利用分子标记辅助选育香软型保持系“SH101B”、不育系“SH101A”及配组分析
2019-12-13王彤曾文秀王冬翼赵国超李建粤
王彤 曾文秀 王冬翼 赵国超 李建粤
摘 要: 为了给三系杂交稻新品种选育提供优良亲本,以“嘉花1号”水稻为转育亲本,与香型软米水稻杂交,再与“嘉花1号”水稻多代回交及自交,结合分子标记辅助选育香软型水稻新品系“SH101B”.“嘉花1号”与“SH101B”水稻主要农艺性状和产量性状差异都不显著(p>0.05).“SH101B”稻米直链淀粉含量(质量分数)为10.0%,明显低于“嘉花1号”水稻(15.2%).又将“SH101B”与三系不育系水稻杂交和回交,转育获得香软型三系不育系“SH101A”,再与籼型恢复系“T201”进行配组,并对后代农艺性状、产量和稻米品质进行分析.结果显示,“SH101A×T201”组合稻米直链淀粉含量为12.8%,每亩产量达到848.1 kg(12726.4 kg·hm-2).
关键词: 香软水稻; 分子标记辅助选育; “SH101B”; “SH101A”; 杂交组合
中图分类号: S 511.037 文献标志码: A 文章编号: 1000-5137(2019)05-0550-07
Abstract: In order to provide excellent parents for breeding new cytoplasmic male sterility(CMS) line rice varieties,we developed a new rice strain,“SH101B”,by molecular marker-assisted gene pyramiding,using hybridizing between non-fragrant and non-soft rice “Jiahua No.1” with a fragrant soft rice,and backcrossing with “Jiahua No.1” rice for multi-generation,and then selfcrossing.There were no significant differences between “Jiahua No.1” and “SH101B” in main agronomic and yield traits (p>0.05).The amylose content (mass fraction) of “SH101B” rice was 10.0%,which was significantly lower than that of “Jiahua No.1” rice (15.2%).In this study,“SH101B” was crossed and backcrossed with three-line sterile line rice to obtain fragrant and soft three-line sterile line “SH101A”,which was then paired with Indica restorer line “T201”,and its offspring were analyzed for agronomic traits,yield and rice quality.The results showed that the amylose content of “SH101A×T201” rice was 12.8% and the yield reached 12726.4 kg·hm-2.
Key words: fragrant and soft rice; molecular marker assisted breeding; “SH101B”; “SH101A”; hybrid combinations
近年来,随着人们生活品质的不断提升,人们对稻米品质的要求也逐渐提高,因此相关研究越来越受到研究人员的重视[1].稻米的品质主要分为蒸煮品质、食味品质、营养品质、外观品质和加工品质,其中,食味品质是最重要的评价指标[2].稻米的食味品质受其自身直链淀粉含量(质量分数)、香味物质、胶稠度等影响[3].NELSON等[4]发现水稻蜡质基因(Wx)通过编码颗粒结合淀粉合成酶可控制直链淀粉的合成.一般而言,稻米直链淀粉含量(质量分数)小于15%,其食味品质较好[5],因此,降低稻米直链淀粉含量是提高稻米品质的主要途径之一.
香味也是稻米重要的食味品质性状之一,因此,稻米香味的研究已经成为一项至关重要的研究课题.有文献报道,在水稻8号染色体上编码甜菜碱醛脱氢酶2基因(Badh2)与水稻香味有直接联系[6].当Badh2在水稻中大量表達时,其稻米不具有香味;而当Badh2突变导致表达量下降时,水稻体内的香味物质2-乙酰-1-吡咯啉会大量积累,使稻米产生独特的香味[7-8].
改良不育系品质可提高杂交稻的米质.三系不育系(CMS)是三系杂交水稻重要亲本之一.然而对于三系杂交稻而言,改良不育系首先需要选育出优质的保持系水稻.“嘉花1号”是嘉兴市农科院采用杂交育种与花粉培养技术相结合选育的晚粳水稻,2002年和2003年在上海市水稻区域试验中平均产量8735.25 kg·hm-2(即亩产582.35 kg)[9].尽管“嘉花1号”水稻产量低于近几年新选育的常规水稻,但本文作者观察发现,“嘉花1号”具有较好的开花习性,适合转育成三系不育系.
本研究采用分子标记辅助选育技术,将香味基因和软米基因导入“嘉花1号”水稻,培育出香软型水稻新品系“SH101B”,进而选育出香软型三系不育系“SH101A”,再将不育系与籼型恢复系“T201”进行配组.开展本研究可为今后培育三系杂交水稻新品种提供优质亲本.
1 材料与方法
1.1 试验材料
本研究的试验材料分别为:1)“嘉花1号”水稻(审定编号:沪农品审水稻2003第065号);2)本课题组在选育香软型“秀水123”水稻中获得的同时含有香味基因和软米基因的中间材料“XR-123”;3)本课题组曾将三系杂交稻“寒优湘晴”母本“寒丰A”不育系与“嘉花1号”水稻杂交和回交,已转育成的“嘉花1号A”三系不育系;4)籼型恢复系水稻“T201”.
1.2 分子标记检测香味基因和软米基因
提取水稻叶片总DNA.参考许言福等[10]报道的方法进行水稻香味基因检测.水稻软米基因检测操作参照谢米雪等[11]的报道.
1.3 水稻主要农艺性状以及产量性状分析
水稻成熟时,在上海师范大学闵行区水稻种植基地分别随机取“嘉花1号”和“SH101B”水稻植株各5棵,测量株高,记录每株的有效穗数、每株总粒数和每株实粒数,计算结实率,称量千粒重和单株重.对数据進行标准方差计算,并采用t检测进行差异显著性统计分析.
在上海市浦东新区农业技术推广中心基地对“SH101A×T201”组合植株的株高、有效穗数、叶长、每穗总粒数、结实率、产量等数据进行测量.
1.4 稻米品质指标分析
取“嘉花1号”、“SH101B”水稻,以及“SH101A×T201”组合后代稻谷各500 g,送农业农村部稻米及制品质量监督及检验测试中心,进行稻米品质指标分析.
2 结果与分析
2.1 “SH101B”水稻选育过程
2011年9月,在海南将“嘉花1号”水稻作为母本,与含有香味基因和软米基因的“XR-123”水稻杂交获得F1种子.2012年3月将F1植株作为父本与“嘉花1号”水稻回交,获得BC1F1种子.2012年9月,又将BC1F1植株作为父本与“嘉花1号”水稻回交,得到BC2F1种子.在2013年3月,BC2F1植株再次与“嘉花1号”水稻回交,收获BC3F1种子.同样,在2013年9月,再次将BC3F1植株与“嘉花1号”水稻回交,得到BC4F1种子.
在每次回交前先观察回交植株,选取农艺性状接近“嘉花1号”水稻,但开花时期略早于“嘉花1号”水稻的植株取叶片,进行香味基因和软米基因检测,选择同时含有香味基因和软米基因的植株再与“嘉花1号”水稻进行回交.
2013年12月—2014年4月,在海南种植BC4F1植株,收获BC4F2种子.在2014年5—10月,在上海大量种植BC4F2植株,9月初筛选株型好、开花习性与“嘉花1号”水稻接近,但开花略早几天的单株,10月中下旬收获BC4F3种子.从2014年12月—2015年10月,分别在海南和上海对BC4F3种子进行加代繁殖.加代繁殖期间,对不同单株种植的小区进行各项农艺性状、开花时期、开花习性及成熟期的考察,于2015年9月获得各项性状稳定的后代,10月收获BC4F5种子(图1).收获自交植株种子前,也需要采用分子标记对植株进行香味基因和软米基因的检测和筛选.
2.2 “SH101A”水稻选育过程
2015年3月,从培育“SH101B”的BC4F3小区中选出同时含有香味基因和软米基因的单株,与三系不育系“嘉花1号A”水稻杂交,收获F1种子.接着依次分别在上海和海南从“SH101B”群体中选择优良单株作为转育亲本,与不育植株进行成对回交至5代,于2017年9月收获BC5F1种子,获得“SH101A”不育系(图2).
在“SH101A”不育系选育期间,结合田间观察花药、显微镜检测经碘-碘化钾染色的花粉粒,以及穗子套袋观察自交结实,保留花药不开裂,花粉粒不能染色,套袋无结实的植株.
2.3 香味基因分子标记检测
按照许言福等[10]的报道,水稻基因组DNA的扩增产物为667 bp,含有正常Badh2基因水稻的聚合酶链式反应(PCR)产物经EheⅠ内切酶酶切后,可被酶切成292 bp和375 bp 2种长度的DNA条带,而含有突变型Badh2基因水稻的PCR产物的DNA没有酶切位点,其条带大小仍为667 bp,杂合植株的条带大小为292,375,667 bp 3种长度的DNA条带.
以“青香软粳”和“嘉花1号”2种水稻分别作为香型和非香型水稻的对照,分析在培育“SH101B”和“SH101A”水稻期间的回交或自交植株.在检测过程中,对于“SH101B”回交植株条带会出现2种类型:1)同时具有292,375,667 bp 3种条带,表示Badh2基因为杂合;2)出现292 bp和375 bp 2种条带,表示植株含有正常的Badh2基因.选取同时具有3条带的植株作为父本进行回交(图3).对于“SH101B”自交植株Badh2基因检测条带会出现3种类型:1) 具有292,375,667 bp 3种条带;2) 只有667 bp 1种条带;3)有292 bp和357 bp 2种条带.这3种类型的条带分别表示Badh2基因对应的植株为杂合、纯合香型和非香型3种基因型.对于BC4F2和BC4F3植株筛选,可以保留Badh2基因呈杂合的植株,但对于BC4F4植株检测,只保留含有667 bp 1种条带的纯合香型植株(图4).
对于“SH101A”水稻转育过程中,由于父本“SH101B”含有纯合香味基因,因此,在进行第二次回交前,可先采用分子标记检测不育系,取香味基因已纯合的植株再继续与“SH101B”水稻进行回交.
2.4 软米基因分子标记检测
采用谢米雪等[11]报道的软米基因检测方法,水稻基因组DNA扩增产物为557 bp.软米水稻基因组DNA的PCR扩增产物经NlaⅢ内切酶酶切后,可被剪切为380 bp和177 bp 2种长度的DNA条带,而不含软米基因的水稻DNA由于没有酶切位点,其PCR产物不能被NlaⅢ内切酶消化,条带大小仍为557 bp.
以“青香软粳”和“嘉花1号”2种水稻分别作为软型和非软型水稻的对照,分析了在培育“SH101B”和“SH101A”水稻期间的回交或自交植株.在检测过程中,对于“SH101B”回交植株条带会出现2种类型:1)同时具有557,380,177 bp 3种条带;2)只有557 bp 1种条带.选取同时具有3种条带的植株作为父本进行回交(图5).对于“SH101B”自交植株软米基因检测条带会出现3种类型:1)同时具有557,380,177 bp 3种条带;2)只有557 bp 1种条带;3)有380 bp和177 bp 2种条带.这3种条带分别表示软米基因对应的植株为杂合、非软和纯合软米.同样,对于BC4F2和BC4F3植株检测,可以保留软米基因杂合的植株,而对于BC4F4植株,只保留含有380 bp和170 bp 2种条带的纯合软米植株(图6).
在“SH101A”水稻转育过程中,由于父本“SH101B”含有纯合软米基因,在进行第二次回交前,也可以先通过分子标记检测不育系,取软米基因已纯合的植株再继续与“SH101B”水稻进行回交.
2.5 “嘉花1号”和“SH101B”水稻主要农艺性状、产量性状及品质分析
2018年5月20日,在上海种植“嘉花1号”和“SH101B”2种水稻,大约在8月底至9月初扬花,10月中下旬成熟,总生育期为152155 d.“SH101B”水稻总生育期比“嘉花1号”水稻短23 d.“嘉花1号”和“SH101B”水稻的穗长、株高、单株有效穗数较为接近(表1).比较两者的主要产量性状发现,尽管2种水稻的每穗总粒数、每穗实粒数、结实率、千粒数、单株重等指标的统计分析结果都没有达到显著性差异(p>0.05),但“SH101B”水稻这些相应指标的平均值都高于“嘉花1号”水稻(表2).
“嘉花1号”和“SH101B”水稻稻米外观品质和食味品质检测结果如表3所示.与“嘉花1号”水稻比较,“SH101B”水稻稻米直链淀粉含量明显下降,由15.2%降为10.0%.另两项食味品质指标:碱消值和胶稠度,2种水稻之间接近或相同.“SH101B”水稻3项外观品质相比“嘉花1号”水稻都略有下降.
2.6 “SH101A”与“T201”水稻杂交组合植株主要农艺性状、产量性状及品质分析
在上海2018年5月25日种植“SH101A×T201”杂交水稻,植株于9月5日始穗,10月30日成熟,总生育期153 d.“SH101A×T201”植株穗大,茎秆粗壮,株高118 cm,穗长19 cm,上3张功能叶叶长分别为46,46,28 cm,平均每穗总粒数250.3粒,实粒数234.8粒,结实率93.8%,千粒重(质量)25.3 g,每亩有效穗数1.45×105,实际小区产量12726.4 kg·hm-2(即每亩848.1 kg).
“SH101A×T201”水稻稻谷经检测,糙米率为82.5%,精米率74.6%,整精米率63.8%,粒长5.4 mm,长宽比2.1,垩白粒率15%,堊白度3.3%,透明度2级,碱消值5.8,胶稠度78 mm,直链淀粉含量12.8%.
3 讨 论
目前已有一些关于选育香型[12-16]或较低直链淀粉含量三系不育系的报道[17-19].但是对于已培育的稻米具有香味同时直链淀粉含量约为10%的三系不育系目前还鲜有报道.本研究采用分子标记辅助筛选成功培育了同时含有香味基因和Wxmq软米基因的常规水稻,并成功转育了相应的不育系,获得了既有香味同时稻米直链淀粉含量又较低的粳型不育系水稻新品系,可为今后上海市培育优质三系杂交稻提供优质的不育系水稻亲本.
本研究使用的恢复系“T201”也是超高产三系杂交稻“浦优201”的父本[20].“浦优201”稻米直链淀粉含量为16.1%[20].将本研究培育的“SH101A”与“T201”杂交获得“SH101A×T201”组合,稻米直链淀粉含量仅为12.8%,明显低于“浦优201”.一般杂交稻米的直链淀粉含量介于两个亲本之间[21].正是由于“SH101A”不育系稻米直链淀粉含量较低,才使得“SH101A×T201”杂交组合后代稻米直链淀粉含量也相应被降低了.
“浦优201”杂交稻2012年和2013年参加上海市水稻区域试验,每亩平均单产786.1 kg.2015年参加上海市水稻生产试验,“浦优201” 每亩平均单产800.7 kg.“浦优201” 3年平均每亩产量为793.4 kg.“SH101A”与“T201”杂交的“SH101A×T201”组合,亩产为848.1 kg,也高于“浦优201”水稻.
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(责任编辑:顾浩然)