不同生态类群水稻MAGIC群体构建

桂毅杰 陈建民 杨绍华 陈在杰 王锋

摘 要：优异种质的创制是育种工作成败的关键。为扩大水稻亲本遗传多样性，提高重组频率，通过利用育种骨干亲本来构建水稻MAGIC群体。选择了3种典型的水稻生态类群（分别为华南地区早生快发类群Z;长江流域粗秆大穗类群D和太湖流域粳稻类群J）共48份育种骨干亲本，开展各个类群的MAGIC群体构建。结果表明：亲本在特定的环境下的产量相关性状存在显著差异，遗传多态性丰富。采用漏斗式杂交配组的方法开展亲本间和杂交种的半双列杂交，获得了138份两亲本杂交F1组合和96份4亲本杂交F1组合，为接下来的8亲本杂交配组奠定了材料基础，目标是构建3个不同生态类群的水稻MAGIC群体，以期聚合骨干亲本的优势基因来创制水稻优异种质。

关键词：水稻;MAGIC群体;生态群

中图分类号：S 511   文献标志码：A   文章编号：0253-2301（2021）04-0001-08

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2021.04.001

Construction of Rice MAGIC Population of Different Ecological Groups

GUI Yi-jie， CHEN Jian-min， YANG Shao-hua， CHEN Zai-jie， WANG Feng*

（Fujian Key Laboratory of Agricultural Genetic Engineering/Institute of Biotechnology，

Fujian Academy of Agricultural Sciences， Fuzhou， Fujian 350003， China）

Abstract： The creation of the excellent germplasm is the key to the success of breeding. In order to expand the genetic diversity of rice and improve the frequency of recombination， the rice MAGIC population was constructed by using the elite breeding lines. A total of 48 breeding backbone parents from 3 typical rice ecological groups were selected to carry out the MAGIC population construction of each group. The results showed that there were significant differences in the yield-related traits among the parents under the specific environment， and the genetic polymorphism was abundant. By using the method of funnel-shaped hybridization， the half diallel crosses between the parents and hybrids was carried out， and 138 two-parent F1 hybridized combinations and 96 four-parent F1 hybridized combinations were obtained， which laid the material foundation for the next eight-parent hybridized combinations. The goal was to construct the rice MAGIC population of 3 different ecological groups， in order to aggregate the superior alleles of the backbone parents to create the excellent rice germplasm.

Key words： Rice; MAGIC population; Ecological group

雜交选育是培育新品种的重要手段。通过两个或多个亲本间的有性杂交产生基因重组，再经过若干世代的性状分离、选择和鉴定，筛选出符合育种目标的新品种[1]。杂交育种在国内外的动植物育种中得到普遍应用且成效显著，从杂交的方式来划分，主要包括单交和多亲本复交。传统的双亲本杂交比较简单且针对单基因控制的质量性状改良效率比较高，被广大育种工作者采用。此外，广泛应用于作图群体，如F2、BC、RIL和DH等QTL定位和基因克隆。单交在带来便捷的同时，也存在缺陷。单交主要受亲本遗传背景的限制，遗传多态性不够丰富，发生重组频率比较低。而多亲本复交可以较好地解决单交的问题，原因有：（1）多亲本扩大了遗传变异度，增加了等位基因频率;（2）在群体构建过程中经历多亲本杂交及接下来的自交，杂交事件发生频次多和世代高可以增加遗传重组的频率;（3）重组频率的提高一方面可以提高遗传作图定位的精度，另一方面可以获得新类型的材料，这对作物育种具有重要的现实意义。（4）群体结构不明显，适合运用全基因组关联分析来解析复杂农艺性状。

早在20世纪70年代就有学者提出六元和八元的双列杂交系统用于自花授粉作物育种[2-3]。21世纪初，多亲本互交群体首先在小鼠上报道[4]。Colin等[5]将多亲本互交引入到作物育种领域，并提出多亲本高世代互交群体Multi-parent Advanced Generation inter-cross lines（MAGIC）概念。2009年Kover等[6]报道了植物拟南芥上的第1个MAGIC群体，接着在作物上也陆续构建了MAGIC群体，包括水稻[7]、小麦[8-9]、大麦[10]、高粱[11]、玉米[12]和棉花[13]等。国际水稻研究所[7]IRRI首先构建了水稻MAGIC群体，包括8亲本籼稻MAGIC群体、8亲本粳稻MAGIC群体和16亲本的MAGIC群体，此外还有两个4亲本的MAGIC群体并利用该群体对水稻重要农艺性状进行了QTL定位分析[14-15]。国内学者徐建龙团队[16-17]利用其中2个4亲本和1个8亲本MAGIC群体，采用关联分析定位抽穗期、株高和白叶枯病抗性QTL。华中农业大学邢永忠研究组[18-19]也构建了水稻4亲本MAGIC群体，分析了粒形，株型以及抽穗期QTL等。日本学者Ogana等[20]利用粳稻MAGIC群体结合单体型分析定位粒形QTL。综上所述，已有的水稻MAGIC群体主要用于农艺性状QTL定位，而利用不同生态类群的育种骨干亲本来构建水稻MAGIC群体的鲜有报道。本研究选择48份育种骨干亲本，代表中国典型水稻生态类群，包括华南稻区、长江流域稻区以及太湖流域粳稻亚群，用于构建不同生态类群的水稻MAGIC群体。以期通过世代选择实现将来源于多个不同亲本的优势基因聚合到同一个理想单株中。本研究对亲本两年两点的产量相关性状作统计分析，并进行各个类群亲本两两之间的半双列杂交配组，以及在此基础上完成了4亲本的杂交F1，为最终的MAGIC群体构建奠定材料基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

利用48份水稻育种骨干亲本，其中包括31份籼稻和17份粳稻品种，48份水稻材料类型及品种特性见表1。候选亲本经历多年多点的田间表型调查和考种数据的分析，选择抗病和高产，农艺性状互补的骨干亲本，按不同生态类群来开展杂交配组试验。材料均来自福建省农业遗传工程重点实验室水稻种质库。

1.2 田间试验及杂交配组

育种材料每年种两季，分别播种在福建省农业科学院生物技术研究所福州寿山基地（N26°18′、E119°28′）和福建省南繁基地三亚藤桥（N18°39′ 、E109°73′），株行距为20 cm×20 cm，田间管理参照常规大田生产方式。采用漏斗式杂交方式构建8亲本F1（G3），在此基础上通过高世代自交（6代以上）获得MAGIC群体（图 1）。

1.3 表型调查

表型调查包括生育期田间记载和收获后室内考种两部分。田间表型调查，主要包括抽穗期、株高和株叶形态观察记载;室内考种主要包括单株产量、有效分蘖数、穗长和千粒重等。具体方法参照水稻特征特性鉴定方法及标准[21]，并做适当调整。具体如下：抽穗期记录试验材料群体50%抽穗的日期;株高测量成熟期水稻植株自地面至穗顶部（不包括芒）的长度，一般量5～10株，取平均值;水稻完熟后，在群体中心收获5～10株典型株系，经

晾晒后在室内分别调查有效分蘖数（总穗数/株数）、穗长（任意选择10个稻穗测量穗颈节至穗顶间的长度，不包括芒）、单株产量（脱粒清选后总重/株数）和千粒重（随机选取1000粒发育良好的稻谷，准确称至0.01 g，3次重复）。

1.4 数据分析

本研究獲得的表型数据采用SAS University Edition（SAS Institute Inc.， Cary， NC， USA）进行统计分析。

2 结果分析

2.1 亲本产量相关性状调查及分析

目前获得48份亲本两年两点的田间表型数据，涵盖播始历期、株高、分蘖数、穗长、单株产量和千粒重等（表2）。从表2可以看出，上述农艺性状在候选骨干亲本差异显著，播始历期最长的达到112 d，是最短的（57 d）近2倍，单株产量可以达到5倍的差距。在株高方面存在明显的地域差异，寿山正季平均株高较藤桥南繁季的要高15～20 cm，这种地域差异同样表现在分蘖数上，正季较南繁季多2～3个分蘖。而遗传力相对比较大的千粒重、穗长和单株产量在2018年和2019年存在极显著差异（P<0.01）。

进一步分析了各个不同生态类群内亲本间的差异情况，3个生态类群内的千粒重差异不显著，提示千粒重遗传力强，且受环境因素影响较小。而粳稻类群在同一地点不同年份的株高上存在极显著差异（P<0.01），表现出在三亚2019年的平均株高比2018年的高6 cm，而在福州却是相反2018年比2019年的高3 cm。株高在年际间有显著变化，变化的趋势因立地条件不同而不同。

水稻产量的构成三要素：分蘖数、穗粒数和粒重。针对本试验获得两年两点的单株产量数据进行了统计回归分析，考察在特定环境下，播始历期、分蘖数和穗长、千粒重等要素对单株产量的决定系数（表3）。结果显示在单因素模型下，决定系数变异范围为9.74%～30.13%，起决定的要素分别是分蘖数和生育期（播始历期）。2018年生育期在藤桥试验点对单株产量的贡献达到22.01%，而寿山基地对单株产量起决定作用的是分蘖数，贡献率达到30.13%。在双因素模型下，除分蘖数或生育期外，还有株高和穗长对单株产量也有影响。特别是在2018年寿山基地单株产量的决定要素是分蘖数和穗长，两者的决定系数达到49.59%。粒重对单株产量的贡献不明显。

2.2 亲本的选择和杂交配组

亲本的选择是杂交配组的关键，本研究在亲本选择上主要考虑以下三点：（1）通过人工接种进行苗期稻瘟病筛查，选择抗病品种作为骨干亲本;（2）观察亲本杂交F1代是否表现杂种优势，包括基本营养生长量、产量构成要素以及合理的株叶态等农艺性状表型;（3）亲本的稻米品质，包括外观品质和蒸煮食味品质，选择整精米率高，食味品质好的作为亲本。

通过筛选获得48份骨干亲本用于构建MAGIC群体，即来自华南稻区的早生快发类群（Z群），长江流域的粗秆大穗型（D群）以及太湖流域的粳稻组群（J群）。每个生态类群选择8份生育期相近，农艺性状互补的亲本采用漏斗式两两杂交配组（图 1）。截至目前，共获得双亲本杂交F1组合138份，4亲本F1组合有96份（表4），这为接下来的8亲本MAGIC群体的构建奠定了材料基础。

3.1 构建不同生态类群的水稻MAGIC群体

MAGIC群体已广泛用于遗传育种领域，在复杂性状基因QTL精细定位和作物遗传改良上发挥传统双亲本杂交群体无法比拟的优势[22]。MAGIC群体构建亲本选择是关键，本研究选择3种典型的生态类群的育种材料作为亲本，材料创制为育种实践服务的目的突出。另外，来自同一个生态类群的材料具有一致的光温习性和基本营养型，表现在生育期上相差不大，这样更容易花期相遇便于开展田间杂交配组试验。例如本研究中选择的华南地区早生快发的Z群在两年两点的播始历期相差不超过15 d，这样很容易通过分期播种，让花期相遇，顺利开展杂交配组。

构建MAGIC群体在扩大遗传背景增加重组概率的同时，需要耗费更多的人力和物力。因为需要更多的杂交数量并要经历更多的世代，方能构建成功。也正因如此，在一开始的亲本选择上更需谨慎，除表型数据外还得考察亲本基因型，必须得结合基因型数据和表型数据，全面系统的分析亲本的优点和不足，才能优中选优，构建富有遗传变异且基因重组充分的MAGIC群体，在这样的群体中才有可能选出满足育种实际需求的优异种质。

3.2 播始歷期和分蘖数是单株产量的决定因素

两年两点的表型数据分析显示亲本的表型变异丰富，且受环境影响显著。光温资源充沛的福州正季比三亚南繁季分蘖数要多2～3个，平均株高超出15 cm，体现在单株产量上差1倍。环境通过塑造表型的差异来决定产量的变化，因此得重视环境在群体构建过程中的影响，因势利导，顺应自然。同时还得利用功能基因分子标记来追踪目标性状，评估遗传力和育种值的大小。分析基因与环境互作的效益，更好地为区域育种提供指导。

3.3 MAGIC群体在水稻育种利用上的展望

优异种质的创制是育种成败的关键。构建水稻MAGIC群体就是通过聚合各个亲本优异等位基因创造新类型种质资源，与传统的两亲本杂交遗传多态性仅局限于双亲不同，MAGIC亲本从2个变成了4个、8个甚至16个和32个。这从源头上增加了变异丰度，会产生更丰富的变异和组合，需要更大的群体来容纳（代表）丰富的多态性。在创造变异上，MAGIC群体具有无法比拟的优势。

育种的实质是创造变异并选择和固定下来。在丰富变异的大群体里，如何才能选出优异株，这是一个不小的挑战。因此要利用水稻基因组数据来帮助我们做必要的前景和背景选择，目标基因型的选择，全基因组选择。MAGIC群体带来的选择挑战将会给水稻育种方法带来革新，并为水稻新品种培育的突破提供解决方案。

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（责任编辑：柯文辉）