宋兆建 馮紫旖 屈天歌 呂品蒼 楊曉璐 湛明月 張獻(xiàn)華 何玉池 劉育華 蔡得田,,*

四倍體水稻回復(fù)二倍體品系的秈粳屬性鑒定和雜種優(yōu)勢利用初探

宋兆建1,*馮紫旖1屈天歌1呂品蒼1楊曉璐1湛明月1張獻(xiàn)華1何玉池1劉育華2蔡得田1,2,*

1湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 湖北武漢 430062;2武漢多倍體生物科技有限公司, 湖北武漢 430345

本研究以8個四倍體水稻回復(fù)二倍體品系為材料, 采用InDel分子標(biāo)記法鑒定其秈粳屬性; 同時以回復(fù)二倍體品系為父本, 分別與秈稻光溫敏雄性不育系培矮64S、粳稻光溫敏雄性不育系農(nóng)墾58S配制雜交組合, 進(jìn)行親本及雜種的遺傳距離及聚類分析, 考察雜種及其父本的產(chǎn)量相關(guān)性狀, 分析雜種的超父本優(yōu)勢、超標(biāo)優(yōu)勢; 另外, 對親本遺傳距離與雜種優(yōu)勢的相關(guān)性進(jìn)行分析, 探討利用親本遺傳距離預(yù)測雜種優(yōu)勢的可行性。結(jié)果表明: (1) 回復(fù)二倍體品系的秈型基因頻率分布在0.605～0.947之間, 所有品系都兼有秈稻和粳稻遺傳成分, 但秈粳成分比例各不相同。(2) 回復(fù)二倍體品系和培矮64S之間的遺傳距離在0.21～0.42之間, 回復(fù)二倍體品系和農(nóng)墾58S之間的遺傳距離在0.68～0.95之間; 秈粳屬性相同或相近的材料聚為一類, 清晰顯示了材料間的親緣關(guān)系。(3) 回復(fù)二倍體品系的雜種優(yōu)勢利用需要廣親和基因的參與, 以具有廣親和基因的培矮64S為母本配制的雜交組合在單株有效穗數(shù)、每穗總粒數(shù)和每穗實粒數(shù)方面超父本優(yōu)勢和超標(biāo)優(yōu)勢明顯; 在綜合后的單株產(chǎn)量上8個雜交組合都表現(xiàn)出超父本優(yōu)勢和超標(biāo)優(yōu)勢, 尤其是雜交組合HYP2單株產(chǎn)量超標(biāo)優(yōu)勢突出, 高達(dá)45.92%。(4) 親本遺傳距離與雜種F1的每穗總粒數(shù)和單株產(chǎn)量呈顯著正相關(guān), 說明InDel遺傳距離可以用于雜種優(yōu)勢預(yù)測。研究證實了秈粳亞種間四倍體水稻的回復(fù)二倍體品系兼有秈稻和粳稻遺傳成分, 遺傳多樣性豐富, 利用這些回復(fù)二倍體品系能夠配制出超強(qiáng)雜種優(yōu)勢組合, 為通過以秈粳中間型品系與廣親和光溫敏雄性不育系配組實現(xiàn)秈粳亞種間雜種優(yōu)勢利用提供了理論依據(jù)和參考; 同時初步證實了“以多倍體為變異載體選育回復(fù)二倍體水稻”育種途徑的可行性, 為水稻育種提供了新的思路和途徑。

水稻; 多倍體; 回復(fù)二倍體; InDel; 秈粳屬性; 遺傳距離; 雜種優(yōu)勢

隨著世界人口持續(xù)增長, 環(huán)境不斷惡化, 耕地面積不斷減少, 世界糧食短缺危機(jī)日益突顯。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織等2022年發(fā)布的《世界糧食安全和營養(yǎng)狀況》報告顯示, 2021年全球受饑餓影響的人數(shù)已達(dá)8.28億, 約占全球人口的十分之一[1]。水稻(L.)是世界三大糧食作物之一, 為全世界半數(shù)以上人口提供穩(wěn)定的食物來源[2]。據(jù)估計世界人口在2050年將達(dá)到90億, 屆時要滿足全球人口的食物和營養(yǎng)需求, 水稻產(chǎn)量至少要提高60%[3-4]。但水稻產(chǎn)量在經(jīng)歷高稈變矮稈、常規(guī)稻變雜交稻兩次巨大飛躍后, 長期未能取得重大突破, 主要原因之一在于育種親本的遺傳基礎(chǔ)狹窄[5]。稻屬()內(nèi)物種豐富, 除了亞洲栽培稻(L.)和非洲栽培稻(Steud.)兩個栽培種外, 還有20多個野生稻種[6], 這為水稻遺傳改良提供了豐富的材料基礎(chǔ)。多倍體化是植物進(jìn)化和物種形成的加速器[7], 現(xiàn)存高等植物70%以上是多倍體, 異源基因組結(jié)合和多倍體化帶來了基因組的雜合性, 基因組容量增大, 遺傳變異范圍更廣, 對不利因素具有更強(qiáng)的耐受力[8-10]; 如主要糧棉油作物小麥、棉花和油菜都是植物多倍體進(jìn)化的典范, 它們都經(jīng)歷過從二倍體向異源多倍體的演化, 不僅產(chǎn)生了豐富的遺傳多樣性, 而且產(chǎn)量大幅增加[11]。在植物進(jìn)化的啟示下, 蔡得田等提出了“利用遠(yuǎn)緣雜交和多倍體雙重優(yōu)勢選育超級稻”的育種新戰(zhàn)略, 并分為亞種間(秈稻與粳稻)、種間(栽培稻與A基因組野生稻)和基因組間(栽培稻與非A基因組野生稻)雜交和多倍體化3個實施階段[12]。第一階段中, 通過廣泛的秈粳亞種間雜交、復(fù)交選育出了多倍體減數(shù)分裂穩(wěn)定性(Polyploid Meiosis Stability, PMeS)品系, 突破了多倍體水稻的低結(jié)實率瓶頸問題[13]。以PMeS品系這一核心材料為基礎(chǔ), 目前已創(chuàng)制培育出5000余份多倍體水稻材料, 其中多個品系已接近生產(chǎn)應(yīng)用水平。在長期的多倍體水稻育種過程中, 發(fā)現(xiàn)四倍體材料偶爾會自發(fā)回復(fù)到二倍體水平, 而且這些回復(fù)二倍體多具有優(yōu)良農(nóng)藝性狀。以這一重要發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ), 后來有針對性地通過四倍體水稻的花藥培養(yǎng)或未受精子房培養(yǎng)獲得了一批具有優(yōu)良農(nóng)藝性狀的回復(fù)二倍體品系[14]。由于筆者實驗室的多倍體水稻是通過秈、粳雜交甚至栽野雜交后產(chǎn)生的, 遺傳成分復(fù)雜, 由之而來的回復(fù)二倍體品系兼有秈稻和粳稻的遺傳成分, 比普通秈稻或粳稻品種具有更廣泛的遺傳基礎(chǔ), 多樣性更加豐富。為深入了解這些回復(fù)二倍體品系的遺傳成分及利用潛力, 探討以多倍體為變異載體選育二倍體水稻新品種之育種途徑的可行性, 本研究以8個回復(fù)二倍體品系為材料, 采用InDel分子標(biāo)記法鑒定其秈粳屬性; 同時以回復(fù)二倍體品系為父本, 分別與秈稻光溫敏雄性不育系培矮64S、粳稻光溫敏雄性不育系農(nóng)墾58S配制雜交組合, 進(jìn)行親本及雜種的遺傳距離及聚類分析, 考察雜種及其父本的產(chǎn)量相關(guān)性狀, 分析雜種的超父本優(yōu)勢、超標(biāo)優(yōu)勢; 另外, 對親本遺傳距離與雜種優(yōu)勢的相關(guān)性進(jìn)行分析, 探討利用親本遺傳距離預(yù)測雜種優(yōu)勢的可行性。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

四倍體水稻回復(fù)二倍體品系: A3、T1、ST110、ST112、ST126、ST130、ST133、ST141, 其中A3、T1為PMeS品系的回復(fù)二倍體, 其余材料為9311高結(jié)實近等基因系的回復(fù)二倍體。9311高結(jié)實近等基因系是利用高結(jié)實PMeS品系HN2026-4與同源四倍體水稻9311-4雜交, 然后通過隔代回交和自交多代后獲得的具有PMeS品系的高結(jié)實性狀且其他性狀與9311-4相似的育種材料[15]。光溫敏雄性不育系: 培矮64S (PA64S, 秈型)、農(nóng)墾58S (NK58S, 粳型)。秈粳屬性鑒定對照品種: 9311、日本晴(Nipponbare)。雜交組合: 以上述8個回復(fù)二倍體品系為父本, 分別與2個不育系配制雜交組合, 共16個。雜種優(yōu)勢對照品種: 豐兩優(yōu)4號(豐39S/鹽稻4號), 是長江中下游中秈遲熟組篩選試驗對照品種, 表現(xiàn)優(yōu)良, 雜種優(yōu)勢強(qiáng)。

1.2 田間試驗

田間試驗于2021年在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料作物研究所武昌試驗基地進(jìn)行, 5月27日播種, 6月20日移栽, 采用完全隨機(jī)區(qū)組排列, 2次重復(fù), 每小區(qū)種植5行, 每行10株, 株行距16.7 cm × 30.0 cm, 單本插, 田間管理同一般大田生產(chǎn)。

1.3 農(nóng)藝性狀測定與數(shù)據(jù)統(tǒng)計

成熟期每小區(qū)取中間有代表性的植株5株, 測定其株高(cm)、單株有效穗數(shù)(個)、每穗總粒數(shù)、每穗實粒數(shù)、結(jié)實率(%)、千粒重(g)和單株產(chǎn)量(g)等。具體統(tǒng)計方法參考蓋鈞鎰“水稻主要育種性狀的記載方法和標(biāo)準(zhǔn)”進(jìn)行[19]。數(shù)據(jù)采用SPSS 25.0和Microsoft Excel 2016進(jìn)行統(tǒng)計分析。

1.4 雜種優(yōu)勢分析

分析雜種的超親優(yōu)勢和超標(biāo)優(yōu)勢, 計算公式如下: 超親優(yōu)勢(%) = (F1– HP)/HP × 100, 式中, F1為雜種1代的表現(xiàn)型值, HP為高值親本表現(xiàn)型值(本研究中為父本); 超標(biāo)優(yōu)勢(%)= (F1– CK)/CK × 100, 式中, F1為雜種1代的表現(xiàn)型值, CK為對照品種的表現(xiàn)型值。

1.5 InDel分子標(biāo)記法鑒定秈粳屬性

1.5.1 DNA提取及分子標(biāo)記引物 取待測材料及對照9311、日本晴的葉片, 每個材料3個重復(fù)。采用DNA提取試劑盒提取樣品DNA, 具體步驟按試劑盒操作說明進(jìn)行。所采用的InDel標(biāo)記參考盧寶榮等[16]、王林友等[17]研究, 在34對能有效鑒定秈稻和粳稻的引物中, 選取秈稻(粳稻)?；暂^高且相對均勻分布在水稻12條染色體上的19對引物(表1), 由南京金思瑞生物科技有限公司合成。

1.5.2 PCR擴(kuò)增及產(chǎn)物分離 PCR反應(yīng)在BIO- RAD T100 Thermal Cycler擴(kuò)增儀上進(jìn)行, 反應(yīng)體系為25 μL, 包括2.5 μL 10×buffer with KCl、2.5 μL dNTPs (2 mmol L–1)、1.5 μL MgCl2(25 mmol L–1)、1.0 μL正向引物(10 mmol L–1)、1.0 μL反向引物(10 mmol L–1)、0.5 μLDNA聚合酶(5 U μL–1)、 15 μL ddH2O和1 μL模板DNA (100 ng μL–1) (反應(yīng)試劑購于武漢齊美欣科生物技術(shù)有限公司)。PCR反應(yīng)程序為95℃ 5 min; 95℃ 30 s, 55～65℃ 30 s, 72℃ 30 s, 35個循環(huán); 72℃ 7 min, 4℃保存。擴(kuò)增產(chǎn)物用2%瓊脂糖凝膠分離, Tanon 3500R凝膠成像系統(tǒng)照相并分析電泳結(jié)果。

表1 用于秈粳屬性鑒定的19對InDel分子標(biāo)記及序列

1.5.3 基因頻率計算及秈粳屬性確定 InDel分子標(biāo)記屬于共顯性標(biāo)記, 以水稻基因圖譜測序秈稻品種9311和粳稻品種日本晴DNA的PCR電泳結(jié)果為對照, 確定各樣品DNA在不同InDel位點上的基因型。凡電泳條帶與9311一致的, 記為純合秈稻基因型(II); 凡電泳條帶與日本晴一致的, 記為純合粳稻基因型(JJ); 如果既有9311條帶又有日本晴條帶, 則記為秈粳稻雜合基因型(IJ)。根據(jù)各樣品所有InDel位點(N)上的基因型數(shù)據(jù)計算各材料的秈型和粳型等位基因頻率(), 計算公式如下:

秈型基因頻率:

粳型基因頻率:

式中,X為純合秈稻基因型(II);X為純合粳稻基因型(JJ);X為秈粳稻雜合基因型(IJ); N為所用InDel引物對的數(shù)目。根據(jù)被檢測樣品的秈型或粳型基因頻率, 參考盧寶榮等[16]的分類標(biāo)準(zhǔn)確定供試材料的秈粳屬性, 具體見表2。

表2 依據(jù)秈型(Fi)或粳型(Fj)基因頻率鑒定秈粳屬性的InDel分類標(biāo)準(zhǔn)

1.6 遺傳距離及聚類分析

InDel擴(kuò)增產(chǎn)物以“1, 2”統(tǒng)計建立數(shù)據(jù)庫。每一對InDel引物檢測一個位點, 每一條多態(tài)性帶為一個等位基因。在相同遷移位置上, 與日本晴條帶相同的記為“1”, 與9311條帶相同記為“2”, 兩條都有的記為“3”, 缺失記為“0”。每2份材料間的遺傳差異按Nei等[18]的方法求算遺傳相似系數(shù)(genetic similarity, GS)和遺傳距離(genetic distance, GD), 公式為GS = 2Mxy/(Mx+My), GD = 1 – GS, 式中Mx和My分別為X和Y兩材料的總片段數(shù), Mxy為兩材料的公共片段數(shù), 根據(jù)所得遺傳相似系數(shù), 用算術(shù)平均非加權(quán)配組法(unweighted pair-group method with arithmetic mean, UPGMA)進(jìn)行遺傳相似性聚類, 分析由NTSYS-pc2.1軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 親本及雜種的秈粳屬性鑒定

利用19對InDel分子標(biāo)記引物對供試材料進(jìn)行PCR擴(kuò)增, 根據(jù)基因頻率公式計算得到各材料的秈型基因頻率F和粳型基因頻率F, 并根據(jù)基因頻率判定各材料的秈粳屬性, 具體情況見表3。可見, PMeS品系的回復(fù)二倍體A3和T1的秈型基因頻率分別為0.658和0.605, 均為偏秈型, 但已接近中間類型; 9311高結(jié)實近等基因系的回復(fù)二倍體品系中, ST112的秈型基因頻率為0.947, 屬于典型秈稻; 其余回復(fù)二倍體的秈型頻率在0.789～0.895之間, 均屬秈稻類型; 表明回復(fù)二倍體兼有秈稻和粳稻的遺傳成分, 但秈粳成分在每個材料中所占比例不同。兩個不育系親本培矮64S和農(nóng)墾58S, 秈型基因頻率分別為0.842和0.105, 分屬秈稻和粳稻類型?；貜?fù)二倍體品系與秈型不育系培矮64S配制的雜交組合中, 4個為偏秈型, 4個為秈稻型。回復(fù)二倍體品系與粳型不育系農(nóng)墾58S配制的雜交組合中, 3個為中間類型, 5個為偏粳型。

2.2 親本遺傳距離及聚類分析

通過分子標(biāo)記檢測結(jié)果對親本之間的遺傳距離進(jìn)行分析, 結(jié)果如表4所示?？傮w來看, 母本培矮64S和父本之間的遺傳距離相對較近, 其中最大的為A3和T1, 遺傳距離分別為0.37和0.42; 而母本農(nóng)墾58S和父本之間的遺傳距離則相對較遠(yuǎn), 最小遺傳距離為0.68。這與各材料的秈粳屬性表現(xiàn)是相符的, 回復(fù)二倍體品系秈粳屬性多為秈稻或偏秈, 因此與秈型不育系培矮64S遺傳距離較近, 而與粳型不育系農(nóng)墾58S遺傳距離較遠(yuǎn)。

表3 回復(fù)二倍體品系、不育系及其雜種的秈粳屬性鑒定結(jié)果

HYP1～8分別是PA64S與A3、T1、ST110、ST112、ST126、ST130、ST133、ST141配制的雜交組合; HYN1～8分別是NK58S與A3、T1、ST110、ST112、ST126、ST130、ST133、ST141配制的雜交組合。

HYP1–8 is the hybrid combination between PA64S and A3, T1, ST110, ST112, ST126, ST130, ST133, and ST141, respectively. HYN1–8 is the hybrid combination between NK58S and A3, T1, ST110, ST112, ST126, ST130, ST133, and ST141, respectively.

表4 回復(fù)二倍體品系與不育系間的遺傳距離

根據(jù)2個品種(系)間的InDel遺傳相似系數(shù)值, 用UPGMA法進(jìn)行供試材料的遺傳相似性聚類, 回復(fù)二倍體品系與兩個不育系配制的兩套雜交組合單獨分析。聚類結(jié)果如圖1所示, A圖是回復(fù)二倍體品系、培矮64S及其雜交組合的聚類結(jié)果, 所有材料被分為I (秈稻)、II (粳稻) 2個主群。I主群又分成i (典型秈稻/秈稻)、ii (秈稻/偏秈)、iii (偏秈) 3個亞群; i亞群包括秈稻對照品種9311及9311高結(jié)實近等基因系的回復(fù)二倍體品系, ii亞群包括不育系培矮64S、回復(fù)二倍體品系與培矮64S配制的所有雜交組合, iii亞群則包括PMeS品系的回復(fù)二倍體A3和T1; II主群只有粳稻對照品種日本晴。B圖是回復(fù)二倍體品系、農(nóng)墾58S及其雜交組合的聚類結(jié)果, 所有材料被分成I (秈稻)、II (粳稻) 2個主群。I主群又分成i (典型秈稻/秈稻)、ii (偏秈) 2個亞群; II主群又分成iii (典型粳稻/粳稻)、iv (中間類型)、v (偏粳) 3個亞群; i亞群包括秈稻對照品種9311及9311高結(jié)實近等基因系的回復(fù)二倍體品系, ii亞群包括PMeS品系的回復(fù)二倍體A3和T1, iii亞群包括粳稻對照品種日本晴和不育系農(nóng)墾58S, iv亞群包括回復(fù)二倍體品系與農(nóng)墾58S配制的雜交組合HYN1、HYN2和HYN5, v亞群則包括回復(fù)二倍體品系與農(nóng)墾58S配制的其余雜交組合?？梢? 聚類結(jié)果和InDel分子標(biāo)記法的判定基本一致, 而且能更加直觀地顯示出材料間的親緣關(guān)系。

圖1 基于InDel分子標(biāo)記的遺傳相似系數(shù)聚類圖

A: 親本及雜種聚類圖(母本培矮64S); B: 親本及雜種聚類圖(母本農(nóng)墾58S)。

A: dendrogram of parents and hybrids (PA64S as female parent); B: dendrogram of parents and hybrids (NK58S as female parent).

2.3 雜種優(yōu)勢分析

各雜交組合及其父本的主要農(nóng)藝性狀統(tǒng)計結(jié)果列于表5。當(dāng)母本為培矮64S時, 雜交組合的單株有效穗數(shù)、每穗總粒數(shù)、每穗實粒數(shù)多高于父本或?qū)φ掌贩N, 結(jié)實率和千粒重多低于父本或?qū)φ掌贩N, 但所有雜交組合的單株產(chǎn)量均高于父本和對照品種。當(dāng)母本為農(nóng)墾58S時, 所有雜交組合的單株有效穗數(shù)均高于父本和對照品種, 3個雜交組合的千粒重高于父本, 但其余性狀遠(yuǎn)低于父本和對照品種; 尤其是所有雜交組合的結(jié)實率都很低, 應(yīng)該是父母本秈粳差異所造的。由于培矮64S具有廣親和基因, 而農(nóng)墾58S不具有, 說明本研究中兼有秈稻和粳稻成分的回復(fù)二倍體品系的雜種優(yōu)勢利用仍需要廣親和基因來克服秈粳雜種不育問題。由于以農(nóng)墾58S為母本配制的雜交組合結(jié)實率過低, 無產(chǎn)量優(yōu)勢, 所以本研究未對其進(jìn)行雜種優(yōu)勢分析, 僅分析了以培矮64S為母本配制雜交組合的雜種優(yōu)勢。

以培矮64S為母本配制的雜交組合產(chǎn)量相關(guān)性狀的超父本優(yōu)勢明顯。單株有效穗數(shù), 除HYP7外, 其余7個雜交組合均具有超父本優(yōu)勢; 每穗總粒數(shù)和每穗實粒數(shù), 8個雜交組合均具有超父本優(yōu)勢; 結(jié)實率, HYP6、HYP7具有超父本優(yōu)勢; 千粒重, 僅HYP5表現(xiàn)超父本優(yōu)勢; 綜合后的單株產(chǎn)量, 8個雜交組合都表現(xiàn)出超父本優(yōu)勢(表6和圖2)。

與對照豐兩優(yōu)4號相比, 多個雜交組合表現(xiàn)出很強(qiáng)的超標(biāo)優(yōu)勢。單株有效穗數(shù), 8個雜交組合都具有超標(biāo)優(yōu)勢; 每穗總粒數(shù)和每穗實粒數(shù), 除HYP4、HYP8外, 其余6個雜交組合具有超標(biāo)優(yōu)勢; 結(jié)實率, HYP6、HYP7具有超標(biāo)優(yōu)勢; 千粒重, 所有雜交組合均無超標(biāo)優(yōu)勢; 綜合后的單株產(chǎn)量, 8個雜交組合都具有超標(biāo)優(yōu)勢, 其中HYP4和HYP8超標(biāo)優(yōu)勢較低, 分別為11.72%和8.95%, 其余雜交組合都表現(xiàn)出很強(qiáng)的超標(biāo)優(yōu)勢, 特別是HYP2超標(biāo)優(yōu)勢突出, 高達(dá)45.92% (表7和圖3)。可見利用兼有秈稻和粳稻成分的四倍體水稻回復(fù)二倍體品系能夠配制出具有超強(qiáng)雜種優(yōu)勢的組合, 具有大幅度增產(chǎn)的潛力。

2.4 親本InDel遺傳距離與雜種優(yōu)勢的相關(guān)性

為探討利用親本InDel遺傳距離預(yù)測雜種優(yōu)勢的可行性, 對親本InDel遺傳距離與雜種優(yōu)勢的相關(guān)性進(jìn)行分析, 結(jié)果如表8所示。可見, 親本遺傳距離與雜種F1的每穗總粒數(shù)和單株產(chǎn)量呈顯著正相關(guān),與單株有效穗數(shù)和每穗實粒數(shù)呈不顯著正相關(guān), 與結(jié)實率和千粒重呈不顯著負(fù)相關(guān)。說明親本遺傳距離越大, 雜種優(yōu)勢在每穗總粒數(shù)和單株產(chǎn)量上的正向表現(xiàn)越顯著; 同時隨著親本遺傳距離的增大, 單株有效穗數(shù)和每穗實粒數(shù)增加、結(jié)實率和千粒重降低, 但表現(xiàn)不顯著。說明本研究中隨著親本遺傳距離的增大, 雜種優(yōu)勢主要體現(xiàn)在每穗總粒數(shù)的增加上, 最終導(dǎo)致單株產(chǎn)量的增加。同時也說明, InDel遺傳距離具有雜種優(yōu)勢預(yù)測能力。

表5 雜交組合及其父本的主要農(nóng)藝性狀

表中數(shù)據(jù)表示均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

Value represents mean ± SD. PD: period of duration; PH: plant height; EP: the effective panicle number per plant; TG: the total grain number per panicle; FG: the filled grain number per panicle; SSR: seed-setting rate; TGW: 1000-grain weight; YPP: yield per plant.

表6 各雜交組合產(chǎn)量相關(guān)性狀超父本優(yōu)勢的描述性統(tǒng)計

EP: the effective panicle number per plant; TG: the total grain number per panicle; FG: the filled grain number per panicle; SSR: seed-setting rate; TGW: 1000-grain weight; YPP: yield per plant; PDC: the number of positive dominance combinations; NDC: the number of negative dominant combinations.

圖2 雜交組合產(chǎn)量相關(guān)性狀的超父本優(yōu)勢

EP: 單株有效穗數(shù); TG: 每穗總粒數(shù); FG: 每穗實粒數(shù); SSR: 結(jié)實率; TGW: 千粒重; YPP: 單株產(chǎn)量。

EP: the effective panicle number per plant; TG: the total grain number per panicle; FG: the filled grain number per panicle; SSR: seed-setting rate; TGW: 1000-grain weight; YPP: yield per plant.

圖3 雜交組合產(chǎn)量相關(guān)性狀的超標(biāo)優(yōu)勢(對照豐兩優(yōu)4號)

EP: 單株有效穗數(shù); TG: 每穗總粒數(shù); FG: 每穗實粒數(shù); SSR: 結(jié)實率; TGW: 千粒重; YPP: 單株產(chǎn)量。

EP: the effective panicle number per plant; TG: the total grain number per panicle; FG: the filled grain number per panicle; SSR: seed-setting rate; TGW: 1000-grain weight; YPP: yield per plant.

表7 雜交組合產(chǎn)量相關(guān)性狀超標(biāo)優(yōu)勢的描述性統(tǒng)計(對照豐兩優(yōu)4號)

EP: the effective panicle number per plant; TG: the total grain number per panicle; FG: the filled grain number per panicle; SSR: seed-setting rate; TGW: 1000-grain weight; YPP: yield per plant; PDC: the number of positive dominance combinations; NDC: the number of negative dominant combinations.

表8 親本InDel遺傳距離與產(chǎn)量相關(guān)性狀雜種優(yōu)勢的相關(guān)系數(shù)

*表示在0.05概率水平(雙尾)顯著相關(guān);**表示在0.01概率水平(雙尾)顯著相關(guān)。

*and**mean significant at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. GD: genetic distance; EP: the effective panicle number per plant; TG: the total grain number per panicle; FG: the filled grain number per panicle; SSR: seed-setting rate; TGW: 1000-grain weight; YPP: yield per plant.

3 討論

3.1 四倍體水稻回復(fù)二倍體的秈粳雜種優(yōu)勢利用

秈稻(ssp.)和粳稻(ssp.)是亞洲栽培稻的兩個亞種, 二者遺傳基礎(chǔ)差異大, 秈粳亞種間雜種比品種間雜種具有更強(qiáng)大的優(yōu)勢, 增產(chǎn)潛力巨大, 是進(jìn)一步提高水稻單產(chǎn)的重要途徑[20-21]。早在1987年, 袁隆平先生就從雜種優(yōu)勢水平上, 把雜交稻育種分為品種間、亞種間和遠(yuǎn)緣雜種優(yōu)勢利用3個戰(zhàn)略發(fā)展階段[22]。但由于受到秈粳亞種間雜交不親和性的影響, 長期以來秈粳亞種間雜種優(yōu)勢在生產(chǎn)上一直沒有得到很好地應(yīng)用[23]。1982年日本學(xué)者Ikehashi和Araki發(fā)現(xiàn)廣親和基因[24], 為亞種間雜交稻選育奠定了理論基礎(chǔ), 國內(nèi)選育出了以兩優(yōu)培九、協(xié)優(yōu)9308為代表的利用部分秈粳亞種間雜種優(yōu)勢的雜交稻組合[25-26], 雜種優(yōu)勢明顯。近年來, 秈粳雜交稻育種取得了較大突破, 育種家們利用粳稻細(xì)胞質(zhì)雄性不育系與秈粳中間型廣親和恢復(fù)系配組, 選育出“甬優(yōu)”系列、“春優(yōu)”系列、“浙優(yōu)”系列等典型的秈粳亞種間雜交稻[27-30], 雜種優(yōu)勢更加明顯, 開辟了水稻秈粳亞種間雜種優(yōu)勢利用新途徑, 在生產(chǎn)上顯示出良好的發(fā)展勢頭[31]。但這種“粳不秈恢”亞種間雜交稻存在一定缺陷, 由于粳稻不育系柱頭一般不外露或外露率較低, 而且花時較遲, 而秈粳中間型廣親和恢復(fù)系往往花時較早, 二者的花時差可達(dá)1 h左右, 造成雜交制種產(chǎn)量低, 從而種子成本較高, 影響了其在生產(chǎn)上的大面積推廣應(yīng)用[31]。本研究中回復(fù)二倍體品系的秈粳屬性鑒定表明, 其秈粳屬性表現(xiàn)為偏秈型(F= 0.605～ 0.658)、秈稻(F= 0.789～0.895)或典型秈稻(F= 0.947), 所有品系兼有秈稻和粳稻的遺傳成分。利用回復(fù)二倍體品系與秈稻廣親和光溫敏雄性核不育系培矮64S配制的雜交組合, 表現(xiàn)出明顯的雜種優(yōu)勢, 所有雜交組合的單株產(chǎn)量均具有超父本優(yōu)勢和超標(biāo)優(yōu)勢, 特別是HYP2超標(biāo)優(yōu)勢突出, 高達(dá)45.92%, 增產(chǎn)幅度很大。這說明利用兼有秈稻和粳稻遺傳成分的秈粳中間型回復(fù)二倍體品系與廣親和兩系不育系能夠配制出強(qiáng)優(yōu)勢雜交組合, 實現(xiàn)秈粳亞種間雜種優(yōu)勢的利用。而且這種利用廣親和兩系不育系與秈粳中間型恢復(fù)系的配組方式, 與三系“粳不秈恢”配組方式相比, 具有配組自由、不受恢保關(guān)系限制的優(yōu)點, 并且不會存在花時不遇的問題。與利用兩系不育系和秈粳中間型廣親和恢復(fù)系的配組方式相比, 廣親和基因由不育系攜帶, 不需要將廣親和基因?qū)牖謴?fù)系, 因而恢復(fù)系選育難度更小。

雜種優(yōu)勢的大小取決于雙親的遺傳差異以及性狀互補(bǔ)等因素, 因此雜交稻雙親之間的親緣關(guān)系距離是雜種產(chǎn)生優(yōu)勢的遺傳基礎(chǔ)。理論上, 雙親的遺傳差異越大, 雜種優(yōu)勢越強(qiáng)。而親本間的遺傳差異可用遺傳距離來衡量, 因此只要能夠正確地度量親本間的遺傳差異, 就可在一定程度上預(yù)測雜種優(yōu)勢[31]。以DNA多態(tài)性為基礎(chǔ)的分子標(biāo)記技術(shù)為雜種優(yōu)勢研究提供了新手段, 可通過分子標(biāo)記確定親本間遺傳差異, 并分析遺傳差異與雜種優(yōu)勢的相關(guān)性, 進(jìn)而預(yù)測雜種優(yōu)勢。如王林友等對浙優(yōu)系列雜交稻親本InDel遺傳距離與雜種優(yōu)勢的相關(guān)性分析表明, InDel遺傳距離與單穗重、千粒重呈顯著正相關(guān), 認(rèn)為遺傳距離可用于單穗重的優(yōu)勢預(yù)測[17]。趙小燕等[32]對22份秈粳雜交稻親本InDel遺傳距離與雜種優(yōu)勢的相關(guān)性分析表明, InDel遺傳距離與每穗總粒數(shù)、每穗實粒數(shù)、單株產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān), 與單株有效穗數(shù)呈顯著正相關(guān), 認(rèn)為InDel標(biāo)記可用于預(yù)測單株產(chǎn)量的雜種優(yōu)勢。本研究對親本InDel遺傳距離與雜種優(yōu)勢的相關(guān)性分析結(jié)果則表明, 親本InDel遺傳距離與每穗總粒數(shù)、單株產(chǎn)量呈顯著正相關(guān), 說明親本遺傳距離越大, 雜種優(yōu)勢在每穗總粒數(shù)和單株產(chǎn)量上的表現(xiàn)越顯著, 也進(jìn)一步證實了利用親本InDel遺傳距離預(yù)測雜種優(yōu)勢的可行性。如本研究中的回復(fù)二倍體品系T1 (F= 0.605), 秈粳屬性已近似中間類型(秈型基因頻率0.40～0.60), 它與培矮64S的InDel遺傳距離是最遠(yuǎn)的, 二者配制的雜交組合HYP2的產(chǎn)量超標(biāo)優(yōu)勢也是最大的(45.92%)。因此,后續(xù)研究可繼續(xù)嘗試擴(kuò)大親本親緣關(guān)系距離, 利用更多類型的秈粳中間型回復(fù)二倍體品系與不同秈粳屬性的廣親和兩系不育系配組, 如秈型或偏秈型回復(fù)二倍體品系與粳型或偏粳型廣親和光溫敏雄性不育系配組, 反之粳型或偏粳型回復(fù)二倍體品系與秈型或偏秈型廣親和光溫敏雄性不育系配組, 有希望獲得更強(qiáng)的秈粳雜種優(yōu)勢。

3.2 以多倍體為變異載體選育回復(fù)二倍體水稻育種途徑的可行性展望

多倍體化是促進(jìn)植物進(jìn)化改變的重要力量[33], 研究表明幾乎所有顯花植物都經(jīng)歷過一次或多次的多倍體化事件, 這充分說明多倍體化在植物進(jìn)化和物種形成中的重要作用[34-35]。這一進(jìn)化過程主要通過不同物種間的遠(yuǎn)緣雜交和多倍體化實現(xiàn), 結(jié)果是來自不同物種的基因組聚合在一起, 由于受到“雜合性”和“多倍性”的雙重沖擊, 為了調(diào)整不同基因組之間以及核基因組與細(xì)胞質(zhì)之間的相互關(guān)系, 提高相容性水平, 異源多倍體細(xì)胞的基因組組分往往通過多種途徑在基因組內(nèi)或不同基因組之間進(jìn)行廣泛的重組, 如染色體重排(交換、易位)、基因組入侵(基因轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)座)以及核質(zhì)之間的相互作用等[33,36-37], 而經(jīng)過基因組重組之后雙方染色體在結(jié)構(gòu)和組成上都發(fā)生了改變, 這大大增加了后代的遺傳變異范圍和多樣性。基于這一原理, 在水稻育種時可以利用多倍體作為促進(jìn)基因組重組、創(chuàng)造變異的載體, 然后通過花藥培養(yǎng)或未受精子房培養(yǎng)使染色體減倍, 獲得具有豐富變異的回復(fù)二倍體材料, 進(jìn)而選育出優(yōu)良水稻新品種。

本研究中的回復(fù)二倍體水稻就來源于經(jīng)過多個秈稻與粳稻品種雜交、復(fù)交后選育出的四倍體水稻品系, 經(jīng)秈粳屬性鑒定表明, 這些回復(fù)二倍體品系兼有秈稻和粳稻遺傳成分, 而且各品系秈粳成分比例各不相同, 遺傳多樣性豐富, 綜合性狀表現(xiàn)優(yōu)良。在秈粳亞種間雜交(亞異源多倍體)水平上初步證實了“以多倍體為變異載體選育回復(fù)二倍體水稻”育種途徑的可行性。稻屬內(nèi)物種資源豐富, 20多個野生稻種的存在為栽培稻的遺傳改良提供了豐富的材料基礎(chǔ)。但目前對野生稻資源的利用都局限于二倍體水平, 即采用遠(yuǎn)緣雜交和回交的基因漸滲途徑利用野生稻的少數(shù)優(yōu)良基因, 其存在明顯的缺點和局限性: (1) 二倍體種間雜種育性低甚至不育, 產(chǎn)生可育配子的幾率低, 從而造成回交效率低; (2) 通過連續(xù)回交往往只能獲得個別性狀得到改良的新品種, 不能充分創(chuàng)造和利用遠(yuǎn)緣雜交產(chǎn)生的變異。在本研究通過秈粳亞種間雜種多倍體選育優(yōu)良回復(fù)二倍體的基礎(chǔ)上, 筆者認(rèn)為可以利用栽培稻與野生稻雜交獲得遠(yuǎn)緣雜種, 經(jīng)染色體加倍后獲得異源多倍體, 充分利用異源多倍體基因組內(nèi)或不同基因組間廣泛的重組, 將其作為促進(jìn)不同物種間染色體交換、易位、基因轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)座等重組過程的載體, 使染色體的結(jié)構(gòu)和組成發(fā)生改變, 創(chuàng)造出豐富的變異。而后, 充分利用異源多倍體產(chǎn)生的具有豐富變異的雌、雄配子, 通過花藥培養(yǎng)或未受精子房培養(yǎng)獲得兼有不同物種遺傳成分的系列回復(fù)二倍體水稻, 這些回復(fù)二倍體水稻經(jīng)歷了不同物種染色體間的重組, 大大拓寬了材料的遺傳變異范圍, 具有更加廣泛的遺傳基礎(chǔ)和更加豐富的遺傳多樣性。這一途徑可以克服目前遠(yuǎn)緣雜交和回交途徑的缺點, 首先通過遠(yuǎn)緣雜種的多倍體化, 可以明顯改善遠(yuǎn)緣雜種的育性, 由二倍體的不育變?yōu)榭捎蛴悦黠@提高, 從而可以產(chǎn)生更多的可育配子; 其次, 不是采取連續(xù)回交而是利用遠(yuǎn)緣雜種多倍體或遠(yuǎn)緣雜種多倍體后代的花藥培養(yǎng)或未受精子房培養(yǎng), 由于雜種經(jīng)過減數(shù)分裂后產(chǎn)生的配子類型理論上是無數(shù)的, 所以回復(fù)二倍體的類型也是極其豐富的, 可以選育出遠(yuǎn)比二倍體回交育種更加豐富多樣的水稻新品種, 更好地解決水稻育種親本遺傳基礎(chǔ)狹窄的問題, 為水稻育種提供了新的思路和途徑。

4 結(jié)論

研究證實了秈粳亞種間四倍體水稻的回復(fù)二倍體品系兼有秈稻和粳稻遺傳成分, 遺傳多樣性豐富, 利用這些回復(fù)二倍體品系能夠配制出超強(qiáng)雜種優(yōu)勢組合, 為通過以秈粳中間型品系與廣親和光溫敏雄性不育系配組實現(xiàn)秈粳亞種間雜種優(yōu)勢利用提供了理論依據(jù)和參考; 同時初步證實了“以多倍體為變異載體選育回復(fù)二倍體水稻”育種途徑的可行性, 為水稻育種提供了新的思路和途徑。

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attribute identification and heterosis utilization of diploid rice lines reverted from tetraploid rice

SONG Zhao-Jian1,*, FENG Zi-Yi1, QU Tian-Ge1, LYU Pin-Cang1, YANG Xiao-Lu1, ZHAN Ming-Yue1, ZHANG Xian-Hua1, HE Yu-Chi1, LIU Yu-Hua2, and CAI De-Tian1,2,*

1School of Life Sciences, Hubei University, Wuhan 430062, Hubei, China;2Wuhan Polyploid Biotechnology Co., Ltd., Wuhan 430345, Hubei, China

In this study, theattribute of eight reverted diploid lines were identified by InDel molecular marker. The hybrid combinations were made between the reverted diploid lines and photoperiod- and thermo-sensitive genic male sterile lines Peiai 64S () and Nongken 58S (), respectively. The genetic distance and cluster analysis of the parents and hybrids were carried out, the yield related traits of the hybrids and the male parents were investigated, then the over male parent heterosis and the competitive heterosis of the hybrids were analyzed. In addition, the correlation between parental genetic distance and the heterosis was analyzed to explore the feasibility of using parental genetic distance to predict heterosis. The results showed as follows: (1) Thegene frequency of the reverted diploid lines ranged from 0.605 to 0.947. All lines had bothandgenetic components, but the proportions ofandcomponents were different from each other. (2) The genetic distance between the reverted diploid lines and Pei’ai 64S were 0.21–0.42, and that between the reverted diploid lines and Nongken 58S were 0.68–0.95. The materials with the same or similarattribute were clustered together, which clearly showed the genetic relationship between the materials. (3) The heterosis utilization of the reverted diploid lines needed the participation of wide compatibility genes. The hybrid combinations made between Peiai 64S that had wide compatibility gene and the reverted diploid lines had obvious over male parent heterosis and competitive heterosis in the effective panicle number per plant, the total grain number per panicle, and the filled grain number per panicle. In the yield per plant, eight hybrid combinations all showed over male parent heterosis and competitive heterosis, especially the yield per plant of HYP2 was prominent, up to 45.92%. (4) The genetic distance of parents was significantly positively correlated with the total grain number per panicle and the yield per plant of the hybrids, indicating that the InDel genetic distance can be used for predicting heterosis. The study confirmed that the reverted diploid lines from the tetraploidsubspecies rice had bothandgenetic components, and contained abundant genetic diversity. Using the reverted diploid lines, the hybrid combinations with super heterosis could be made, which providing a theoretical basis and reference for the utilization ofsubspecies heterosis through the combination ofintermediate lines and photoperiod- and thermo-sensitive genic male sterile lines with wide compatibility genes. At the same time, we preliminarily confirmed the feasibility of the pathway “breeding new diploid rice varieties by using polyploid as the vector for creating variation”, which provided a new idea and approach for rice breeding.

rice; polyploid; reverted diploid; InDel;attribute; genetic distance; heterosis

2023-02-10;

2023-02-28.

10.3724/SP.J.1006.2023.22057

通信作者(Corresponding authors):宋兆建, E-mail: zjsong99@126.com; 蔡得田, E-mail: dtcai8866@163.com

E-mail: zjsong99@126.com

2022-09-27;

本研究由湖北省重點研發(fā)計劃項目(2020BBA032), 武漢市重大科技專項和武漢市品牌農(nóng)業(yè)發(fā)展計劃項目資助。

This study was supported by the Key Research and Development Program of Hubei Province (2020BBA032), the Major Science and Technology Project of Wuhan, and the Brand Agriculture Development Plan of Wuhan.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail//11.1809.S.20230227.1440.008.html

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