優(yōu)異常規(guī)粳稻親本組合選配方法及其育種應(yīng)用

杜燦燦,景德道,胡慶峰,曾生元,李 闖,錢華飛,余 波,孫立亭,林添資,龔紅兵

(江蘇丘陵地區(qū)鎮(zhèn)江農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所,江蘇 句容 212400)

【研究意義】傳統(tǒng)育種主要通過(guò)育種家對(duì)親本及雜交后代的表型選擇開展品種選育工作,正確選擇組配親本是育種工作的首要問(wèn)題[1]。表型選擇需要育種家多年的經(jīng)驗(yàn)積累[2],但是經(jīng)驗(yàn)豐富的育種家也會(huì)面臨很多棘手問(wèn)題,例如2個(gè)中感稻瘟病的品種雜交后代中出現(xiàn)了中抗類型,2個(gè)產(chǎn)量相當(dāng)?shù)钠贩N雜交后代穗數(shù)不足,產(chǎn)量不達(dá)標(biāo)。另一方面,品種井噴時(shí)代可以用來(lái)作為親本的品種或者中間材料過(guò)多[3],2020年僅通過(guò)江蘇省農(nóng)作物品種試驗(yàn)審定的水稻品種就有55個(gè),此外還有許多聯(lián)合體試驗(yàn)審定品種,其中不乏有些品種可能田間表型差異互補(bǔ)、符合育種目標(biāo),但是兩者基因型同源度高,組配難以選出符合預(yù)期的突破性品種;再或者肉眼觀察兩者田間表型差異不大,但其基因型差異較大,兩者組配可能快速形成穩(wěn)定品種,但卻因肉眼表型差異無(wú)法區(qū)分而被舍棄該親本組合。這些情況大大增加了育種家親本選擇、配組難度及工作量。同時(shí)對(duì)品種的表型和基因型進(jìn)行分類,再?gòu)闹幸罁?jù)育種目標(biāo)選擇合適的優(yōu)異親本進(jìn)行組合,可以減少對(duì)育種材料的利用和配組盲目性,減少育種工作量,提高育種效率。【前人研究進(jìn)展】雜種優(yōu)勢(shì)群是指一群具有密切關(guān)系的近交系,群內(nèi)材料間的共祖程度高,而2個(gè)雜種優(yōu)勢(shì)群之間的材料共祖程度低,一般群內(nèi)自交系雜交優(yōu)勢(shì)弱,群間自交系雜交優(yōu)勢(shì)強(qiáng)[4]。該概念多用于玉米育種中,在水稻雜交育種中也有探索。1992年陳立云等[5]按照生態(tài)型對(duì)秈粳進(jìn)行了分類及組配研究。其后有學(xué)者就秈稻或者粳稻單獨(dú)進(jìn)行雜種優(yōu)勢(shì)群研究。羅小金等[6]利用SSR標(biāo)記將58份秈稻聚成3類,并通過(guò)雜種優(yōu)勢(shì)分析證明了可以利用SSR標(biāo)記劃分秈型水稻雜種優(yōu)勢(shì)群,指導(dǎo)親本選擇,提高育種效率。同樣,王勝軍等[7-8]通過(guò)2次試驗(yàn)對(duì)雜交秈稻骨干親本進(jìn)行了類群劃分,并提出了多種雜種優(yōu)勢(shì)模式。王凱[9]利用384個(gè)SNP對(duì)737份秈稻材料進(jìn)行聚類,發(fā)現(xiàn)拉丁美洲的材料是雜交秈稻育種潛在的優(yōu)勢(shì)生態(tài)群。Wang等[10]在兩項(xiàng)研究的基礎(chǔ)上,確定了熱帶秈稻種質(zhì)資源的4個(gè)雜種優(yōu)勢(shì)群體和3個(gè)有望用于熱帶雜交稻育種的雜交模式。劉煒等[11-12]通過(guò)對(duì)50份不同生態(tài)型的粳稻材料進(jìn)行雙列雜交研究,劃分出4種優(yōu)勢(shì)生態(tài)群并提出3種最佳雜種優(yōu)勢(shì)模式。但是以上這些雜種優(yōu)勢(shì)群都是在雜交稻中探索或應(yīng)用的,而本研究利用該分群思想同時(shí)借助表型和基因型指標(biāo)將常規(guī)粳稻進(jìn)行分類,用以指導(dǎo)常規(guī)粳稻親本雜交組合選配。【本研究切入點(diǎn)】盡管分子標(biāo)記輔助育種已經(jīng)應(yīng)用于水稻育種,但是一般采用單標(biāo)記或者多標(biāo)記在加代間進(jìn)行輔助選擇[13-17],而本研究從背景基因型考慮,在常規(guī)粳稻親本選擇時(shí)利用標(biāo)記基因型與表型分別作為聚類分類的指標(biāo),提供親本組合選擇組配依據(jù),以解決育種實(shí)際問(wèn)題。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】利用聚類分析對(duì)本研究選擇的34個(gè)候選親本進(jìn)行分類,在同時(shí)了解表型與基因型差異的基礎(chǔ)上按照親本選擇四大原則進(jìn)行優(yōu)異親本選配,為水稻育種提供一種優(yōu)異親本組合的選配方法。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用江蘇省育成的34個(gè)品種為試驗(yàn)材料,按生態(tài)類型分為早熟晚粳(16個(gè))、中熟晚粳(1個(gè))、遲熟中粳(5個(gè))、中熟中粳(12個(gè)),品種名稱、生態(tài)類型等具體信息見表1。

表1 試驗(yàn)材料信息

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)在江蘇丘陵地區(qū)鎮(zhèn)江農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新中心試驗(yàn)田進(jìn)行,中熟中粳、遲熟中粳播期為5月25日,中熟晚粳、早熟晚粳播期為5月15日。濕潤(rùn)育秧,30 d秧齡移栽,株距13 cm,行距25 cm,3次重復(fù),田間肥水管理按照各生態(tài)類型與試驗(yàn)田氣候正常進(jìn)行。

1.3 農(nóng)藝性狀調(diào)查

依據(jù)《植物新品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測(cè)試指南》水稻性狀表進(jìn)行農(nóng)藝性狀調(diào)查與記載。每個(gè)材料于田間調(diào)查劍葉長(zhǎng)、劍葉寬、倒二葉長(zhǎng)、倒二葉寬、芒的有無(wú)、初期芒色、后期芒色、劍葉曲度、前期穎尖色、后期穎尖色、莖稈長(zhǎng)度、莖稈粗細(xì)、莖稈莖數(shù)、劍葉角度、芒的分布、主穗長(zhǎng)度、穗立形狀、穗類型、穗抽出度、有效穗、株高等21個(gè)性狀。成熟期選擇代表性植株5株于室內(nèi)考察千粒重、二次枝梗、單株平均穗長(zhǎng)、穗總粒、穗實(shí)粒、結(jié)實(shí)率、落粒性、谷粒長(zhǎng)度、谷粒寬度、谷粒長(zhǎng)寬比、糙米長(zhǎng)度、糙米寬度、糙米長(zhǎng)寬比、胚乳類型、糙米香味等15個(gè)性狀;每個(gè)材料選取2 m2進(jìn)行人工收割、脫粒、晾曬、測(cè)產(chǎn),重復(fù)3次。

1.4 品質(zhì)性狀測(cè)定

每份材料稱取450 g,出糙后用JY7132型精米機(jī)碾成精米,計(jì)算精米率、糙米率。利用RCTA-11A型食味儀(日本佐竹公司)測(cè)定食味值、直鏈淀粉、蛋白質(zhì)和水分含量,每份樣品重復(fù)測(cè)定3次。

1.5 形態(tài)標(biāo)記數(shù)據(jù)處理

將農(nóng)藝性狀和品質(zhì)性狀作為形態(tài)標(biāo)記,利用R語(yǔ)言將各個(gè)表型性狀數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,然后計(jì)算歐幾里得距離(Euclidean),按照Ward 法(Ward.D)進(jìn)行層次聚類。

1.6 分子標(biāo)記選擇及數(shù)據(jù)處理

選擇均勻分布在水稻12條染色體上的SSR標(biāo)記41對(duì)[18],引物序列由上海生工生物技術(shù)有限公司合成。電泳結(jié)果用0/1表示,不同品種在同一標(biāo)記同一位置有擴(kuò)增條帶記為1,無(wú)條帶記為0,缺失記為9。利用Ntsys軟件的Qualitative data模塊計(jì)算品種間的遺傳相似系數(shù),然后通過(guò)該軟件的SAHN模塊按照UPGMA法進(jìn)行聚類,并繪制聚類圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于農(nóng)藝性狀的相似性分析

利用R軟件將34個(gè)品種的36個(gè)農(nóng)藝性狀作為標(biāo)記計(jì)算試驗(yàn)品種間的歐式距離,并統(tǒng)計(jì)單個(gè)品種與其它33個(gè)品種距離的最值。由表2可知,任意2個(gè)品種間的距離變幅為1.827～14.114,其中華粳5號(hào)與通粳981(14.114)的距離最大,農(nóng)藝性狀差異最明顯,親緣關(guān)系最遠(yuǎn);鎮(zhèn)稻88與鎮(zhèn)稻99的距離最小(1.827),說(shuō)明其親緣關(guān)系最近。

表2 基于農(nóng)藝性狀的試驗(yàn)品種間歐式距離最值

單一品種的農(nóng)藝性狀平均距離變幅在6.784～10.992(圖1),其中14個(gè)品種的平均距離大于總平均距離(8.236),20個(gè)品種的農(nóng)藝性狀平均距離小于總平均距離,說(shuō)明總體上大部分試驗(yàn)品種的農(nóng)藝表型比較接近,遺傳基礎(chǔ)背景比較相近。

x軸表示試驗(yàn)品種名,y軸表示試驗(yàn)品種歐式距離均值,橫線表示所有品種的總平均距離(8.236)。下同。The x-axis represents the experimental variety name, the y-axis represents the mean Euclidean distance between experimental varieties, and the horizontal line represents the total average distance of all varieties (8.236). The same as below.

2.2 基于品質(zhì)性狀的相似性分析

由表3可知,任意2個(gè)品種間的距離變幅為0.0657～10.464,其中鎮(zhèn)糯19號(hào)與淮稻9號(hào)的距離最大,品質(zhì)性狀差異最明顯;鹽稻8號(hào)與武運(yùn)粳27號(hào)的距離最小,說(shuō)明其品質(zhì)性狀最相似。

表3 基于品質(zhì)性狀的試驗(yàn)品種間歐式距離最值

單一品種的品質(zhì)平均距離變幅在2.087～8.436(圖2),其中9個(gè)品種的品質(zhì)平均距離大于總平均距離(2.947),25個(gè)品種的品質(zhì)平均距離小于總平均距離,32個(gè)品種與鎮(zhèn)糯19號(hào)的距離最大,這與試驗(yàn)品種中僅鎮(zhèn)糯19號(hào)為糯稻品種一致。說(shuō)明試驗(yàn)品種中僅有少數(shù)品種的品質(zhì)存在較大差異。

圖2 基于品質(zhì)性狀的試驗(yàn)品種間歐式距離均值Fig.2 Mean Euclidean distance between experimental varieties based on quality traits

2.3 基于SSR標(biāo)記的遺傳相似性分析

利用41對(duì)SSR引物對(duì)34個(gè)品種進(jìn)行擴(kuò)增,共獲得99個(gè)等位基因,進(jìn)一步利用該信息進(jìn)行遺傳相似性分析,結(jié)果顯示,34個(gè)品種間的遺傳相似系數(shù)在0.39～0.95,平均0.648。其中,40.46%品種的遺傳相似系數(shù)集中在0.6～0.7,8個(gè)品種的遺傳相似系數(shù)在0.9～1.0,20個(gè)品種的遺傳相似系數(shù)在0.5以下(表4)。說(shuō)明江蘇不同單位育成的品種遺傳背景仍存在不同,可以互引品種作為骨干親本,關(guān)鍵在于選出與本單位品種遺傳相似性小的品種。

表4 基于SSR標(biāo)記的品種間遺傳相似系數(shù)頻率分布

2.4 基于農(nóng)藝性狀的聚類分析

系統(tǒng)聚類樹狀圖(圖3)顯示,試驗(yàn)品種可分為三類,第一至三類分別包含18、12、4個(gè)品種,分別占試驗(yàn)品種的53%、35%、12%。其第一類多為中熟中粳(12個(gè)),第二類包含各種生態(tài)型,第三類屬于早熟晚粳類型,農(nóng)藝性狀分類與生態(tài)型不存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。由表5可知,第一類的產(chǎn)量顯著小于第二、三類,第三類的有效穗顯著小于第一、二類,第三類的株高顯著高于第一、二類,第三類的穗長(zhǎng)顯著大于第二類,第三類的每穗總粒數(shù)顯著高于第一類。說(shuō)明,三類品種在農(nóng)藝性狀上差距較大,如果選育目標(biāo)想在農(nóng)藝性狀上進(jìn)行改良,可根據(jù)差異顯著性在相應(yīng)類群間選擇。

圖3 基于36個(gè)農(nóng)藝性狀的34個(gè)品種系統(tǒng)聚類Fig.3 Cluster of 34 varieties based on 36 agronomic traits

表5 不同類群部分農(nóng)藝性狀遺傳變異分析

2.5 基于品質(zhì)性狀的聚類分析

由圖4可知,試驗(yàn)品種可聚為三類,其中第一類包含9個(gè)品種,第二類包含品種數(shù)最多,第三類僅含有1個(gè)。由表6可知,三大類群的5個(gè)品質(zhì)性狀極顯著差異,1個(gè)性狀顯著差異,6個(gè)性狀群內(nèi)變異系數(shù)較小。說(shuō)明大部分試驗(yàn)品種屬于同一類,群內(nèi)品種品質(zhì)差異不大,群間差異明顯。同一育種單位育成的品種未完全聚于一類,不同育種單位的品種存在品質(zhì)差異,同一單位育成的品種也存在品質(zhì)差異。第一、二類都含有中熟中粳稻、遲熟中粳稻、早熟晚粳稻,品質(zhì)差異與不同生態(tài)型不存在明顯關(guān)系。

圖4 基于6個(gè)品質(zhì)性狀的34個(gè)品種系統(tǒng)聚類Fig.4 Cluster of 34 varieties based on 6 quality traits

表6 不同類群品質(zhì)性狀遺傳變異分析

2.6 基于SSR標(biāo)記的聚類分析

遺傳相似系數(shù)系統(tǒng)聚類結(jié)果顯示,34個(gè)品種可聚為三類,第一類群有12個(gè)品種,包括連粳4號(hào)、寧粳4號(hào)、鹽稻11號(hào)等,多為中熟中粳類型;第二類群包含的品種最多,包括鎮(zhèn)稻18、鎮(zhèn)糯19、南粳46等16個(gè)品種,多為早熟晚粳生態(tài)型;第三類群有6個(gè)品種,分別為華粳5號(hào)、滬蘇香粳、通粳981、武育粳3號(hào)、武運(yùn)粳21號(hào)、武運(yùn)粳27號(hào),該類群包括3種生態(tài)型,其中遲熟中粳類型占一半。另外,中熟中粳對(duì)照品種徐稻3號(hào)位于第一類群,早熟晚粳對(duì)照品種武運(yùn)粳23號(hào)位于第二類群,遲熟中粳對(duì)照武運(yùn)粳27號(hào)位于第三類群(圖5),即使3個(gè)對(duì)照一一對(duì)應(yīng)稻不同類群,總體上類群與生態(tài)型的對(duì)應(yīng)關(guān)系并不明顯。

圖5 基于41個(gè)SSR標(biāo)記的34個(gè)品種聚類Fig.5 Cluster of 34 varieties based on 41 SSR markers

AMOVA分析結(jié)果表明,96.19%的遺傳變異來(lái)源于群體內(nèi),3.30%的遺傳變異來(lái)源于群體間,組群間和組群內(nèi)的差異均顯著(表7),說(shuō)明試驗(yàn)品種的遺傳分化主要來(lái)自組群內(nèi)的個(gè)體差異,但候選親本組配雜交后代的遺傳差異可以從組群間獲得。

表7 3個(gè)水稻類群的AMOVA分析

3 討 論

3.1 江蘇省粳稻品種的遺傳相似性比較

親本資源的引進(jìn)與利用在常規(guī)粳稻育種過(guò)程中至關(guān)重要,本試驗(yàn)選擇江蘇省13家育種單位的34個(gè)品種,通過(guò)對(duì)農(nóng)藝性狀、品質(zhì)形狀、基因型的相似性分析發(fā)現(xiàn),從農(nóng)藝、品質(zhì)性狀來(lái)說(shuō),近年來(lái)江蘇粳稻品種整體品質(zhì)有所提升,外觀、產(chǎn)量水平差異不大;但是從基因型來(lái)說(shuō),江蘇不同單位育成的品種遺傳背景仍存在不同,可以互引品種作為骨干親本,關(guān)鍵在于選擇出與本單位品種遺傳相似性小的品種。親本組合選擇時(shí),雙親的遺傳相似性也不是越小越好,如果雙親一個(gè)為常規(guī)粳稻,另一個(gè)為秈稻或者野生稻,兩者的遺傳距離大,遺傳相似性小,兩者組合雜交后代會(huì)嚴(yán)重分離,選出符合目標(biāo)的粳稻品系難度大,該組合形式可以用于創(chuàng)制新的種質(zhì)資源作為中間材料,不適合直接用于常規(guī)粳稻的直接選育。 因此,今后江蘇粳稻育種單位可以選擇與本單位品種遺傳相似性相對(duì)較小的品種進(jìn)行引種利用,快速選育適宜江蘇不同區(qū)域種植的粳稻品種,但是若要在某一性狀(例如抗病、抗除草劑等)實(shí)現(xiàn)突破,則需要引進(jìn)或者創(chuàng)制相應(yīng)資源。

3.2 江蘇省粳稻品種的農(nóng)藝性狀、品質(zhì)性狀、SSR標(biāo)記的聚類分析

對(duì)農(nóng)藝性狀、品質(zhì)性狀、SSR標(biāo)記聚類分析結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),不同分類指標(biāo)聚類得到的類群并不完全一樣,例如,寧粳5號(hào)、鎮(zhèn)稻15在3次聚類中分別被聚在完全不同的類群中,以農(nóng)藝性狀為分類指標(biāo)時(shí),寧粳5號(hào)被聚在第二類群,鎮(zhèn)稻15號(hào)被聚在第三類群;以品質(zhì)性狀為分類指標(biāo)時(shí),寧粳5號(hào)、鎮(zhèn)稻15被聚在第二類群;以SSR標(biāo)記為指標(biāo)時(shí),寧粳5號(hào)、鎮(zhèn)稻15被聚在第一類群。武育粳3號(hào)以農(nóng)藝性狀為分類指標(biāo)被聚在第一類群,以品質(zhì)性狀為分類指標(biāo)被聚在第一類群;以SSR標(biāo)記為指標(biāo)被聚在第三類群。另外,有11個(gè)品種聚類結(jié)果不因聚類指標(biāo)而變化,寧粳4號(hào)、連粳9號(hào)、徐稻3號(hào)、鎮(zhèn)稻99在3種指標(biāo)下3次被聚在同一類(第一類),淮稻5號(hào)、寧粳1號(hào)、南粳5055、武運(yùn)粳7號(hào)、鎮(zhèn)稻10號(hào)、鎮(zhèn)稻11號(hào)、鎮(zhèn)稻18號(hào)3次被聚在第二類群。說(shuō)明寧粳4號(hào)、連粳9號(hào)、徐稻3號(hào)、鎮(zhèn)稻99親緣關(guān)系近,不適宜互為父母本進(jìn)行雜交配組。同樣,淮稻5號(hào)、寧粳1號(hào)、南粳5055、武運(yùn)粳7號(hào)、鎮(zhèn)稻10號(hào)、鎮(zhèn)稻11號(hào)、鎮(zhèn)稻18號(hào)遺傳背景相似度高,也不適宜互為父母本進(jìn)行雜交配組。由于不同標(biāo)記指標(biāo)檢測(cè)遺傳變異的基礎(chǔ)不一樣[19],因此,用3種聚類結(jié)果結(jié)合起來(lái)對(duì)親本材料進(jìn)行分類更有利于增加親本選配的精確度,減少選配工作量。

3.3 基于多種指標(biāo)聚類法進(jìn)行常規(guī)粳稻親本選配的應(yīng)用

連粳4號(hào)、連粳7號(hào)、連粳9號(hào)、徐稻3號(hào)、淮稻9號(hào)、鹽稻8號(hào)、鹽稻11號(hào)、寧粳4號(hào)、鎮(zhèn)稻88、鎮(zhèn)稻99在農(nóng)藝性狀與SSR指標(biāo)下都被聚在第一類,且均為中熟中粳;淮稻5號(hào)、寧粳1號(hào)、南粳5055、武運(yùn)粳7號(hào)、鎮(zhèn)稻10號(hào)、鎮(zhèn)稻11號(hào)、鎮(zhèn)稻14號(hào)、鎮(zhèn)稻18號(hào)、鎮(zhèn)糯19號(hào)在農(nóng)藝性狀與SSR指標(biāo)下都被聚在第二類,除淮稻5號(hào)外都為早熟晚粳。在這兩類品種中選擇品種作為親本,符合性狀互補(bǔ)、遺傳差異性、適應(yīng)性、配合力四大親本選育原則,配組產(chǎn)生的F2代的生育期、粒型、穗型等變異范圍更廣,而且更易選出株高、品質(zhì)等符合國(guó)標(biāo)要求的株系。本研究利用該方法指導(dǎo)親本選擇雜交組配,在鎮(zhèn)稻18號(hào)與鹽稻11號(hào)組合中,選育出大量?jī)?yōu)異中間材料,同時(shí)育成了不同生態(tài)型新品種[鎮(zhèn)稻23號(hào)(蘇審稻20200008)、鎮(zhèn)稻32號(hào)(蘇審稻20210010)、鎮(zhèn)稻33號(hào)(蘇審稻20210050)],并實(shí)現(xiàn)品種轉(zhuǎn)讓。因此,對(duì)水稻品種進(jìn)行表型和基因型分類后再進(jìn)行親本選配可以有效提高育種效率。另外,張良韜等[20]通過(guò)對(duì)福建省推廣雜交秈稻品種和淘汰組合親本聚類發(fā)現(xiàn),推廣品種的雙親均在不同類群,淘汰組合雙親多在同一類群。這與本研究提出在試驗(yàn)品種的第一類與第二類中選擇常規(guī)粳稻親本更高效選育品種結(jié)論一致。Taddesse等[21]對(duì)79個(gè)水稻種質(zhì)的多樣性和稻瘟病抗性研究發(fā)現(xiàn),79個(gè)種質(zhì)可分為兩類(秈型和粳型),為避免雜交育種中出現(xiàn)秈粳間雜交不育,可以在同一DNA群中選擇理想的親本種質(zhì);同時(shí)指出育種家應(yīng)該利用A群中的高抗種質(zhì)改良農(nóng)民偏愛的地方品種稻瘟病抗性,該研究也說(shuō)明分群可以有效提高親本組合選配效率。

4 結(jié) 論

江蘇育成的36個(gè)粳稻品種類群間差異顯著,遺傳背景仍存在不同,可以互引品種作為骨干親本,關(guān)鍵在于選出與本單位品種遺傳相似性小的品種。同一組合來(lái)源品種(鎮(zhèn)稻23號(hào)、鎮(zhèn)稻32號(hào)、鎮(zhèn)稻33號(hào))的成功選育,說(shuō)明同時(shí)對(duì)品種的表型和基因型進(jìn)行分類,再?gòu)闹幸罁?jù)育種目標(biāo)選擇合適的優(yōu)異親本進(jìn)行組合,可以減少育種工作量,提高育種效率,是快速選育新品種的有效途徑。