水稻耐储性的遗传分析及育种研究

王记林 熊玉珍 邓伟 饶淑芳 余丽琴 陈红萍

摘要：以耐储性强的籼稻二秋矮1号为材料与育种骨干亲本明恢63构建分离群体，并利用人工老化的方法鉴定群体表型。结果表明，二秋矮1号耐储的表型符合两位点互作的隐性上位遗传模型，且耐储对不耐储表型呈隐性。同时，获得了一批耐储性强的中间材料。

关键词：水稻（Oryza sativa L.）;耐储;遗传;育种

中图分类号：S511         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2018）22-0017-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.22.005           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： A segregation population derived from a cross of two indica cultivars，Erqiuai No.1 and Minghui63， which have significant differences in seed storability，was assessed， and the seed storability was identified by artificial aging protocol. The results indicated that the genetic of seed storability phenotype in Erqiuai No.1 conformed to recessive epistatic genetic model and seed storability phenotype was recessive. Furthermore，a series of breeding materials with seed storability were obtained and laid a sound foundation for rice storability breeding.

Key words： rice（Oryza sativa L.）; seed storability; genetic; breeding

水稻（Oryza sativa L.）是世界重要的農作物之一，养活了世界一半以上的人口。近几年，中国水稻总产大约在5 000亿kg，但是每年都有接近150亿kg的水稻在储藏过程中因变质、生虫等原因损失掉[1]。因此，种子的耐储性一直以来都是水稻基础研究和育种的重要方向。

研究种子耐储性的方法有自然老化和人工老化两种。拟南芥中的研究证实自然老化和人工老化在蛋白组学层面的变化不存在差异[2]。近些年来，一些新的耐储性相关位点被相继报道。例如，利用粳稻日本晴和Kasalath构建的回交重组自交系分别在第2、4和9染色体上检测到控制种子寿命的QTL（qLG-2、qLG-4和qLG-9），其中qLG-9的效应最大，且这些长寿的等位基因均来自Kasalath[3]。Lin等[4]利用N22与Nanjing35和USSR5分别构建了两个分离群体，检测到了7个耐储性位点，分别位于第1、2、5、6和9染色体上。同时，qSSn-9位点能够同时在两个分离群体中检测得到。Suzuki等[5]在LOX3位点附近分离到了一个穗萌发相关的位点qPHS3，并利用分子标记辅助选择法成功分离到了一份耐储且不易穗萌发的家系，为今后水稻耐储性育种提供了好的育种材料。同时，随着耐储性基础性研究的深入，人们对种子耐储机制的理解也更清晰。研究证实，种子自成熟收获后就开启了老化变质的过程，同时种子自身体内存在着一套延缓、阻止和修复损伤的解毒体系[6，7]。

脂质过氧化作用是种子寿命和活力的重要影响因子，其分解的中间产物会不同程度地破坏植物组织和细胞，同时最终产物如丙二醛和乙醛等物质的积累会造成细胞进一步的损伤[1，8]。LOX3编码一种脂氧合酶，抑制或者敲除LOX3在水稻胚乳中的表达能够延长种子的寿命[1，9]。研究表明，OsALDH7具有催化丙二醛、乙醛和甘油醛的活性，参与清除种子干燥过程中形成的氧化胁迫而产生的各种醛类化合物，在通过清除脂类化合物过氧化反应中产生的乙醛以维持种子活性中发挥重要作用[10]。种子中维生素E具备抗脂类氧化作用，能够显著增加种子的寿命[11]。水稻的乙醇脱氢酶和酯酶具备抗氧化的潜能，其活性与种子萌发和幼苗的生长呈正相关[12]。

DNA的修复对种子维持基因组结构的完整、萌发能力和寿命至关重要。DNA连接酶VI在植物DNA修复过程中扮演着重要的角色。拟南芥的研究证实，DNA连接酶AtLIG6和AtLIG4是种子质量和寿命的主要决定因子[13]。生理学和蛋白组学的研究证实，一些氧化还原蛋白（如谷胱甘肽相关）和病害/防卫蛋白（如DNA损伤修复/耐受性蛋白和延迟胚胎形成的蛋白）与水稻种子的耐储性相关[14]。此外，热激蛋白如番茄中的HSFA9能够提升种子的耐脱水能力，种子热激蛋白HSFA9积累量的减少能够显著降低种子寿命[15]。

本试验以耐储性强的二秋矮1号和不耐储的优势恢复系明恢63为亲本，构建F2分离群体分析耐储表型的遗传模型，并利用人工老化处理的方法辅助改良明恢63的耐储性。

1  材料与方法

1.1 试验材料

试验所用耐储材料为二秋矮1号，为笔者所在实验室利用自然老化和人工老化的方法筛选出的耐储性强的水稻资源，该材料株型直立，株高为80 cm，生育期为95 d，千粒重为19.6 g。试验以耐储性强的水稻种质二秋矮1号为母本，以不耐储的水稻育种骨干亲本明恢63为父本，构建F2分离群体，分单株收获自交种鉴定群体表型，同时鉴定双亲表型作为对照。

1.2  試验方法

1.2.1  人工老化试验方法  将收获的双亲及其衍生的F2群体单株自交种晒干，室温密封保存。一个月后，每份种子分装100粒鉴定种子的耐储性表型。采用人工老化的方法加速种子老化，具体为在温度50 ℃、相对湿度95%条件下处理84 h。人工老化处理后，依据《农作物种子检验规程》鉴定种子的发芽率。

1.2.2  明恢63耐储性改良的技术路线  改良的技术路线具体见图1。

2  结果与分析

2.1  二秋矮1号耐储性的遗传分析

经过人工老化试验处理后，两亲本的发芽率差异极显著（P<0.01），不耐储亲本明恢63的发芽率为0，耐储性强的亲本二秋矮1号的发芽率为48%（图2）。其后代F2分离群体的发芽率为0～49%，平均发芽率为14.1%，以4%为节点绘制的频率分布直方图呈现为不连续的三峰分布（图2）。结果暗示，二秋矮1号的耐储性应该为主效基因调控。

依据频率分布的拐点取值，发芽率为0～12%的单株有54株，发芽率为13%～24%的单株有24株，发芽率为25%～52%的单株有17株。通过统计分析可知，二秋矮1号的耐储表型符合9（54）∶4（24）∶3（17）的遗传比例，P值为0.06<5.78，达到极显著水平。遗传频率统计分析的结果表明，二秋矮1号的耐储表型符合双基因互作的隐性上位遗传模型，耐储对不耐储的表型呈隐性。

2.2 水稻恢复系耐储性表型的改良

明恢63是中国杂交稻广泛应用的强恢复系，具有株型好、稻米品质好、一般配合力高等优点，但是耐储性一般，不利于稻谷的储藏和种子活力的保持。依据图1中的技术路线，利用耐储性强的二秋矮1号为供体，与明恢63杂交构建F2分离群体，并通过人工老化的方式筛选到7份耐储性强的后代单株，处理后平均发芽率为44.6%。之后，以这7份耐储性强的单株为材料与明恢63回交3代，并利用人工老化的方法辅助筛选了多个耐储性强的品系。

3  讨论

加强稻谷的耐储性对于中国粮食安全和水稻生产都具有很大的现实意义。但是由于自然老化处理周期过长，严重制约了水稻耐储性新基因的发掘和利用。尽管目前对于人工老化是否能够等同于自然老化的观点尚无定论，但是利用人工老化的方法开展水稻耐储性研究已经被广泛接受。

利用的耐储性强的资源二秋矮1号无论在自然老化和人工老化方面均表现出耐储性强的特性。这一特点为后续克隆耐储基因和利用其开展水稻耐储育种提供了便利和基础。

二秋矮1号后代群体的遗传分析表明，其耐储表型符合双基因互作的隐性上位遗传模型，且耐储表型为隐性。与目前公布的研究结果相比，可以确定二秋矮1号的耐储表型受一套新的遗传机制调控，后续对两位点的克隆和机制研究都具有重大意义。

参考文献：

[1] XU H，WEI Y，ZHU Y，et al. Antisense suppression of LOX3 gene expression in rice endosperm enhances seed longevity[J].Plant Biotechnology Journal，2015，13（4）：526-539.

[2] RAJJOU L，LOVIGNY Y，GROOT S P C，et al. Proteome-wide characterization of seed aging in Arabidopsis：A comparison between artificial and natural aging protocols[J].Plant Physiology，2008，148（1）：620-641.

[3] MIURA K，LIN S，YANO M，et al. Mapping quantitative trait loci controlling seed longevity in rice（Oryza sativa L.）[J].Theoretical and Applied Genetics，2002，104（6-7）：981-986.

[4] LIN Q，WANG W，REN Y，et al. Genetic dissection of seed storability using two different populations with a same parent rice cultivar N22[J].Breeding Science，2015，65（5）：411-419.

[5] SUZUKI Y，MIURA K，SHIGEMUNE A，et al. Marker-assisted breeding of a LOX-3-null rice line with improved storability and resistance to preharvest sprouting[J].Theoretical and Applied Genetics，2015，128（7）：1421-1430.

[6] MCDONALD M B. Seed deterioration：Physiology，repair and assessment[J].Seed Science and Technology，1999，27（1）：177-237.

[7] VESELOVSKY V A，VESELOVA T V. Lipid peroxidation，carbohydrate hydrolysis，and Amadori-Maillard reaction at early stages of dry seed aging[J].Russian Journal of Plant Physiology，2012，59（6）：811-817.

[8] LOVELL M A，EHMANN W D，MATTSON M P，et al. Elevated 4-hydroxynonenal in ventricular fluid in Alzheimers disease[J].Neurobiology of Aging，1997，18（5）：457-461.

[9] MA L，ZHU F，LI Z，et al. TALEN-based mutagenesis of lipoxygenase LOX3 enhances the storage tolerance of rice（Oryza sativa）seeds[J].PLoS One，2015，10（12）：e0143877.

[10] SHIN J H，KIM S R，AN G. Rice aldehyde dehydrogenase7 is needed for seed maturation and viability[J]. Plant Physiology，2009，149：905-915.

[11] SATTLER S E，GILLILAND L U，MAGALLANES-LUNDBACK M，et al. Vitamin E is essential for seed longevity and for preventing lipid peroxidation during germination[J].The Plant Cell，2004，16（6）：1419-1432.

[12] TALAI S，SEN-MANDI S. Seed vigour-related DNA marker in rice shows homology with acetyl CoA carboxylase gene[J].Acta Physiologiae Plantarum，2010，32（1）：153-167.

[13] WATERWORTH W M，MASNAVI G，BHARDWAJ R M，et al. A plant DNA ligase is an important determinant of seed longevity[J].The Plant Journal，2010，63（5）：848-860.

[14] GAO J，FU H，ZHOU X，et al. Comparative proteomic analysis of seed embryo proteins associated with seed storability in rice （Oryza sativa L） during natural aging[J].Plant Physiology and Biochemistry，2016，103：31-44.

[15] TEJEDOR-CANO J，PRIETO-DAPENA P，ALMOGUERA C，et al. Loss of function of the HSFA9 seed longevity program[J].Plant，Cell & Environment，2010，33（8）：1408-1417.