黑龍江省花培育種粳稻品種親緣系譜及農藝性狀分析

劉寶海，高世偉，唐 銘，門龍楠，劉宇強，聶守軍，劉 晴，常匯琳，馬 成，薛英會，白 瑞，王洪彬

（黑龍江省農業科學院綏化分院，黑龍江綏化 152052）

0 引言

中國是世界上最大水稻生產國[1]，稻米是中國約65%人口的主食[2]。黑龍江省作為國內水稻主產區之一，2017年種植粳稻面積460萬hm2，約占全國粳稻種植面積50%以上[3]，而新品種選育為黑龍江水稻單產提高、總產持續增加、綜合生產能力穩定提升做出了突出貢獻[4]，對保障國家糧食安全生產和國計民生意義重大[5-6]。在新品種選育方面，花藥培養是非常重要和實用的生物技術手段，也是目前獲得單倍體植株和進行單倍體育種的主要方法[7]。Niizeki于1968年首次利用水稻花藥離體培養分化出再生小植株，拉開了世界利用花藥培養技術創新水稻新種質的序幕[8]。1975年粳稻品種‘單豐1號’成功育成，標志著中國水稻花培技術育種取得實效[9]，繼而全國各地開展了水稻花培育種工作，利用花藥培養與雜交、誘變及轉基因等育種技術相結合[10]。黑龍江省主要采用接種雜交F1代花藥培養與常規系統育種相結合的水稻花培育種技術，利用其育種周期短、選擇效率高、實踐成果好的特點，在水稻新品種選育等方面已取得顯著成效[4]，據統計[11-12]1975—2019年全省已通過審定花培育種粳稻品種22個，以此類品種為直接雜交親本共育成優良品種40個，這些品種在不同時期大面積推廣應用，對促進全省水稻種植生產發揮了重要作用。

利用已育成品種系譜信息分析其親緣關系，有助于育種家了解品種遺傳背景，從而制定出更加合理的育種方案[13]。目前品種系譜分析，主要集中于某段時間品種骨干親本[14-15]、遺傳貢獻[16]以及某單位[17]或某個[18]、某些性狀親緣關系[19]等方面研究。品種基因型是影響水稻花藥培養力的最重要因素[20-21]，雜交雙親花藥培養力對雜種F1花藥培養力有較大正向影響[10]，理清現有花培育種粳稻品種系譜關系，可為今后花培育種工作提供有利參考，然而至今關于花培育種粳稻品種親本系譜的梳理分析卻鮮有報道。水稻品種農藝性狀研究已有不少報道，中國東北地區水稻品種農藝性狀各年代間有交替變化[22]，從20世紀60年代以前至21世紀以后水稻生育期延長、株高降低、穗數減少、穗粒數增加、結實率和千粒重變化不大[23]，不同年代品種糙米率、整精米率、堊白度、堊白粒率、直鏈淀粉含量、膠稠度含量、蛋白質含量等品質指標存在顯著差異[24]，不同時期品種農藝性狀間存在相關性變化[25-28]。采用主成分及聚類方法綜合評價水稻性狀，能夠減少單個指標的差異性影響[29]，然而至今對不同年代花培育種粳稻品種農藝性狀進行系統比較分析的研究報道甚少。本研究運用方差、協方差、相關、多重比較以及聚類等統計方法，重點對1975—2019年黑龍江省花培育種粳稻品種取得成效、親緣遺傳關系以及主要農藝性狀進行比較分析，進而全面了解花培育種粳稻品種綜合特性，篩選核心親本種質，梳理主要問題，討論加快推動花培育種思路方法，以期為今后黑龍江花培育種技術推廣及種質資源利用、新品種創新提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為黑龍江省1975—2019年通過花培育種方法審定的22份粳稻品種（表1）。以品種審定時間劃分8個組，其中a組為2015—2019年審定的品種1～5，b組為2010—2011年審定的品種6～8，c組為2008-2009年審定的品種9～11，d組為2000—2004年審定的品種12～14，e組為1998年審定的品種15～16，f組為1992—1993年審定的品種17～18，g組為1988年審定的品種19，h組為1983年審定的品種20，i組為1975年審定的品種21～22。

表1 1975—2019年黑龍江省粳稻花培育種品種情況

續表1

1.2 數據來源

1.2.1 品種系譜 22份粳稻品種系譜系關系及選育成效信息主要來源于《寒地粳稻育種》[4]與國家水稻數據中心[12]。

1.2.2 品種農藝性狀 試驗于2018—2019年在黑龍江省農業科學院綏化分院科技園區試驗地進行。供試材料種子來源于黑龍江省農業科學院水稻研究所。4月中旬育秧苗床播種19個品種（‘單豐1號’、‘牡花1號’于1975年審定而沒有找到種子，‘龍粳49’為糯稻，這3個品種缺失對其他品種間農藝性分析無顯著影響），5月下旬單株栽插本田，每個品種4行，行長3 m，行距30 cm，株距13 cm，每穴2～3苗。3次重復。栽培管理與當地稻區一般生產大田相同。成熟期調查每小區中間2行20穗的穗數，按平均穗數取有代表性植株5株調查株高、穗長、穗粒數、千粒重、穗頸瘟級別、空殼率。同時，收獲后自然風干、脫粒，測定小區實際產量，稻谷儲藏1個月后委托農業部谷物及制品質量監督檢驗測試中心（哈爾濱）測定堊白度、堊白粒率、糙米率、整精米率、直鏈淀粉含量、膠稠度含量、蛋白質含量、食味品質等性狀。

1.3 統計分析

品種親緣系數(coefficient of parentage，COP)分析主要參考Emik等[30]親緣協方差原理與范強等[31]Excel 2000宏程序VBA語言編程方法，并作了部分修改，計算各品種間COP值，多交組合以母本為編號，采用1-COP矩陣表示系譜遺傳距離[32]。

筆者分析2018、2019年19個品種的產量、品質等15個農藝性狀，試驗各指標重復性好且變化趨一致，故主要利用2019年數據進行分析。利用IBM SPSS Statistics 25.0軟件，對農藝性狀數據進行多因素方差、相關以及SNK法多重比較，采用系統組間聯接聚類方法，按照歐式距離測量區間，對親緣系數矩陣和農藝性狀進行聚類分析，運用Excel 2003軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 花培育種品種親緣系數分析

22個花培育種粳稻品種親本系譜關系梳理結果（圖1）顯示，這些品種的選育是不同親本優良基因不斷雜交重組累加、不良基因不斷剔除的傳遞過程，但由于各親本應用時期不同，其遺傳貢獻會有不同表現。在22個品種231個組合（表2）中有11個組合間存在親緣關系，占組合總數的4.8%，其COP值變化范圍在0.00～0.50之間，親緣系數總和為6.50，平均值為0.31。所有組合中COP值最大為0.50，即由相同親本育成的姊妹系品種‘龍粳3767’與‘龍粳52’，以及有共同親本‘龍花84-106’的品種‘龍粳12號’與‘龍粳7號’。其他9個有親緣關系組合COP值均為0.25，表現為每個品種組合都具有一個共同親本。22個品種中，平均親緣系數值小于或等于品種間平均值的品種占總數90.9%，其中品種間COP為0.00沒有親緣關系的6個品種占30.0%，即‘龍粳49’、‘龍粳8號’、‘龍粳4號’、‘龍粳3號’、‘龍粳1號’、‘牡花1號’。22個品種中，品種與其他品種COP平均值最高(0.04)的是‘龍粳13號’、‘龍粳7號’，說明這2個品種與其他品種間遺傳親緣關系相對較近。表明以上品種間親緣遺傳差異非常大，遺傳多樣性水平非常高。

圖1 1975—2019年黑龍江省花培育種品種系譜圖

表2 花培育種品種間親緣系數值

續表2

2.2 花培育種品種親緣聚類分析

對花培育種品種間的COP值進行聚類分析，在歐氏距離24時可聚類為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共3個類群（圖2）。Ⅰ類群共有2個品種，包括‘龍粳3767’、‘龍粳52’。該類群品種都是由同一個單位主導選育而成，分別在2016、2019年育成審定，類群內2個品種是由相同親本雜交花培育種選育而成，屬于姊妹系，都是具有花培育種材料‘龍花00-233’和‘龍粳25號’的后代，‘龍花00-233’作為中間育種材料具有早熟、豐產、抗病、優質、株型好等優良特性[33]。Ⅱ類群品種數最多，共有17個品種，占品種總數的77.3%，其中有15個品種是由同一個單位主導或獨家選育而成，占類群內品種數的88.2%。該類群品種1975—2016年間育成，時間跨度最大，親本類型也最豐富，以花培育種后代材料為親本育成品種11個，占品種數的64.7%。根據品種間親緣系數關系，在歐氏距離22時可劃分為5個亞類群，Ⅱ-1亞類群包括‘龍粳49’、‘龍粳8號’、‘龍粳4號’、‘龍粳3號’、‘牡花1號’、‘龍粳1號’6個品種，Ⅱ-2亞類群包括‘單豐1號’、‘合江21’，Ⅱ-3亞類群包括‘龍粳23號’、‘龍粳50’，Ⅱ-4亞類群包括‘龍粳32號’、‘龍粳13號’、‘龍粳21號’，Ⅱ-5亞類群包括‘龍粳31號’、‘龍粳45’、‘龍粳25號’、‘龍粳香1號’4個品種。Ⅲ類群共有3個品種，包括‘龍粳12號’、‘龍粳7號’、‘龍粳10號’。該類群品種由同一個單位獨家選育而成，分別在2003、1998、2000年育成審定，且以花培育種后代材料‘龍花84-106’為親本選育而成。

圖2 基于1-COP值的花培育種品種聚類

2.3 花培育種品種農藝性狀遺傳多樣性分析

以親緣系數Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ聚類品種劃分，對19個品種15個農藝性狀（表3）遺傳多樣性分析結果如表4A，僅穗粒數和蛋白質含量2個性狀遺傳方差P值為0.045、0.017達差異顯著水平，約占全部性狀13.3%，表明以親緣系數聚類劃分的品種間農藝性狀差異沒有充分呈現，有必要做進一步分析。以品種審定時間劃分，對8個組19個品種15個農藝性狀遺傳多樣性分析結果如表4B，有6個農藝性狀遺傳差異達顯著水平，約占全部性狀40.0%，其中產量、膠稠度含量、堊白度遺傳方差P值為0.000、0.006、0.006達極顯著差異水平，穗粒數、糙米率、食味品質遺傳方差P值為0.046、0.014、0.039達顯著差異水平。由偏Eta平方(η2)值大小[34]可知，農藝性狀對品種影響效應由大到小為產量(η2=0.870)＞膠稠度含量(η2=0.780)＞堊白度(η2=0.779)＞糙米率(η2=0.740)＞食味品質(η2=0.675)＞穗粒數(η2=0.664)＞穗頸瘟級別(η2=0.638)＞直鏈淀粉含量(η2=0.627)＞蛋白質含量(η2=0.617)＞穗長(η2=0.569)＞堊白粒率(η2=0.506)＞空殼率(η2=0.477)＞株高(η2=0.345)＞整精米率(η2=0.302)＞千粒重(η2=0.275)。說明不同時期育成品種的農藝性狀間遺傳變異程度表現不同，呈現出受產量遺傳變異影響最大，其次是膠稠度含量，第三是堊白度，影響最小的性狀是千粒重。

表3 花培育種品種農藝性狀平均值

表4 花培育種品種農藝性狀遺傳多樣性

對以品種審定時間劃分的遺傳變異達顯著水平農藝性狀進行多重比較分析（圖3）表明，產量a組顯著高于h、g、f、d、e、b組，但與c組差異不顯著；b組顯著高于h、g、f組，但與d、e、c組差異不顯著；d、e、f、g、h組間差異不顯著，表明花培育種品種產量性狀由h至a組遺傳增益顯著，且近10年增益更加明顯。穗粒數a組顯著多于其他7組；d、e、c、b、f、g組間差異不顯著，但顯著多于h組；h組最少，但與d、e、c、f差異不顯著，表明穗粒數近5年增加顯著，而其他時間段里相對較穩定。堊白度b組最小，與d、c組差異不顯著，與其他組差異顯著；h組最大，與g、f組間差異不顯著，但與其他組差異顯著；b、d、c組間差異不顯著，表明h至a組品種堊白度整體呈下降趨勢，但1998年以來波動較大。堊白粒率b組最小，與h組差異不顯著，與其他組差異顯著；除b組外其他組間不顯著，表明花培育種過程中堊白粒率變化幅度相對較小，且無明顯規律。膠稠度含量a、b、c組間差異不顯著，但顯著高于e、f、g、h組；a、b、c、d組間差異不顯著，d、e、f、g、h組間差異不顯著，表明h至a組品種膠稠度含量呈逐漸上升趨勢，d組成為膠稠度含量發生顯著變化的過度時期。食味品質a、b組顯著高于e、f、g、h組，a、b、c、d組間差異不顯著，c、d、e、f、g、h組間差異不顯著，表明h至a組品種食味品質呈逐漸增加趨勢，c、d組為顯著提高的過度時期。由此可知，供試品種農藝性狀遺傳變異程度不同，η2＞0.664且變異顯著的6個性狀h至a組變化規律有差別，但總體呈現向好趨勢，這是優良資源基因累加與科研選擇改良共同作用的結果。

2.4 花培育種品種農藝性狀相關性分析

對19個品種15個農藝性狀的相關性分析（表5）顯示，相關系數達顯著水平有16個，僅約占105個相關關系的1.1%。遺傳差異達顯著水平的6個農藝性狀與其他9個性狀間達到顯著相關水平的有產量與蛋白質含量正相關，膠稠度含量與堊白粒率負相關、與蛋白質含量正相關，堊白度與蛋白質含量負相關、與堊白粒率正相關，食味品質與株高、蛋白質含量負相關，蛋白質含量與堊白粒率負相關；9個性狀間達到顯著相關水平的有整精米率與糙米率正相關、與千粒重負相關，蛋白質含量與株高正相關，穗頸瘟級別與千粒重正相關。同時空殼率、直鏈淀粉含量、穗長均與其他性狀無顯著相關性。其中，產量與膠稠度含量、食味品質、蛋白質含量相關系數為0.725、-0.656、0.661，達極顯著水平，與穗粒數相關系數為0.547，達顯著水平；膠稠度含量與堊白粒率呈極顯著負相關，其系數為-0.592；蛋白質含量與堊白度呈極顯著負相關，其系數為-0.663，與堊白粒率呈顯著負相關，其系數為-0.538，食味品質與膠稠度含量呈極顯著負相關，其系數為-0.635，與株高呈顯著負相關，其系數為-0.470，表明在一定范圍內，產量越高，膠稠度含量、蛋白質含量越大，穗粒數越多，而食味品質會越差，膠稠度含量越大而堊白粒率會越小，蛋白質含量越大而堊白度、堊白粒率會越小，食味品質越高而膠稠度含量會越小。堊白粒率與堊白度相關系數為0.864，其值最大且呈極顯著正相關。整精米率與千粒重呈極顯著負相關，其系數為-0.612，說明千粒重越大，整精米率越低。整精米率與糙米率相關系數為0.481呈顯著正相關。蛋白質與膠稠度含量相關系數為0.7177呈極顯著正相關，與食味品質相關系數為-0.590呈顯著負相關，與株高相關系數為0.479呈顯著正相關，表明蛋白質含量升高食味品質會下降，株高增加蛋白質含量會增加。穗頸瘟級別與千粒重相關系數為0.469呈顯著正相關，表明穗頸瘟級別與千粒重具有同向變化趨勢。空殼率、直鏈淀粉含量、穗長均與其他性狀無顯著相關性，表明這3個遺傳性狀獨立性較強。由此可知，黑龍江花培育種品種農藝性狀間相關性達顯著水平所占比例較少，性狀間相互影響相對較小。

表5 花培育種品種農藝性狀相關系數

2.5 花培育種品種農藝性狀聚類分析

對19個品種15個農藝性狀進行聚類，在遺傳距離12時可聚類為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共3個類群（圖4），對各類群品種農藝性狀遺傳變異分析如表6。

表6 基于農藝性狀聚類的花培育種品種遺傳變異系數

圖4 基于農藝性狀值的花培育種品種聚類

Ⅰ類群共有4個品種，包括‘龍粳香1號’、‘龍粳49’、‘龍粳50’、‘龍粳52’。該類群品種于2010—2016年育成，農藝性狀變異系數平均值為17.8%，其中堊白度變異系數最大為69.7%，其次是堊白粒率為58.2%，第三位是穗頸瘟級別為54.4%，變異系數最小的3位依次為糙米率(1.1%)、食味品質(1.2%)和整精米率、膠稠度含量(2.4%)，說明該類群品種外觀品質堊白度、穗頸瘟級別級別變化較大，而加工品質糙米率、整精米率及理化品質膠稠度含量、食味品質變化較小。Ⅱ類群共有4個品種，包括‘龍粳1號’、‘龍粳3號’、‘龍粳4號’、‘龍粳7號’。該類群品種于1988—1998年育成，農藝性狀變異系數平均值為9.2%，其中變異系數較大的前3位依次為空殼率(30.5%)、穗頸瘟級別(28.6%)、堊白度(18.4%)，變異系數較小的末3位依次為膠稠度含量(0.9%)、糙米率(0.9%)、整精米率(0.9%)和食味品質(1.6%)、蛋白質含量(2.0%)，說明該類群品種空殼率、穗頸瘟級別及堊白度遺傳變異較大，膠稠度含量、糙米率、整精米率、蛋白質含量和食味品質變化較小。Ⅲ類群包括‘龍粳10號’、‘龍粳21號’、‘龍粳8號’等11個品種，品種數最多，約占總數57.9%，選育時間為1998—2019年，時間跨度也最大。該類群品種農藝性變異系數平均值為23.0%，其中堊白度為126.9%，是3個類群最大值，其次是堊白粒率(64.2%)，第三位是穗頸瘟級別(63.6%)，變異系數較小的性狀依次為整精米率(2.2%)、蛋白質含量(2.2%)和直鏈淀粉含量(3.5%)、食味品質(4.2%)，說明該類群品種堊白及穗頸瘟級別變化幅度大，而食味品質和整精米率、蛋白質含量、直鏈淀粉含量變化較小。

結合表3～4可知，Ⅰ類群中，產量、膠稠度含量、糙米率、食味品質較高及堊白度、堊白粒率、穗頸瘟級別較低等綜合性狀優良的前2位品種為‘龍粳香1號’和‘龍粳49’；Ⅱ類群中，產量、膠稠度含量、糙米率、食味品質較高及堊白度、空殼率、穗頸瘟級別較低等綜合性狀優良的前4位優良品種為‘龍粳45’、‘龍粳32號’、‘龍粳3767’和‘龍粳31號’；Ⅲ類群中，產量、膠稠度含量、糙米率、食味品質較高及堊白度、堊白粒率、穗頸瘟級別較低等綜合性狀優良前2位優良品種為‘龍粳7號’和‘龍粳4號’。

3 討論

3.1 花培育種技術的推廣與應用

單倍體育種具有加速雜種后代純合、縮短育種周期、提高選擇效率等優點，受到育種專家廣泛重視[35]。自1964年印度學者Guha在曼陀羅花藥培養中獲得單倍體植株以來，迄今為止已在200多種植物中獲得成功[36]。以小麥、水稻等作物花藥培養為代表的花培育種技術已成為生物技術應用于育種實踐的重要組成部分[37]。在本研究中，黑龍江省利用花培育種技術應用成效顯著，育成的22個粳稻品種及以其為親本育成的60個品種在各時期水稻育種與生產過程中發揮了重要作用，如2011年審定的‘龍粳31號’，創造了2012—2016年連續5年種植推廣面積全國最大的紀錄。但是，除1975年育成‘單豐1號’、‘牡花1號’外的其他20個品種均由一家單位主導育成，這與近10年來30余家科研院所、大學及企業從事并成功審定水稻品種[12]比較，花培育種技術推廣與應用任重道遠。花培方式育成粳稻品種分別約占1975、1990、2000、2010、2015年以來 419、393、349、247、161個品種總數的 5.3%、4.6%、4.0%、4.0%和2.5%，呈下降趨勢，表明該技術的實踐應用效果還有待進一步挖掘。同時，針對不同寒地粳稻基因型雜交親本花藥培養力差異大且較低、單倍體加倍率也較低的制約因素，還需在生理生化、分子機制等方面進一步探索。

3.2 花培育種品種資源的篩選與利用

農作物種質資源是品種遺傳改良的重要物質基礎[38]，遺傳多樣性是水稻種質資源評價和利用的重要研究內容[39]，了解作物表型變異遺傳基礎，篩選、分析和發掘具有優良性狀的種質資源，能夠幫助人們有效利用現有的遺傳多樣性資源提高育種效率以及促進作物產量和品質改良[40-42]。在本研究中，80%的花培育種粳稻品種是以花培育種材料為雜交親本育成，231個品種組合中僅有11個組合存在親緣關系，約占4.8%，COP小于均值約占90.9%，這些品種間遺傳差異非常大，遺傳多樣性水平非常高，與李紅宇等[16]研究黑龍江水稻品種遺傳基礎相對狹窄結果有所不同，因此明確花培育種資源系譜與親緣特點對其篩選與利用是非常必要的。親緣系數和農藝性狀值在歐氏距離24與12時，可分別聚類為3個類群，雖然2種聚類結果不同，但可以相互參考、綜合評價，按照在不同農藝性狀類群中篩選種質資源原則，結合影響品種綜合優良特性主要性狀因素，本著品種親緣系數遺傳距離聚類較遠而利于用作雜交親本的思路，篩選出‘龍粳香1號’、‘龍粳45’、‘龍粳3767’、‘龍粳7號’和‘龍粳4號’5份種質資源，作為花培育種的核心親本種質加以利用。同時，針對花培育種粳稻品種分子標記親緣系譜的研究有待進一步探索。

3.3 花培育種農藝性狀的育種目標

高產、優質、多抗是水稻育種的永恒主題[43]。水稻性狀之間關系復雜，相互制約與促進并存[44]。如何在育種中協調好這些關系，是需要深入分析和探討的重要問題[45]，也是提高育種效率的必然選擇[46]。在本研究中，8組19個品種15個農藝性狀遺傳變異程度與王海澤等[22]研究結果有所不同，但均呈現遺傳改良向好趨勢，這應該是多年來對高產、優質、多抗育種目標追求與堅持的結果，其中有6個性狀遺傳變異達顯著水平，且遺傳累加增益最大的性狀是產量，其次是膠稠度含量，第三位是堊白度，第四位是糙米率，第五位是食味品質，穗頸瘟級別、直鏈淀粉含量、蛋白質含量、穗長、堊白粒率、空殼率、株高、整精米率、千粒重等9個性狀遺傳差異達不顯著水平，這些性狀應該是今后育種要重視和不斷改良的目標。同時，農藝性狀間相關系數達顯著水平僅有16個，包括6個差異顯著水平性狀與其他9個性狀間以及9個性狀之間的顯著水平相關，約占105個相關關系1.1%，與周健等[23]研究農藝性狀間多呈顯著正相關結果不同，表明現有花培育種粳稻農藝性狀間既有較大遺傳差異，也有較強獨立性和一定的關聯性。今后黑龍江花培育種粳稻目標應該是，在穩定改善產量、膠稠度含量、穗粒數、糙米率、食味品質及堊白度等6個農藝性狀基礎上，著重提高結實率、整精米率、穗長，降低株高、堊白粒率、蛋白質含量、直鏈淀粉含量、穗頸瘟級別，穩定千粒重。同時，如何綜合考慮種植、加工和消費者等各經濟主體對品種農藝性狀的需求，采用定性與定量相結合的多育種目標優化設計研究有待進一步探索。