三系杂交水稻中杂种优势位点的发掘与简要遗传分析

王智权,唐书升,罗 鑫,王晓玲,肖宇龙,余传元

(江西省农业科学院 水稻研究所/水稻国家工程实验室,江西 南昌 330200)

IR24是三系杂交籼稻配套成功推广后普遍使用的强优势恢复系,现在生产上很多的优势恢复系都带有其血缘。因此,系统性地探析IR24的杂种优势位点的遗传机理以及杂种优势的形成基础,对三系杂交水稻的遗传育种以及种质创制或许可以提供一些有用的信息。水稻遗传育种界的学者们利用各种类型的遗传群体研究发掘了大量的水稻杂种优势位点[1-7];作者曾利用CSSL[chromosome segment substitution(CSS)lines]群体对水稻籼、粳亚种间杂种优势的遗传基础进行了粗浅的探析[8-9],利用三系不育系与IAS群体(CSS lines of IR24 as recipient parent，and Asominori as donor parent)测交后对其测交后代农艺性状杂种优势的QTL定位也进行过初步的尝试[10]。理论上,将同一籼稻恢复系的遗传背景渗入不同粳稻染色体片段的CSSL群体，然后进行杂种优势性状的研究,可以明确粳型不同染色体区段的杂种优势效应,再通过特定的遗传分析软件可以发掘分析杂种优势位点。为了更深入地探讨籼恢掺粳对提高水稻杂种优势的作用,本文用籼恢IR24渗入粳稻Asominori的65个家系的CSSL群体为父本,以赣香A和五丰A两个三系不育系为母本，分别配制了两套杂合F1群体,结合置换系分子标记图谱[11],发掘定位了三系杂交水稻产量相关性状的杂种优势位点,并作了简要的遗传分析,希望能为以后的MAS育种提供一点参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验共采用3套遗传群体,其中1套染色体片段置换系源自南京农业大学;对应2套杂种F1群体,由IAS群体各株系(父本)分别与赣香A和五丰A两个籼型不育系杂交得到的F1组合构成(简称为赣香A/IAS F1和五丰A/IAS F1群体)。

1.2 试验设计

于2015年和2016年正季在南昌试验基地种植了IAS、赣香A/IAS F1和五丰A/IAS F1共3套遗传群体；田间各置换系与对应F1代组合采取相间排列的方式种植,随机区组设计,两次重复,每小区种植2行,每行10株,每重复共种植20株,采用单苗“宽窄行”种植。田间肥、水管理同常规大田管理,及时进行病虫害防治。试验设计方法与以前发表文献[9-10]中的方法相同。

1.3 考查性状

成熟后及时取样考种。每套群体每重复分别计数中间10株单株的有效穗数,按单株有效穗数的均值对每份材料收取5个健康单株,剪收有效穗,分别装好晒干。主要考察:单株有效穗数、平均穗长、着粒密度、结实率和千粒重;考种按中国稻种资源评价标准[12]进行。

1.4 数据分析

1.4.1 中亲优势(Midparental heterosis, HMP)的计算 中亲优势的计算公式为: HMP=F1(不育系/IAS)-IAS。

1.4.2 杂种优势位点(Heterotic loci, HL)的定位 以中亲优势HMP作为杂种优势QTL检测的基准表型值,结合已有的基因型图谱[11],利用软件QTL IciMapping(由中国农业科学院作物科学研究所王建康研究员编制,可从http://www.isbreeding.net网站免费下载)检测对应杂种F1群体中表现杂种优势效应的QTL,并将所得连锁标记的加性效应值视作杂种优势的效应值。QTL的检测采用RSTEP-LRT方法[13-16]。以LOD值≥2.0为阈值来判断QTL是否存在。QTL命名遵循McCouch等[17]的方法(本文稍作调整)。

2 结果与分析

2.1 IAS群体各测交杂种F1代产量相关性状中亲优势的表型变异

从表1可以看出，赣香A和五丰A与置换系杂交后,赣香A/IAS F1和五丰A/IAS F1组合的有效穗、平均穗长、着粒密度以及千粒重各性状在群体表现上与IAS相比较具有不同程度的杂种优势,没有规律性,说明产量杂种优势的形成比较复杂。IAS杂种F1代除了结实率表现为减量的中亲优势外,其它均表现为增量的中亲优势,各性状也普遍存在双向超亲分离现象(见变异幅度)。以上结果表明,在保证单株有效穗数、千粒重的基础上,如何提高水稻籼粳亚种间组合的结实率是现今育种中应高度重视的关键问题。

表1 各不育系与置换系杂种F1代产量相关性状的杂种优势值

2.2 赣香A/IAS F1和五丰A/IAS F1组合产量相关性状中亲优势的方差分析

对两套组合产量相关性状中亲优势的平均值进行了方差分析(用F值表示),从表2可知：单株有效穗在年份之间的差异以及在组合与年份之间的互作极显著,表明单株有效穗受环境的影响比较明显,是一个不稳定的农艺性状,其遗传力比较低[8];平均穗长在年份之间差异不显著,表明平均穗长是稳定遗传的性状,其遗传力比较高[8];着粒密度在年份之间差异不显著,表明着粒密度也是稳定遗传的性状;结实率在组合、年份以及组合与年份之间互作差异均极显著,说明该性状不仅受籼粳亚种间育性不亲和的影响较大,而且受环境的影响也较明显;千粒重受环境的影响不大,其遗传力也比较高[8]。

表2 各不育系与置换系杂种F1代产量相关性状中亲优势的方差分析结果(F值)

2.3 赣香A/IAS F1和五丰A/IAS F1组合群体产量相关性状杂种优势位点的定位

从表3可知：在赣香A/IAS F1群体中,在第1、3、4、5、6、7、8、9、11、12染色体上共检测到47个QTL影响单株有效穗、平均穗长、着粒密度、结实率和千粒重等性状；位于第3、7、11染色体上的连锁标记RM5474、RM336、RM287在两年均被检测到。在单株有效穗性状中,RM5474的LOD值分别为2.51、2.32,PVE分别为7.26%、9.19%;RM336的LOD值分别为2.84、2.25,PVE分别为23.86%、12.40%;RM287的LOD值分别为2.21、2.33,PVE分别为10.03%、4.29%。在平均穗长性状中,RM5474的LOD值分别为3.46、2.16,PVE分别为17.11%、10.40%;RM336的LOD值分别为2.37、2.67,PVE分别为8.46%、17.70%;RM287的LOD值分别为2.45、2.08,PVE分别为8.57%、3.54%。在着粒密度性状中,RM5474的LOD值分别为3.90、2.54,PVE分别为16.53%、10.03%;RM336的LOD值分别为2.88、3.32,PVE分别为4.18%、3.57%;RM287的LOD值分别为2.53、3.57,PVE分别为8.84%、12.91%。在千粒重性状中,RM5474的LOD值分别为2.38、3.28,PVE分别为6.31%、10.01%;RM336的LOD值分别为2.61、3.07,PVE分别为2.81%、4.99%;RM287的LOD值分别为3.14、2.53,PVE分别为15.40%、13.71%。然而,从严格意义上讲,这些QTL效应都很微弱,在年份之间波动较大。结实率性状只在第12染色体上重复检测到了1个位点RM3331,其两年的LOD值分别为2.08和2.44,PVE分别为5.76%和15.25%。第3染色体上的RM7分别影响了单株有效穗数和着粒密度性状,第4染色体上的RM8219分别影响了平均穗长和结实率性状,第8染色体上的RM331分别影响了单株有效穗数和结实率性状。以上检测到的QTL虽然效应微弱,但均表现出一因多效。

表3 在赣香A/IAS F1群体中产量相关性状杂种优势位点的分布

从表4可知,在五丰A/IAS F1群体中,在第1、2、3、4、5、6、7、8、9、11、12染色体上共检测到53个QTL影响单株有效穗、平均穗长、着粒密度、千粒重等性状,位于第3、7、11染色体上的连锁标记RM5474、RM336、RM287在两年均被检测到。在单株有效穗性状中,RM5474的LOD值分别为2.21、2.72,PVE分别为6.27%、15.67%;RM336的LOD值分别为2.59、3.11,PVE分别为11.55%、10.50%;RM287的LOD值分别为2.35、2.67,PVE分别为6.53%、4.07%。在平均穗长性状中,RM5474的LOD值分别为2.55、2.12,PVE分别为13.91%、8.33%;RM336的LOD值分别为2.74、3.27,PVE分别为11.39%、12.71%;RM287的LOD值分别为2.65、2.18,PVE分别为6.77%、5.14%。在着粒密度性状中,RM5474的LOD值分别为2.90、2.23,PVE分别为13.83%、12.70%;RM336的LOD值分别为2.18、2.31,PVE分别为5.22%、13.26%;RM287的LOD值分别为2.28、2.66,PVE分别为5.88%、8.97%。在千粒重性状中,RM5474的LOD值分别为2.55、2.05,PVE分别为5.29%、8.13%;RM336的LOD值分别为2.68、2.23,PVE分别为6.78%、8.12%;RM287的LOD值分别为2.26、3.15,PVE分别为10.90%、11.36%。一般而言,当LOD值≥3时,检测到的QTL的可靠性高,如果能多年重复,则为稳定表达的QTL。结实率性状只在第12染色体上重复检测到了1个位点RM3331,其两年的LOD值分别为2.49和2.85,PVE分别为6.89%和9.11%。第3染色体上的RM7分别影响了单株有效穗数和着粒密度性状,第4染色体上的RM8219分别影响了平均穗长和结实率性状,第8染色体上的RM331分别影响了单株有效穗数和结实率性状。以上所有QTL的效应都不大,但均表现出一因多效。

表4 在五丰A/IAS F1群体中产量相关性状杂种优势位点的分布

对赣香A/IAS F1和五丰A/IAS F1组合群体中杂种优势的位点进行比较分析,发现：单株有效穗性状中qHPPP6和qHPPP11的连锁标记分别为RM336和RM287,它们在两套群体中都可以被检测到,但是由于受不同遗传背景的影响,其显性效应值分别为-0.21、0.77和-0.89、0.45;平均穗长性状中qHPL3、qHPL7和qHPL11在两套群体中都可以被检测到,并且显性效应值方向一致。这从侧面也能印证单株有效穗性状受环境和遗传背景的影响较大,而平均穗长性状比较稳定,受环境和遗传背景的影响较小。

3 讨论

杂种优势的遗传基础比较复杂,从本研究中可以看出,产量相关性状的杂种优势不一致,规律性不明显,可见杂种优势形成的差异性是产量杂种优势遗传基础复杂性的外在表现。各性状均存在效应相反的杂种优势位点。为了尽可能地全面发掘一些微效基因,在本研究中QTL检测所采用的LOD值比较小(LOD≥2.0),通过IAS群体与各F1群体之间的表型差异,结合已有的结实率图谱(图1),在两个群体中分别检测到53个(29个增效)和47个(25个增效)杂种优势位点影响产量构成性状杂种优势的表现。在所有检测到的QTL中,有54个增效位点,占总位点数的54%,表明将粳稻Asominori的等位基因导入籼稻IR24中能增强三系杂交F1代的杂种优势表现,因此通过籼渗粳的技术手段将含有优势基因(QTL)的粳型染色体片段导入到籼稻恢复系中,能够用来改良籼型恢复系。

本研究在生产上大面积应用的不育系五丰A的测交F1群体中检测到增量增效的杂种优势位点29个，而在本单位自主选育但应用面积较小的不育系赣香A测交F1群体中检测到增量增效的杂种优势位点25个，这是否说明含有增量杂种优势位点多的不育系在育种过程中由于更多的有利等位基因的互补,所以更容易配制出优势组合？由于数量性状位点受遗传背景的影响较大,所以在不同遗传材料中定位到的QTL效应也不尽相同。因此,本研究所定位到的杂种优势位点是否具有代表性和真实性？这还需通过其它育种材料大量的测交、更加精确的试验设计以及更加系统全面的位点分析才能加以证明。

本研究虽然检测到大量与杂种优势相关的QTL,但由于LOD值较小,QTL假阳性存在的可能性较大,比如在赣香A/CSSL F1群体中检测到的qHPL3,在两年的LOD值分别为3.46和2.16,波动较大;在着粒密度性状中的qHSD3.1,在两年的LOD值分别为3.90和2.54,可能存在假阳性;而且其中大部分的QTL在各群体中没有重演性,与前人的研究结果[18-19]类同,说明遗传背景和环境对数量性状位点的影响很大,尤其是结实率性状,方差分析表明该性状在组合、环境以及组合与环境之间互作差异均极显著,说明该性状受环境的影响较明显,因此如何提高水稻籼粳亚种间组合的结实率是水稻育种工作者们在育种过程中应考虑的关键问题;通过“籼粳架桥”等方式,通过不断回交选择,可将籼粳育性不亲和基因置换掉,这样籼粳亚种间亲和性提高,结实率增加。

在与产量密切相关的性状中,从两套群体中均检测到位于第3、7、11染色体上与分子标记RM5474、RM336、RM287密切相关的3个QTL，虽然它们的效应并不大,属于微效基因,但都表现出一因多效现象,其中第3染色体上的RM7分别影响了单株有效穗数和着粒密度性状,第4染色体上的RM8219分别影响了平均穗长和结实率性状,第8染色体上的RM331分别影响了单株有效穗数和结实率性状。这与笔者之前的研究结果[9-11]类同,这能否再次证明一因多效是杂种优势形成的原因,还需要更深入的分子生物学研究来证明。虽然这3个QTL在两套群体中都能检测到,但由于QTL检测所采用的LOD值比较小(LOD≥2.0,一般用3.0可信度更高),而且大部分的效应值均比较微弱,且在年份之间差异明显,这些QTL是否具有特异性或假阳性？所得结果是否存在环境误差或者随机误差？还需要更为精确的试验来确定。

有些QTL在不同群体中也能检测到,比如位于第8染色体上的与标记RM331紧密连锁的qPPP8,在以Asominori为背景的CSSL群体(AIS)中能够增加单株有效穗数[8]。本研究发现，在五丰A/CSSL F1群体中与标记RM331紧密连锁的qHPPP8会减少单株有效穗数,两套CSSL遗传群体(AIS和IAS)相互印证,说明任何位点都可能存在一系列的复等位基因,因此不能排除在其它水稻种质中还存在类似的效应更大的杂种优势等位基因。因此,对于水稻遗传育种而言,今后需要通过构建更多不同的遗传群体和更大的自然群体，采用更为严谨、精密有效的数量遗传统计分析软件和更加精确的试验设计,结合使用更为高效的低误差的表型鉴定方法,广泛定位与产量性状杂种优势密切相关的数量性状位点,这样可以为今后在三系杂交水稻育种中利用分子标记技术聚合增效位点以及消除减效位点,培育杂种优势强大的品种提供帮助。