三系雜交水稻中雜種優(yōu)勢位點的發(fā)掘與簡要遺傳分析

王智權(quán),唐書升,羅 鑫,王曉玲,肖宇龍,余傳元

(江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 水稻研究所/水稻國家工程實驗室,江西 南昌 330200)

IR24是三系雜交秈稻配套成功推廣后普遍使用的強優(yōu)勢恢復(fù)系,現(xiàn)在生產(chǎn)上很多的優(yōu)勢恢復(fù)系都帶有其血緣。因此,系統(tǒng)性地探析IR24的雜種優(yōu)勢位點的遺傳機理以及雜種優(yōu)勢的形成基礎(chǔ),對三系雜交水稻的遺傳育種以及種質(zhì)創(chuàng)制或許可以提供一些有用的信息。水稻遺傳育種界的學(xué)者們利用各種類型的遺傳群體研究發(fā)掘了大量的水稻雜種優(yōu)勢位點[1-7];作者曾利用CSSL[chromosome segment substitution(CSS)lines]群體對水稻秈、粳亞種間雜種優(yōu)勢的遺傳基礎(chǔ)進行了粗淺的探析[8-9],利用三系不育系與IAS群體(CSS lines of IR24 as recipient parent，and Asominori as donor parent)測交后對其測交后代農(nóng)藝性狀雜種優(yōu)勢的QTL定位也進行過初步的嘗試[10]。理論上,將同一秈稻恢復(fù)系的遺傳背景滲入不同粳稻染色體片段的CSSL群體，然后進行雜種優(yōu)勢性狀的研究,可以明確粳型不同染色體區(qū)段的雜種優(yōu)勢效應(yīng),再通過特定的遺傳分析軟件可以發(fā)掘分析雜種優(yōu)勢位點。為了更深入地探討秈恢摻粳對提高水稻雜種優(yōu)勢的作用,本文用秈恢IR24滲入粳稻Asominori的65個家系的CSSL群體為父本,以贛香A和五豐A兩個三系不育系為母本，分別配制了兩套雜合F1群體,結(jié)合置換系分子標記圖譜[11],發(fā)掘定位了三系雜交水稻產(chǎn)量相關(guān)性狀的雜種優(yōu)勢位點,并作了簡要的遺傳分析,希望能為以后的MAS育種提供一點參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗共采用3套遺傳群體,其中1套染色體片段置換系源自南京農(nóng)業(yè)大學(xué);對應(yīng)2套雜種F1群體,由IAS群體各株系(父本)分別與贛香A和五豐A兩個秈型不育系雜交得到的F1組合構(gòu)成(簡稱為贛香A/IAS F1和五豐A/IAS F1群體)。

1.2 試驗設(shè)計

于2015年和2016年正季在南昌試驗基地種植了IAS、贛香A/IAS F1和五豐A/IAS F1共3套遺傳群體；田間各置換系與對應(yīng)F1代組合采取相間排列的方式種植,隨機區(qū)組設(shè)計,兩次重復(fù),每小區(qū)種植2行,每行10株,每重復(fù)共種植20株,采用單苗“寬窄行”種植。田間肥、水管理同常規(guī)大田管理,及時進行病蟲害防治。試驗設(shè)計方法與以前發(fā)表文獻[9-10]中的方法相同。

1.3 考查性狀

成熟后及時取樣考種。每套群體每重復(fù)分別計數(shù)中間10株單株的有效穗數(shù),按單株有效穗數(shù)的均值對每份材料收取5個健康單株,剪收有效穗,分別裝好曬干。主要考察:單株有效穗數(shù)、平均穗長、著粒密度、結(jié)實率和千粒重;考種按中國稻種資源評價標準[12]進行。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 中親優(yōu)勢(Midparental heterosis, HMP)的計算 中親優(yōu)勢的計算公式為: HMP=F1(不育系/IAS)-IAS。

1.4.2 雜種優(yōu)勢位點(Heterotic loci, HL)的定位 以中親優(yōu)勢HMP作為雜種優(yōu)勢QTL檢測的基準表型值,結(jié)合已有的基因型圖譜[11],利用軟件QTL IciMapping(由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所王建康研究員編制,可從http://www.isbreeding.net網(wǎng)站免費下載)檢測對應(yīng)雜種F1群體中表現(xiàn)雜種優(yōu)勢效應(yīng)的QTL,并將所得連鎖標記的加性效應(yīng)值視作雜種優(yōu)勢的效應(yīng)值。QTL的檢測采用RSTEP-LRT方法[13-16]。以LOD值≥2.0為閾值來判斷QTL是否存在。QTL命名遵循McCouch等[17]的方法(本文稍作調(diào)整)。

2 結(jié)果與分析

2.1 IAS群體各測交雜種F1代產(chǎn)量相關(guān)性狀中親優(yōu)勢的表型變異

從表1可以看出，贛香A和五豐A與置換系雜交后,贛香A/IAS F1和五豐A/IAS F1組合的有效穗、平均穗長、著粒密度以及千粒重各性狀在群體表現(xiàn)上與IAS相比較具有不同程度的雜種優(yōu)勢,沒有規(guī)律性,說明產(chǎn)量雜種優(yōu)勢的形成比較復(fù)雜。IAS雜種F1代除了結(jié)實率表現(xiàn)為減量的中親優(yōu)勢外,其它均表現(xiàn)為增量的中親優(yōu)勢,各性狀也普遍存在雙向超親分離現(xiàn)象(見變異幅度)。以上結(jié)果表明,在保證單株有效穗數(shù)、千粒重的基礎(chǔ)上,如何提高水稻秈粳亞種間組合的結(jié)實率是現(xiàn)今育種中應(yīng)高度重視的關(guān)鍵問題。

表1 各不育系與置換系雜種F1代產(chǎn)量相關(guān)性狀的雜種優(yōu)勢值

2.2 贛香A/IAS F1和五豐A/IAS F1組合產(chǎn)量相關(guān)性狀中親優(yōu)勢的方差分析

對兩套組合產(chǎn)量相關(guān)性狀中親優(yōu)勢的平均值進行了方差分析(用F值表示),從表2可知：單株有效穗在年份之間的差異以及在組合與年份之間的互作極顯著,表明單株有效穗受環(huán)境的影響比較明顯,是一個不穩(wěn)定的農(nóng)藝性狀,其遺傳力比較低[8];平均穗長在年份之間差異不顯著,表明平均穗長是穩(wěn)定遺傳的性狀,其遺傳力比較高[8];著粒密度在年份之間差異不顯著,表明著粒密度也是穩(wěn)定遺傳的性狀;結(jié)實率在組合、年份以及組合與年份之間互作差異均極顯著,說明該性狀不僅受秈粳亞種間育性不親和的影響較大,而且受環(huán)境的影響也較明顯;千粒重受環(huán)境的影響不大,其遺傳力也比較高[8]。

表2 各不育系與置換系雜種F1代產(chǎn)量相關(guān)性狀中親優(yōu)勢的方差分析結(jié)果(F值)

2.3 贛香A/IAS F1和五豐A/IAS F1組合群體產(chǎn)量相關(guān)性狀雜種優(yōu)勢位點的定位

從表3可知：在贛香A/IAS F1群體中,在第1、3、4、5、6、7、8、9、11、12染色體上共檢測到47個QTL影響單株有效穗、平均穗長、著粒密度、結(jié)實率和千粒重等性狀；位于第3、7、11染色體上的連鎖標記RM5474、RM336、RM287在兩年均被檢測到。在單株有效穗性狀中,RM5474的LOD值分別為2.51、2.32,PVE分別為7.26%、9.19%;RM336的LOD值分別為2.84、2.25,PVE分別為23.86%、12.40%;RM287的LOD值分別為2.21、2.33,PVE分別為10.03%、4.29%。在平均穗長性狀中,RM5474的LOD值分別為3.46、2.16,PVE分別為17.11%、10.40%;RM336的LOD值分別為2.37、2.67,PVE分別為8.46%、17.70%;RM287的LOD值分別為2.45、2.08,PVE分別為8.57%、3.54%。在著粒密度性狀中,RM5474的LOD值分別為3.90、2.54,PVE分別為16.53%、10.03%;RM336的LOD值分別為2.88、3.32,PVE分別為4.18%、3.57%;RM287的LOD值分別為2.53、3.57,PVE分別為8.84%、12.91%。在千粒重性狀中,RM5474的LOD值分別為2.38、3.28,PVE分別為6.31%、10.01%;RM336的LOD值分別為2.61、3.07,PVE分別為2.81%、4.99%;RM287的LOD值分別為3.14、2.53,PVE分別為15.40%、13.71%。然而,從嚴格意義上講,這些QTL效應(yīng)都很微弱,在年份之間波動較大。結(jié)實率性狀只在第12染色體上重復(fù)檢測到了1個位點RM3331,其兩年的LOD值分別為2.08和2.44,PVE分別為5.76%和15.25%。第3染色體上的RM7分別影響了單株有效穗數(shù)和著粒密度性狀,第4染色體上的RM8219分別影響了平均穗長和結(jié)實率性狀,第8染色體上的RM331分別影響了單株有效穗數(shù)和結(jié)實率性狀。以上檢測到的QTL雖然效應(yīng)微弱,但均表現(xiàn)出一因多效。

表3 在贛香A/IAS F1群體中產(chǎn)量相關(guān)性狀雜種優(yōu)勢位點的分布

從表4可知,在五豐A/IAS F1群體中,在第1、2、3、4、5、6、7、8、9、11、12染色體上共檢測到53個QTL影響單株有效穗、平均穗長、著粒密度、千粒重等性狀,位于第3、7、11染色體上的連鎖標記RM5474、RM336、RM287在兩年均被檢測到。在單株有效穗性狀中,RM5474的LOD值分別為2.21、2.72,PVE分別為6.27%、15.67%;RM336的LOD值分別為2.59、3.11,PVE分別為11.55%、10.50%;RM287的LOD值分別為2.35、2.67,PVE分別為6.53%、4.07%。在平均穗長性狀中,RM5474的LOD值分別為2.55、2.12,PVE分別為13.91%、8.33%;RM336的LOD值分別為2.74、3.27,PVE分別為11.39%、12.71%;RM287的LOD值分別為2.65、2.18,PVE分別為6.77%、5.14%。在著粒密度性狀中,RM5474的LOD值分別為2.90、2.23,PVE分別為13.83%、12.70%;RM336的LOD值分別為2.18、2.31,PVE分別為5.22%、13.26%;RM287的LOD值分別為2.28、2.66,PVE分別為5.88%、8.97%。在千粒重性狀中,RM5474的LOD值分別為2.55、2.05,PVE分別為5.29%、8.13%;RM336的LOD值分別為2.68、2.23,PVE分別為6.78%、8.12%;RM287的LOD值分別為2.26、3.15,PVE分別為10.90%、11.36%。一般而言,當LOD值≥3時,檢測到的QTL的可靠性高,如果能多年重復(fù),則為穩(wěn)定表達的QTL。結(jié)實率性狀只在第12染色體上重復(fù)檢測到了1個位點RM3331,其兩年的LOD值分別為2.49和2.85,PVE分別為6.89%和9.11%。第3染色體上的RM7分別影響了單株有效穗數(shù)和著粒密度性狀,第4染色體上的RM8219分別影響了平均穗長和結(jié)實率性狀,第8染色體上的RM331分別影響了單株有效穗數(shù)和結(jié)實率性狀。以上所有QTL的效應(yīng)都不大,但均表現(xiàn)出一因多效。

表4 在五豐A/IAS F1群體中產(chǎn)量相關(guān)性狀雜種優(yōu)勢位點的分布

對贛香A/IAS F1和五豐A/IAS F1組合群體中雜種優(yōu)勢的位點進行比較分析,發(fā)現(xiàn)：單株有效穗性狀中qHPPP6和qHPPP11的連鎖標記分別為RM336和RM287,它們在兩套群體中都可以被檢測到,但是由于受不同遺傳背景的影響,其顯性效應(yīng)值分別為-0.21、0.77和-0.89、0.45;平均穗長性狀中qHPL3、qHPL7和qHPL11在兩套群體中都可以被檢測到,并且顯性效應(yīng)值方向一致。這從側(cè)面也能印證單株有效穗性狀受環(huán)境和遺傳背景的影響較大,而平均穗長性狀比較穩(wěn)定,受環(huán)境和遺傳背景的影響較小。

3 討論

雜種優(yōu)勢的遺傳基礎(chǔ)比較復(fù)雜,從本研究中可以看出,產(chǎn)量相關(guān)性狀的雜種優(yōu)勢不一致,規(guī)律性不明顯,可見雜種優(yōu)勢形成的差異性是產(chǎn)量雜種優(yōu)勢遺傳基礎(chǔ)復(fù)雜性的外在表現(xiàn)。各性狀均存在效應(yīng)相反的雜種優(yōu)勢位點。為了盡可能地全面發(fā)掘一些微效基因,在本研究中QTL檢測所采用的LOD值比較小(LOD≥2.0),通過IAS群體與各F1群體之間的表型差異,結(jié)合已有的結(jié)實率圖譜(圖1),在兩個群體中分別檢測到53個(29個增效)和47個(25個增效)雜種優(yōu)勢位點影響產(chǎn)量構(gòu)成性狀雜種優(yōu)勢的表現(xiàn)。在所有檢測到的QTL中,有54個增效位點,占總位點數(shù)的54%,表明將粳稻Asominori的等位基因?qū)攵i稻IR24中能增強三系雜交F1代的雜種優(yōu)勢表現(xiàn),因此通過秈滲粳的技術(shù)手段將含有優(yōu)勢基因(QTL)的粳型染色體片段導(dǎo)入到秈稻恢復(fù)系中,能夠用來改良秈型恢復(fù)系。

本研究在生產(chǎn)上大面積應(yīng)用的不育系五豐A的測交F1群體中檢測到增量增效的雜種優(yōu)勢位點29個，而在本單位自主選育但應(yīng)用面積較小的不育系贛香A測交F1群體中檢測到增量增效的雜種優(yōu)勢位點25個，這是否說明含有增量雜種優(yōu)勢位點多的不育系在育種過程中由于更多的有利等位基因的互補,所以更容易配制出優(yōu)勢組合？由于數(shù)量性狀位點受遺傳背景的影響較大,所以在不同遺傳材料中定位到的QTL效應(yīng)也不盡相同。因此,本研究所定位到的雜種優(yōu)勢位點是否具有代表性和真實性？這還需通過其它育種材料大量的測交、更加精確的試驗設(shè)計以及更加系統(tǒng)全面的位點分析才能加以證明。

本研究雖然檢測到大量與雜種優(yōu)勢相關(guān)的QTL,但由于LOD值較小,QTL假陽性存在的可能性較大,比如在贛香A/CSSL F1群體中檢測到的qHPL3,在兩年的LOD值分別為3.46和2.16,波動較大;在著粒密度性狀中的qHSD3.1,在兩年的LOD值分別為3.90和2.54,可能存在假陽性;而且其中大部分的QTL在各群體中沒有重演性,與前人的研究結(jié)果[18-19]類同,說明遺傳背景和環(huán)境對數(shù)量性狀位點的影響很大,尤其是結(jié)實率性狀,方差分析表明該性狀在組合、環(huán)境以及組合與環(huán)境之間互作差異均極顯著,說明該性狀受環(huán)境的影響較明顯,因此如何提高水稻秈粳亞種間組合的結(jié)實率是水稻育種工作者們在育種過程中應(yīng)考慮的關(guān)鍵問題;通過“秈粳架橋”等方式,通過不斷回交選擇,可將秈粳育性不親和基因置換掉,這樣秈粳亞種間親和性提高,結(jié)實率增加。

在與產(chǎn)量密切相關(guān)的性狀中,從兩套群體中均檢測到位于第3、7、11染色體上與分子標記RM5474、RM336、RM287密切相關(guān)的3個QTL，雖然它們的效應(yīng)并不大,屬于微效基因,但都表現(xiàn)出一因多效現(xiàn)象,其中第3染色體上的RM7分別影響了單株有效穗數(shù)和著粒密度性狀,第4染色體上的RM8219分別影響了平均穗長和結(jié)實率性狀,第8染色體上的RM331分別影響了單株有效穗數(shù)和結(jié)實率性狀。這與筆者之前的研究結(jié)果[9-11]類同,這能否再次證明一因多效是雜種優(yōu)勢形成的原因,還需要更深入的分子生物學(xué)研究來證明。雖然這3個QTL在兩套群體中都能檢測到,但由于QTL檢測所采用的LOD值比較小(LOD≥2.0,一般用3.0可信度更高),而且大部分的效應(yīng)值均比較微弱,且在年份之間差異明顯,這些QTL是否具有特異性或假陽性？所得結(jié)果是否存在環(huán)境誤差或者隨機誤差？還需要更為精確的試驗來確定。

有些QTL在不同群體中也能檢測到,比如位于第8染色體上的與標記RM331緊密連鎖的qPPP8,在以Asominori為背景的CSSL群體(AIS)中能夠增加單株有效穗數(shù)[8]。本研究發(fā)現(xiàn)，在五豐A/CSSL F1群體中與標記RM331緊密連鎖的qHPPP8會減少單株有效穗數(shù),兩套CSSL遺傳群體(AIS和IAS)相互印證,說明任何位點都可能存在一系列的復(fù)等位基因,因此不能排除在其它水稻種質(zhì)中還存在類似的效應(yīng)更大的雜種優(yōu)勢等位基因。因此,對于水稻遺傳育種而言,今后需要通過構(gòu)建更多不同的遺傳群體和更大的自然群體，采用更為嚴謹、精密有效的數(shù)量遺傳統(tǒng)計分析軟件和更加精確的試驗設(shè)計,結(jié)合使用更為高效的低誤差的表型鑒定方法,廣泛定位與產(chǎn)量性狀雜種優(yōu)勢密切相關(guān)的數(shù)量性狀位點,這樣可以為今后在三系雜交水稻育種中利用分子標記技術(shù)聚合增效位點以及消除減效位點,培育雜種優(yōu)勢強大的品種提供幫助。