梗數(shù)和每穗二次枝梗數(shù)進(jìn)行了分析（表1）。大穗近等基因系的穗長(zhǎng)介于20.5～27.4 cm，均大于受體親本的穗長(zhǎng)平均值（19.1 cm），除P01、P03、P05、P09、P13、P19和P20以外的其他15個(gè)株系穗長(zhǎng)值顯著大于日本晴。每穗總粒數(shù)在大穗近等基因系間的變幅為95.3～263.7，均大于受體親本的每穗總粒數(shù)（85.0），其中除P12和P16以外的其他20個(gè)株系每穗總粒數(shù)均顯著大于日本晴。值得注意的是，穗長(zhǎng)與日本晴無(wú)顯著差異的6個(gè)株系，對(duì)應(yīng)的每穗總粒數(shù)值均顯著大于日本晴；反之，每穗總粒數(shù)與日本晴無(wú)顯著差異的株系P12和P16，其穗長(zhǎng)值顯著大于日本晴。對(duì)上述20個(gè)株系的一次枝梗數(shù)和二次枝梗數(shù)性狀進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)所有每穗總粒數(shù)顯著大于日本晴的株系，其一次枝梗數(shù)和二次枝梗數(shù)至少有1個(gè)性狀值顯著大于受體親本日本晴。研究結(jié)果顯示，與穗長(zhǎng)相比，每穗粒數(shù)能更準(zhǔn)確地反映穗粒數(shù)的多少，是評(píng)價(jià)穗形大小最可靠的依據(jù)。

表1 大穗近等基因系與日本晴主要農(nóng)藝性狀比較_Table 1 Com parison of main agronom ic traits between the large panicle NILs’and NPB

2.1.2 其他農(nóng)藝性狀

為了對(duì)近等基因系進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，進(jìn)一步分析了大穗近等基因系穗形目標(biāo)性狀以外的其他部分農(nóng)藝性狀。結(jié)果顯示，除P19外，其他21個(gè)株系的株高均高于日本晴，其中14個(gè)株系株高與日本晴差異顯著。對(duì)于千粒質(zhì)量、結(jié)實(shí)率和單株粒重等性狀，均有2～5個(gè)株系與受體親本差異顯著。

綜合比較大穗近等基因系與受體親本日本晴的穗形性狀與其他農(nóng)藝性狀，發(fā)現(xiàn)P01、P05、P09、P19和P20株系每穗總粒數(shù)與日本晴存在顯著差異，而其他農(nóng)藝性狀與日本晴基本相似，是較理想的大穗近等基因系，可望用于進(jìn)一步開(kāi)展穗粒數(shù)性狀的基因定位研究。

2.2 大粒株系與輪回親本農(nóng)藝性狀比較

2.2.1 粒形性狀

11份大粒株系的千粒質(zhì)量為33.0～39.6 g，較日本晴增大了47.3%～76.8%，均顯著大于日本晴（表2）。所有大粒株系的粒長(zhǎng)值介于9.1～10.3 mm，均顯著大于日本晴，分別較日本晴增大18.2%～33.8%。粒寬性狀大多株系較日本晴增大，但僅有G02、G07、G09、G10和G11差異達(dá)顯著水平。與受體親本日本晴相比，僅有G08株系的粒厚顯著變小，其他株系粒厚性狀變化不大。

表2 大粒近等基因系與日本晴粒形性狀比較Table 2 Com parison of grain shape traits between the large grain NILs’and NPB

2.2.2 其他農(nóng)藝性狀

粒形性狀以外的其他農(nóng)藝性狀在大粒株系間也表現(xiàn)出較大差異（表3）。除G08的株高和每穗總粒數(shù)以外，所有株系的株高、穗長(zhǎng)、每穗總粒數(shù)和單株粒重均大于受體親本日本晴，但不同性狀的變異幅度不一。株高性狀，只有G08和G09與對(duì)照差異不顯著，其他株系均顯著增大。穗長(zhǎng)性狀也表現(xiàn)出類(lèi)似的變化趨勢(shì)。每穗總粒數(shù)總體上呈增加趨勢(shì)，但僅有G02和G11增加幅度達(dá)顯著差異。大粒株系結(jié)實(shí)率無(wú)明顯變化規(guī)律，其中G02、G04和G07的結(jié)實(shí)率顯著降低，其他株系較日本晴無(wú)顯著變化。

表3 大粒近等基因系與日本晴其他農(nóng)藝性狀比較Table 3 Com parison of other agronom ic traits between the large grain NILs’and NPB

（續(xù)表3）

3 討論

近年來(lái)，科學(xué)家通過(guò)培育近等基因系，開(kāi)展了不同作物的基因型鑒別、基因定位克隆和基因遺傳效應(yīng)分析等研究。如利用近等基因系精細(xì)定位了水稻強(qiáng)休眠基因qSdn-1［27］、油菜千粒質(zhì)量基因QTLT SWA7b［28］、小麥黃綠基因Ygl［29］、水稻耐冷基因qPSR2-1、qLOP2和qRC10-2［30］。又如，利用小麥粒重基因TaGW2-6A編碼區(qū)不同等位變異系研究小麥灌漿特性相關(guān)的基因功能［31］。本研究中，以全基因組測(cè)序品種日本晴為背景構(gòu)建的系列大穗、大粒近等基因系，將為穗形、粒形基因的精細(xì)定位提供基礎(chǔ)材料。事實(shí)上，筆者已利用其中一份近等基因系開(kāi)展了大粒基因的定位研究，并將其中一個(gè)控制粒重的基因GS2.2精細(xì)定位于第2染色體［32］。

本研究對(duì)大穗、大粒近等基因系的目標(biāo)性狀和其他農(nóng)藝性狀進(jìn)行了鑒定和評(píng)價(jià)。22個(gè)大穗株系中，P01、P05、P09、P19和P20株系每穗總粒數(shù)顯著多于日本晴，而其他農(nóng)藝性狀與日本晴基本相當(dāng)。11個(gè)大粒株系中，G08和G09的粒重、粒長(zhǎng)顯著大于日本晴，而株高、穗長(zhǎng)、每穗總粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和單株粒重等性狀與背景親本相當(dāng)。這些株系是基于日本晴背景的理想大穗、大粒近等基因系，有助于進(jìn)一步深入研究水稻大穗、大粒的形成機(jī)理、遺傳特點(diǎn)以及基因功能互作。

研究還發(fā)現(xiàn)，穗形大小的變化可以通過(guò)穗長(zhǎng)和每穗粒數(shù)表現(xiàn)出來(lái)，后者又可能由一次枝梗數(shù)或者二次枝梗數(shù)的變化而引起。同樣，在粒形近等基因系中，粒重的變化可能因粒長(zhǎng)或者粒長(zhǎng)與粒寬共同作用而引起。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的研究目標(biāo)對(duì)近等基因系的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。本研究中構(gòu)建的近等基因系，假若用于每穗粒數(shù)的相關(guān)研究，P01、P05、P09、P19和P20均為合適的株系；但若是開(kāi)展二次枝梗遺傳模式的相關(guān)研究，則宜選用只有二次枝梗數(shù)與日本晴有顯著差異的株系，P01和P09即為最理想的株系。

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Evaluation of Near-isogenic Lines w ith Large Panicle and Large Grain Based on Japonica Variety‘Nipponbare’

TANG Wei1，SUN Bo1，ZHOU Qi1，ZENG Gai1，ZHANG Juping1，JIANG Haoyu1，YE Naizhong1，XIAO Yinghui1，2，3*
（1 College of Agronomy，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China；2 Key Laboratory of Hunan Province for Disease Resistance Breeding of Rice and Rapeseed，Changsha，Hunan 410128，China；3 Southern Regional Collaborative Innovation Center of Grain and Oil Crops in China，Changsha，Hunan 410128，China）

A set of rice lines with large-panicle or large-grain were developed，which have the background parent of japonica rice variety Nipponbare，and the large-panicle line R1126 and the large-grain line TDX as the donor.In order to screen the ideal near-isogenic lineswith different panicle size or grain size，thirty-three lineswere evaluated.The results showed that the number of grains per panicle of P01，P05，P09，P19 and P20 lines were significantly higher than that of Nipponbare，while other agronomic characters were similar to those of Nipponbare.Grain weight and grain length of G08 and G09 were significantly higher than those of Nipponbare，while plantheight，panicle length，total grains per panicle，seed setting rate and grain weight per plantwere similar to those of Nipponbare.These lines，which with large-panicle or large -grain and based on the background of Nipponbare，were the ideal near-isogenic lines，and would provide the basicmaterials for further in-depth study.

rice；panicle；grain；near-isogenic lines；Nipponbare

S511.037

A

1001-5280（2017）03-0222-06

10.16848/j.cnki.issn.1001-5280.2017.03.03

2017- 02- 13

唐 偉（1990-），男，碩士研究生，Email：499961421＠qq.com。*通信作者：肖應(yīng)輝，研究員，Email：xiaoyh＠hunau.edu.cn。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0101103-2）；湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015NK1001-1）；教育部“創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃”（IRT1239）。