水稻柱頭外露率相關性狀的調查及高柱頭外露率不育系的創制

吳健+孫玥+張融雪+李軍玲+王曉靜+閆雙勇+馬忠友+孫林靜+蘇京平+王勝軍+劉學軍

摘 要： 雖然雜交稻的應用大大提高了糧食生產產量，緩解了我國糧食安全問題，但是雜交種的生產卻制約了雜交稻的進一步發展。提高雄性不育系的柱頭外露率是提高雜交種產量的重要途徑之一。本研究對在天津地區種植的一些核心親本進行調查，對影響柱頭外露率的相關性狀進行測量分析，以期找到影響柱頭外露的主要因素。結果發現，柱頭及花柱長度對柱頭外露率影響較大，且受環境因素影響較小。在育種過程中通過選擇長柱頭和花柱的后代可以提高柱頭外露率。通過引入長柱頭的親本，成功地對不育系及保持系的柱頭外露率及異交性狀進行了改造，大大提高了雜交稻的制種產量。進一步對以羅2和II-32B構建的F2代群體進行調查分析，發現柱頭及花柱總長的分布存在兩個主峰，說明這個性狀有可能是少數幾個基因控制的。

關鍵詞：水稻；柱頭外露；育種

中圖分類號：S511 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.11.014

Abstract： Hybrid rice dramatically increased the yield of rice， alleviated the problem of food security. But a main limiting factor hindering the extension of the hybrid rice application was the low yield of hybrid seed. The efficiency of hybrid seed production could be improved by increasing the percentage of exserted stigma. In this study， some of the core rice varieties were investigated in Tianjin， and the related traits affecting the stigma exsertion were analyzed in order to find out the main factors influencing the stigma exsertion. The result showed that the length of stigma and style had a big effect on stigma exsertion， and it was less affected by environmental factors. So the selection of long stigma and style could help improving the stigma exsertion in the breeding process. By introducing the long stigma from one parent， the stigma exsertion and outcrossing traits had been successfully transformed in the male-sterile and maintainer lines， which greatly improved the seed production of hybrid rice. And the result of further investigated on the F2 population constructed by Luo 2 and II-32B showed that there were two main peaks in the distribution of the total length of the stigma and style， indicating that the trait might be controlled by few genes.

Key words： rice；stigma exsertion；breeding

我國是世界人口大國，隨著人民生活水平的提高和耕地面積的減少及退化，糧食安全問題變得愈加突出和重要。提高單位面積的糧食產量是解決這一矛盾的重要途徑之一。雜種優勢利用在提高作物產量中起到了十分重要的作用。尤其是雜交水稻的大面積推廣應用，為解決我國的糧食安全問題做出了十分突出的貢獻。水稻是自花授粉作物，在雜交水稻的推廣過程中，制種產量一直是雜交水稻生產的關鍵和限制因素之一。雜交水稻的制種產量往往要低于常規品種水稻。研究如何提高雜交稻的制種產量有著十分重要的意義。而如何改善父母本的異交特性，從而提高母本異交結實率，是雜交水稻高產制種關鍵技術之一。研究表明，柱頭外露率與制種產量存在顯著的相關性[1]。水稻不育系的柱頭外露特性是異交結實的基礎，也是衡量不育系異交優劣的重要指標[2]。因此，研究水稻柱頭外露特性，并在生產中選擇具有較高柱頭外露率的不育系是雜交水稻育種專家們的重要目標之一[3]。

研究表明，水稻的柱頭外露率呈連續分布，是由多個基因控制的數量性狀，在各種效應中，顯性效應較大，加性效應次之，上位性效應較小，細胞質遺傳效應不明顯[4-5]。影響柱頭外露率的內外因素眾多，柱頭外露率是由多個基因控制的復雜性狀[6]。因此，對柱頭外露率的基因研究也顯得較為困難，目前主要集中在QTL定位和利用大規模數據的全基因組關聯分析（GWS）上。目前，已經找到幾個主要的QTL位點，如qSTL3、qRES-5、qRES-10等，及等位基因LOC_Os03g14850、GS3、GW5和GW2[7-14]。

水稻柱頭外露是一個動態的過程，在生長實踐中觀察到其主要受穎花的開張角度及持續時間，柱頭、花柱和穎花長度及寬度等影響，因此，分別對這些性狀進行研究有利于加深對柱頭外露率的認識[15]。VIRMANI等[5]研究表明，柱頭外露率與柱頭長、花藥長呈顯著正相關。HANG等[16]研究也表明，柱頭外露率與柱頭長、穎花長呈顯著正相關。通徑分析表明，柱頭長和穎花長寬比與柱頭外露率的相關性最大，而柱頭寬對柱頭外露率存在一定的負相關。GUI等[6]通過對90個來自不同地區和不同國家的美國農業部水稻核心種質進行觀測，結果表明穎花長與柱頭外露率存在相關性。MIYATA等[17]對F2代群體的研究表明，柱頭外露率與粒長粒寬比呈正相關，而與抽穗期及穗長沒有相關性。另外，花柱長、柱頭長和柱頭寬同樣也影響柱頭接受花粉的幾率，長的柱頭和寬的柱頭可增加柱頭受粉的有效面積，提高異交結實率。endprint

筆者對在天津地區種植的一些核心親本進行調查，發現柱頭及花柱長度對柱頭外露率影響較大，柱頭寬度和穎殼寬度與柱頭外露率存在顯著的負相關性。其中，柱頭及花柱長度受環境因素影響較小，可以在育種過程中加以利用。筆者進一步對以羅2和II-32B構建的F2代群體進行調查分析，發現柱頭及花柱總長的分布存在兩個主峰，說明這個性狀有可能是少數幾個基因控制的，有利于QTL定位。

1 材料和方法

1.1 材 料

供試材料選用柱頭外露率高（粵泰、II-32B和博B等）、柱頭外露率低（羅2和ipa1等）及中間型（內香B和錢1B等）等生產和研究的主要水稻品種。在天津市農作物研究所寶坻基地進行種植，田間管理同正常的生產管理。

1.2 柱頭外露率等表型性狀觀察測量

1.2.1 柱頭外露率 每個親本開花完6～7 d后在晴天取樣，每個親本隨機選取3個穗，調查柱頭單、雙、總外露數，得出外露率。

柱頭單邊外露率=柱頭單邊外露穎花數/總穎花數×100%

柱頭雙邊外露率=柱頭雙邊外露穎花數/總穎花數×100%

柱頭總外露率=柱頭單邊外露率 + 柱頭雙邊外露率

1.2.2 柱頭長度及寬度、花柱長度 在晴天中午或下午，每個親本隨機選取中部開花的3個穗，帶回實驗室放入4 ℃冰箱保存，當天進行分析。每穗取5個當天開花的穎花進行解剖得到雌蕊，并用高清數碼相機進行拍照。如圖1，用Image J軟件對柱頭長度及寬度、花柱長度進行測量。

1.3 數據分析

將以上試驗數據導出到MS Excel 軟件中，并利用該軟件進行數據的初步整理和分析。然后利用SAS 軟件對各性狀的數據進行統計，并進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 低柱頭外露率及高柱頭外露率品種調查分析

水稻品種羅2的柱頭外露率很低，2014年調查發現其柱頭外露率為0。而II-32B及粵泰有著極高的柱頭外露率，在2014年的調查中分別為69%及73%（表1）。進一步對其花柱及柱頭長度進行測量[圖2（b）]，發現花柱和柱頭長度之和與總柱頭外露率存在正相關。這說明對花柱和柱頭長度的研究能進一步加強對柱頭外露率的認識?；ㄖ爸^長度能在一定程度上反映柱頭外露率這個復雜性狀。

2.2 不同親本柱頭外露率及相關性狀調查分析

筆者在2015年對天津寶坻地區種植的19個主要栽培水稻品種及本單位育成的不育系品系進行了柱頭外露率及相關性狀的調查（表2）。結果發現，秈稻品種的柱頭和花柱總長度都較粳稻品種的長。如典型的9311、粵泰、源豐占和黃華占等秈稻品種，這些品種的柱頭外露率也較高。尤為突出的是，在此次調查中發現粳稻品種的柱頭外露率極低，如ipa1、武運梗23、鄭旱9號和大良203等品種品系柱頭外露率都為0。 6A、nb19A和ob19A 是天津市農作物研究所培育的具有較強粳稻背景的優異不育系材料，而13lb02A、13lb03和13lb04是利用ipa1為親本與以上不育系的恢復系雜交育成的新不育系及保持系品系。對比分析發現，該品系繼承了ipa1花柱及柱頭長的特點，但是株高得到大大的降低，且柱頭外露率提高很大，親本ipa1幾乎不外露，而品系13lb02A及13lb03分別為8.2及8.8，對比發現ipa1的穎殼較寬，而改造后的不育系及保持系穎殼寬度都大大的降低。在生產實踐中，雜交種的產量也得到明顯的提高。因此，通過引入長花柱及柱頭的粳稻親本材料可以對粳稻不育系的柱頭外露率進行改造，從而大大提高制種產量。對比2014年調查結果發現，花柱和柱頭總長度變化不大。2014年粵泰的花柱及柱頭總長為0.269，2015年為0.267，差異不顯著，而2014年粵泰的總柱頭外露率調查結果為73，2015年調查結果為51.79，差異顯著。因此，花柱和柱頭總長度在不同年份調查差異不大，而柱頭外露率的差異較大。

通過對以上19個親本材料的觀察數據進行相關性分析，發現總花柱長度與總柱頭外露率并不存在簡單的相關性關系，而柱頭長度與花柱長度也不是簡單的相關關系（表3）。其中：柱頭長度與柱頭寬度存在著顯著的負相關性，相關系數達到-0.66；與內穎寬也存在較強的負相關性，而與外穎寬相關性不強；與穎殼長都存在顯著相關性，相關系數達到0.79。雖然外穎寬與內穎寬存在一定的相關性，相關系數為0.52，但內穎寬更加顯著的與柱頭寬度及柱頭外露率相關，相關系數分別為0.67及-0.61。該結果表明，柱頭長度與穎殼長存在顯著的正相關性，其與柱頭寬度及內穎寬存在顯著的負相關性，而柱頭寬度與內穎寬與柱頭外露率存在顯著的負相關。

2.3 羅2和II-32B的F2代群體調查

為對柱頭外露率及相關性狀進行QTLs定位，筆者用羅2與II-32B進行了雜交。對羅2和II-32B的F2代群體進行初步分析，如圖3所示，花柱長度和柱頭寬度呈正態分布，這說明這兩個性狀可能受較多基因控制，或受環境因素影響較大。而柱頭長度及柱頭和花柱總長度的分布存在偏分離，說明這兩個性狀很可能是由少數幾個主效基因控制的數量性狀。易于定位到主效QTLs，而柱頭和花柱總長度與柱頭外露率存在正相關，因此，定位到的QTLs可以應用到柱頭外露率的改良中。

3 結論與討論

生產上的栽培稻是從野生稻逐步選擇馴化而來的。從具有高柱頭外露率的野生稻向低柱頭外露率的栽培稻演化是一個逐漸積累的過程[7]。野生稻往往具有比栽培稻高的柱頭外露率[5]。本調查發現，秈稻的柱頭長度及柱頭外露率都較粳稻高，而秈稻品種中的偏野生型較栽培種的柱頭長度和柱頭外露率高。研究發現，柱頭外露率易于受到環境因素的影響，因而在不同年份調查的數據相差很大。而柱頭長度受環境因素影響相對較小，許多研究都認為柱頭長度與柱頭外露率存在顯著的相關性[18]，因而利用柱頭長度來衡量和選擇雄性不育系更加實用[12]。如基因GS3和LOC_Os03g14850都是主要通過對柱頭長度的影響而影響柱頭外露率的[10，12]。endprint

筆者以長柱頭的ipa1為親本，通過與保持系雜交及其后代選擇，成功地選育到一個植株降低而柱頭外露率增高的偏粳稻品系。通過比較發現，不育系與保持系的柱頭長度及柱頭外露率都得到了同步的提高。研究也表明，保持系與不育系的柱頭外露存在極顯著正相關[19]。因此，選擇柱頭外露率高的保持系能夠選育出柱頭外露率高的不育系。在制種試驗中該不育系的應用大大提高了制種產量，這說明通過引入長柱頭的水稻品種是提高柱頭外露率及異交結實性的一個重要途徑。而研究表明，一方面分離世代中秈型（含偏秈）株系的柱頭外露率高于粳型（含偏粳）株系，另一方面由于高柱頭外露率植株農藝性狀普遍不佳，從而導致柱頭外露率高的不育株入選率較低[20]。因此，高柱頭外露率的粳稻不育系選育較秈稻不育系的選育更加困難。但是粳稻分離世代柱頭外露率在40%的中低值區發生頻率相對較高，因此，粳稻不育系柱頭外露率的適度改良仍具有較大可行性[20]。

柱頭外露率是受眾多基因位點調控并受環境因素影響的一個復雜性狀[21]。因此，筆者認為對柱頭外露率的遺傳調控研究應該首先對其組成因素進行分解，如將其分解成穎花的開張角度及持續時間，柱頭和穎花長度及寬度等進行分別研究，最后綜合在一起從而實現對柱頭外露率的整體認識。從筆者的調查中發現，柱頭長度與穎殼長存在顯著的正相關性，其與柱頭寬度及內穎寬存在顯著的負相關性，而柱頭寬度與內穎寬與柱頭外露率存在顯著的負相關?？梢?，用柱頭長度及柱頭寬度來衡量柱頭外露率有一定的實際意義。由于水稻的柱頭外露是與穎殼垂直的，穎殼的厚度對柱頭外露率有著顯著的影響，較薄的穎殼有利于柱頭外露。所以控制穎殼厚度的基因GW5、GW2對柱頭外露率也有影響[22]。筆者發現，內外穎殼似乎受到不同的基因調控，而內穎殼與柱頭寬度相關性最大，與柱頭外露率也存在顯著的負相關。所以，筆者認為用內穎殼的寬度來衡量柱頭外露率比用籽粒的寬度更好。

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