四倍体水稻回复二倍体品系的籼粳属性鉴定和杂种优势利用初探

2023-06-09宋兆建冯紫旖屈天歌吕品苍杨晓璐湛明月张献华何玉池刘育华蔡得田

作物学报 2023年8期

宋兆建冯紫旖屈天歌吕品苍杨晓璐湛明月张献华何玉池刘育华蔡得田,,*

宋兆建1,*冯紫旖1屈天歌1吕品苍1杨晓璐1湛明月1张献华1何玉池1刘育华2蔡得田1,2,*

1湖北大学生命科学学院, 湖北武汉 430062;2武汉多倍体生物科技有限公司, 湖北武汉 430345

本研究以8个四倍体水稻回复二倍体品系为材料, 采用InDel分子标记法鉴定其籼粳属性; 同时以回复二倍体品系为父本, 分别与籼稻光温敏雄性不育系培矮64S、粳稻光温敏雄性不育系农垦58S配制杂交组合, 进行亲本及杂种的遗传距离及聚类分析, 考察杂种及其父本的产量相关性状, 分析杂种的超父本优势、超标优势; 另外, 对亲本遗传距离与杂种优势的相关性进行分析, 探讨利用亲本遗传距离预测杂种优势的可行性。结果表明: (1) 回复二倍体品系的籼型基因频率分布在0.605～0.947之间, 所有品系都兼有籼稻和粳稻遗传成分, 但籼粳成分比例各不相同。(2) 回复二倍体品系和培矮64S之间的遗传距离在0.21～0.42之间, 回复二倍体品系和农垦58S之间的遗传距离在0.68～0.95之间; 籼粳属性相同或相近的材料聚为一类, 清晰显示了材料间的亲缘关系。(3) 回复二倍体品系的杂种优势利用需要广亲和基因的参与, 以具有广亲和基因的培矮64S为母本配制的杂交组合在单株有效穗数、每穗总粒数和每穗实粒数方面超父本优势和超标优势明显; 在综合后的单株产量上8个杂交组合都表现出超父本优势和超标优势, 尤其是杂交组合HYP2单株产量超标优势突出, 高达45.92%。(4) 亲本遗传距离与杂种F1的每穗总粒数和单株产量呈显著正相关, 说明InDel遗传距离可以用于杂种优势预测。研究证实了籼粳亚种间四倍体水稻的回复二倍体品系兼有籼稻和粳稻遗传成分, 遗传多样性丰富, 利用这些回复二倍体品系能够配制出超强杂种优势组合, 为通过以籼粳中间型品系与广亲和光温敏雄性不育系配组实现籼粳亚种间杂种优势利用提供了理论依据和参考; 同时初步证实了“以多倍体为变异载体选育回复二倍体水稻”育种途径的可行性, 为水稻育种提供了新的思路和途径。

水稻; 多倍体; 回复二倍体; InDel; 籼粳属性; 遗传距离; 杂种优势

随着世界人口持续增长, 环境不断恶化, 耕地面积不断减少, 世界粮食短缺危机日益突显。据联合国粮农组织等2022年发布的《世界粮食安全和营养状况》报告显示, 2021年全球受饥饿影响的人数已达8.28亿, 约占全球人口的十分之一[1]。水稻(L.)是世界三大粮食作物之一, 为全世界半数以上人口提供稳定的食物来源[2]。据估计世界人口在2050年将达到90亿, 届时要满足全球人口的食物和营养需求, 水稻产量至少要提高60%[3-4]。但水稻产量在经历高秆变矮秆、常规稻变杂交稻两次巨大飞跃后, 长期未能取得重大突破, 主要原因之一在于育种亲本的遗传基础狭窄[5]。稻属()内物种丰富, 除了亚洲栽培稻(L.)和非洲栽培稻(Steud.)两个栽培种外, 还有20多个野生稻种[6], 这为水稻遗传改良提供了丰富的材料基础。多倍体化是植物进化和物种形成的加速器[7], 现存高等植物70%以上是多倍体, 异源基因组结合和多倍体化带来了基因组的杂合性, 基因组容量增大, 遗传变异范围更广, 对不利因素具有更强的耐受力[8-10]; 如主要粮棉油作物小麦、棉花和油菜都是植物多倍体进化的典范, 它们都经历过从二倍体向异源多倍体的演化, 不仅产生了丰富的遗传多样性, 而且产量大幅增加[11]。在植物进化的启示下, 蔡得田等提出了“利用远缘杂交和多倍体双重优势选育超级稻”的育种新战略, 并分为亚种间(籼稻与粳稻)、种间(栽培稻与A基因组野生稻)和基因组间(栽培稻与非A基因组野生稻)杂交和多倍体化3个实施阶段[12]。第一阶段中, 通过广泛的籼粳亚种间杂交、复交选育出了多倍体减数分裂稳定性(Polyploid Meiosis Stability, PMeS)品系, 突破了多倍体水稻的低结实率瓶颈问题[13]。以PMeS品系这一核心材料为基础, 目前已创制培育出5000余份多倍体水稻材料, 其中多个品系已接近生产应用水平。在长期的多倍体水稻育种过程中, 发现四倍体材料偶尔会自发回复到二倍体水平, 而且这些回复二倍体多具有优良农艺性状。以这一重要发现为基础, 后来有针对性地通过四倍体水稻的花药培养或未受精子房培养获得了一批具有优良农艺性状的回复二倍体品系[14]。由于笔者实验室的多倍体水稻是通过籼、粳杂交甚至栽野杂交后产生的, 遗传成分复杂, 由之而来的回复二倍体品系兼有籼稻和粳稻的遗传成分, 比普通籼稻或粳稻品种具有更广泛的遗传基础, 多样性更加丰富。为深入了解这些回复二倍体品系的遗传成分及利用潜力, 探讨以多倍体为变异载体选育二倍体水稻新品种之育种途径的可行性, 本研究以8个回复二倍体品系为材料, 采用InDel分子标记法鉴定其籼粳属性; 同时以回复二倍体品系为父本, 分别与籼稻光温敏雄性不育系培矮64S、粳稻光温敏雄性不育系农垦58S配制杂交组合, 进行亲本及杂种的遗传距离及聚类分析, 考察杂种及其父本的产量相关性状, 分析杂种的超父本优势、超标优势; 另外, 对亲本遗传距离与杂种优势的相关性进行分析, 探讨利用亲本遗传距离预测杂种优势的可行性。

1 材料与方法

1.1 实验材料

四倍体水稻回复二倍体品系: A3、T1、ST110、ST112、ST126、ST130、ST133、ST141, 其中A3、T1为PMeS品系的回复二倍体, 其余材料为9311高结实近等基因系的回复二倍体。9311高结实近等基因系是利用高结实PMeS品系HN2026-4与同源四倍体水稻9311-4杂交, 然后通过隔代回交和自交多代后获得的具有PMeS品系的高结实性状且其他性状与9311-4相似的育种材料[15]。光温敏雄性不育系: 培矮64S (PA64S, 籼型)、农垦58S (NK58S, 粳型)。籼粳属性鉴定对照品种: 9311、日本晴(Nipponbare)。杂交组合: 以上述8个回复二倍体品系为父本, 分别与2个不育系配制杂交组合, 共16个。杂种优势对照品种: 丰两优4号(丰39S/盐稻4号), 是长江中下游中籼迟熟组筛选试验对照品种, 表现优良, 杂种优势强。

1.2 田间试验

田间试验于2021年在中国农业科学院油料作物研究所武昌试验基地进行, 5月27日播种, 6月20日移栽, 采用完全随机区组排列, 2次重复, 每小区种植5行, 每行10株, 株行距16.7 cm × 30.0 cm, 单本插, 田间管理同一般大田生产。

1.3 农艺性状测定与数据统计

成熟期每小区取中间有代表性的植株5株, 测定其株高(cm)、单株有效穗数(个)、每穗总粒数、每穗实粒数、结实率(%)、千粒重(g)和单株产量(g)等。具体统计方法参考盖钧镒“水稻主要育种性状的记载方法和标准”进行[19]。数据采用SPSS 25.0和Microsoft Excel 2016进行统计分析。

1.4 杂种优势分析

分析杂种的超亲优势和超标优势, 计算公式如下: 超亲优势(%) = (F1– HP)/HP × 100, 式中, F1为杂种1代的表现型值, HP为高值亲本表现型值(本研究中为父本); 超标优势(%)= (F1– CK)/CK × 100, 式中, F1为杂种1代的表现型值, CK为对照品种的表现型值。

1.5 InDel分子标记法鉴定籼粳属性

1.5.1 DNA提取及分子标记引物取待测材料及对照9311、日本晴的叶片, 每个材料3个重复。采用DNA提取试剂盒提取样品DNA, 具体步骤按试剂盒操作说明进行。所采用的InDel标记参考卢宝荣等[16]、王林友等[17]研究, 在34对能有效鉴定籼稻和粳稻的引物中, 选取籼稻(粳稻)专化性较高且相对均匀分布在水稻12条染色体上的19对引物(表1), 由南京金思瑞生物科技有限公司合成。

1.5.2 PCR扩增及产物分离 PCR反应在BIO- RAD T100 Thermal Cycler扩增仪上进行, 反应体系为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) (反应试剂购于武汉齐美欣科生物技术有限公司)。PCR反应程序为95℃ 5 min; 95℃ 30 s, 55～65℃ 30 s, 72℃ 30 s, 35个循环; 72℃ 7 min, 4℃保存。扩增产物用2%琼脂糖凝胶分离, Tanon 3500R凝胶成像系统照相并分析电泳结果。

表1 用于籼粳属性鉴定的19对InDel分子标记及序列

1.5.3 基因频率计算及籼粳属性确定 InDel分子标记属于共显性标记, 以水稻基因图谱测序籼稻品种9311和粳稻品种日本晴DNA的PCR电泳结果为对照, 确定各样品DNA在不同InDel位点上的基因型。凡电泳条带与9311一致的, 记为纯合籼稻基因型(II); 凡电泳条带与日本晴一致的, 记为纯合粳稻基因型(JJ); 如果既有9311条带又有日本晴条带, 则记为籼粳稻杂合基因型(IJ)。根据各样品所有InDel位点(N)上的基因型数据计算各材料的籼型和粳型等位基因频率(), 计算公式如下:

籼型基因频率:

粳型基因频率:

式中,X为纯合籼稻基因型(II);X为纯合粳稻基因型(JJ);X为籼粳稻杂合基因型(IJ); N为所用InDel引物对的数目。根据被检测样品的籼型或粳型基因频率, 参考卢宝荣等[16]的分类标准确定供试材料的籼粳属性, 具体见表2。

表2 依据籼型(Fi)或粳型(Fj)基因频率鉴定籼粳属性的InDel分类标准

1.6 遗传距离及聚类分析

InDel扩增产物以“1, 2”统计建立数据库。每一对InDel引物检测一个位点, 每一条多态性带为一个等位基因。在相同迁移位置上, 与日本晴条带相同的记为“1”, 与9311条带相同记为“2”, 两条都有的记为“3”, 缺失记为“0”。每2份材料间的遗传差异按Nei等[18]的方法求算遗传相似系数(genetic similarity, GS)和遗传距离(genetic distance, GD), 公式为GS = 2Mxy/(Mx+My), GD = 1 – GS, 式中Mx和My分别为X和Y两材料的总片段数, Mxy为两材料的公共片段数, 根据所得遗传相似系数, 用算术平均非加权配组法(unweighted pair-group method with arithmetic mean, UPGMA)进行遗传相似性聚类, 分析由NTSYS-pc2.1软件完成。

2 结果与分析

2.1 亲本及杂种的籼粳属性鉴定

利用19对InDel分子标记引物对供试材料进行PCR扩增, 根据基因频率公式计算得到各材料的籼型基因频率F和粳型基因频率F, 并根据基因频率判定各材料的籼粳属性, 具体情况见表3。可见, PMeS品系的回复二倍体A3和T1的籼型基因频率分别为0.658和0.605, 均为偏籼型, 但已接近中间类型; 9311高结实近等基因系的回复二倍体品系中, ST112的籼型基因频率为0.947, 属于典型籼稻; 其余回复二倍体的籼型频率在0.789～0.895之间, 均属籼稻类型; 表明回复二倍体兼有籼稻和粳稻的遗传成分, 但籼粳成分在每个材料中所占比例不同。两个不育系亲本培矮64S和农垦58S, 籼型基因频率分别为0.842和0.105, 分属籼稻和粳稻类型。回复二倍体品系与籼型不育系培矮64S配制的杂交组合中, 4个为偏籼型, 4个为籼稻型。回复二倍体品系与粳型不育系农垦58S配制的杂交组合中, 3个为中间类型, 5个为偏粳型。

2.2 亲本遗传距离及聚类分析

通过分子标记检测结果对亲本之间的遗传距离进行分析, 结果如表4所示。总体来看, 母本培矮64S和父本之间的遗传距离相对较近, 其中最大的为A3和T1, 遗传距离分别为0.37和0.42; 而母本农垦58S和父本之间的遗传距离则相对较远, 最小遗传距离为0.68。这与各材料的籼粳属性表现是相符的, 回复二倍体品系籼粳属性多为籼稻或偏籼, 因此与籼型不育系培矮64S遗传距离较近, 而与粳型不育系农垦58S遗传距离较远。

表3 回复二倍体品系、不育系及其杂种的籼粳属性鉴定结果

HYP1～8分别是PA64S与A3、T1、ST110、ST112、ST126、ST130、ST133、ST141配制的杂交组合; HYN1～8分别是NK58S与A3、T1、ST110、ST112、ST126、ST130、ST133、ST141配制的杂交组合。

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 回复二倍体品系与不育系间的遗传距离

根据2个品种(系)间的InDel遗传相似系数值, 用UPGMA法进行供试材料的遗传相似性聚类, 回复二倍体品系与两个不育系配制的两套杂交组合单独分析。聚类结果如图1所示, A图是回复二倍体品系、培矮64S及其杂交组合的聚类结果, 所有材料被分为I (籼稻)、II (粳稻) 2个主群。I主群又分成i (典型籼稻/籼稻)、ii (籼稻/偏籼)、iii (偏籼) 3个亚群; i亚群包括籼稻对照品种9311及9311高结实近等基因系的回复二倍体品系, ii亚群包括不育系培矮64S、回复二倍体品系与培矮64S配制的所有杂交组合, iii亚群则包括PMeS品系的回复二倍体A3和T1; II主群只有粳稻对照品种日本晴。B图是回复二倍体品系、农垦58S及其杂交组合的聚类结果, 所有材料被分成I (籼稻)、II (粳稻) 2个主群。I主群又分成i (典型籼稻/籼稻)、ii (偏籼) 2个亚群; II主群又分成iii (典型粳稻/粳稻)、iv (中间类型)、v (偏粳) 3个亚群; i亚群包括籼稻对照品种9311及9311高结实近等基因系的回复二倍体品系, ii亚群包括PMeS品系的回复二倍体A3和T1, iii亚群包括粳稻对照品种日本晴和不育系农垦58S, iv亚群包括回复二倍体品系与农垦58S配制的杂交组合HYN1、HYN2和HYN5, v亚群则包括回复二倍体品系与农垦58S配制的其余杂交组合。可见, 聚类结果和InDel分子标记法的判定基本一致, 而且能更加直观地显示出材料间的亲缘关系。

图1 基于InDel分子标记的遗传相似系数聚类图

A: 亲本及杂种聚类图(母本培矮64S); B: 亲本及杂种聚类图(母本农垦58S)。

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

2.3 杂种优势分析

各杂交组合及其父本的主要农艺性状统计结果列于表5。当母本为培矮64S时, 杂交组合的单株有效穗数、每穗总粒数、每穗实粒数多高于父本或对照品种, 结实率和千粒重多低于父本或对照品种, 但所有杂交组合的单株产量均高于父本和对照品种。当母本为农垦58S时, 所有杂交组合的单株有效穗数均高于父本和对照品种, 3个杂交组合的千粒重高于父本, 但其余性状远低于父本和对照品种; 尤其是所有杂交组合的结实率都很低, 应该是父母本籼粳差异所造的。由于培矮64S具有广亲和基因, 而农垦58S不具有, 说明本研究中兼有籼稻和粳稻成分的回复二倍体品系的杂种优势利用仍需要广亲和基因来克服籼粳杂种不育问题。由于以农垦58S为母本配制的杂交组合结实率过低, 无产量优势, 所以本研究未对其进行杂种优势分析, 仅分析了以培矮64S为母本配制杂交组合的杂种优势。

以培矮64S为母本配制的杂交组合产量相关性状的超父本优势明显。单株有效穗数, 除HYP7外, 其余7个杂交组合均具有超父本优势; 每穗总粒数和每穗实粒数, 8个杂交组合均具有超父本优势; 结实率, HYP6、HYP7具有超父本优势; 千粒重, 仅HYP5表现超父本优势; 综合后的单株产量, 8个杂交组合都表现出超父本优势(表6和图2)。

与对照丰两优4号相比, 多个杂交组合表现出很强的超标优势。单株有效穗数, 8个杂交组合都具有超标优势; 每穗总粒数和每穗实粒数, 除HYP4、HYP8外, 其余6个杂交组合具有超标优势; 结实率, HYP6、HYP7具有超标优势; 千粒重, 所有杂交组合均无超标优势; 综合后的单株产量, 8个杂交组合都具有超标优势, 其中HYP4和HYP8超标优势较低, 分别为11.72%和8.95%, 其余杂交组合都表现出很强的超标优势, 特别是HYP2超标优势突出, 高达45.92% (表7和图3)。可见利用兼有籼稻和粳稻成分的四倍体水稻回复二倍体品系能够配制出具有超强杂种优势的组合, 具有大幅度增产的潜力。

2.4 亲本InDel遗传距离与杂种优势的相关性

为探讨利用亲本InDel遗传距离预测杂种优势的可行性, 对亲本InDel遗传距离与杂种优势的相关性进行分析, 结果如表8所示。可见, 亲本遗传距离与杂种F1的每穗总粒数和单株产量呈显著正相关,与单株有效穗数和每穗实粒数呈不显著正相关, 与结实率和千粒重呈不显著负相关。说明亲本遗传距离越大, 杂种优势在每穗总粒数和单株产量上的正向表现越显著; 同时随着亲本遗传距离的增大, 单株有效穗数和每穗实粒数增加、结实率和千粒重降低, 但表现不显著。说明本研究中随着亲本遗传距离的增大, 杂种优势主要体现在每穗总粒数的增加上, 最终导致单株产量的增加。同时也说明, InDel遗传距离具有杂种优势预测能力。

表5 杂交组合及其父本的主要农艺性状

表中数据表示均值±标准差。

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 各杂交组合产量相关性状超父本优势的描述性统计

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.

图2 杂交组合产量相关性状的超父本优势

EP: 单株有效穗数; TG: 每穗总粒数; FG: 每穗实粒数; SSR: 结实率; TGW: 千粒重; YPP: 单株产量。

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.

图3 杂交组合产量相关性状的超标优势(对照丰两优4号)

EP: 单株有效穗数; TG: 每穗总粒数; FG: 每穗实粒数; SSR: 结实率; TGW: 千粒重; YPP: 单株产量。

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 杂交组合产量相关性状超标优势的描述性统计(对照丰两优4号)

表8 亲本InDel遗传距离与产量相关性状杂种优势的相关系数

*表示在0.05概率水平(双尾)显著相关;**表示在0.01概率水平(双尾)显著相关。

*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 讨论

3.1 四倍体水稻回复二倍体的籼粳杂种优势利用

籼稻(ssp.)和粳稻(ssp.)是亚洲栽培稻的两个亚种, 二者遗传基础差异大, 籼粳亚种间杂种比品种间杂种具有更强大的优势, 增产潜力巨大, 是进一步提高水稻单产的重要途径[20-21]。早在1987年, 袁隆平先生就从杂种优势水平上, 把杂交稻育种分为品种间、亚种间和远缘杂种优势利用3个战略发展阶段[22]。但由于受到籼粳亚种间杂交不亲和性的影响, 长期以来籼粳亚种间杂种优势在生产上一直没有得到很好地应用[23]。1982年日本学者Ikehashi和Araki发现广亲和基因[24], 为亚种间杂交稻选育奠定了理论基础, 国内选育出了以两优培九、协优9308为代表的利用部分籼粳亚种间杂种优势的杂交稻组合[25-26], 杂种优势明显。近年来, 籼粳杂交稻育种取得了较大突破, 育种家们利用粳稻细胞质雄性不育系与籼粳中间型广亲和恢复系配组, 选育出“甬优”系列、“春优”系列、“浙优”系列等典型的籼粳亚种间杂交稻[27-30], 杂种优势更加明显, 开辟了水稻籼粳亚种间杂种优势利用新途径, 在生产上显示出良好的发展势头[31]。但这种“粳不籼恢”亚种间杂交稻存在一定缺陷, 由于粳稻不育系柱头一般不外露或外露率较低, 而且花时较迟, 而籼粳中间型广亲和恢复系往往花时较早, 二者的花时差可达1 h左右, 造成杂交制种产量低, 从而种子成本较高, 影响了其在生产上的大面积推广应用[31]。本研究中回复二倍体品系的籼粳属性鉴定表明, 其籼粳属性表现为偏籼型(F= 0.605～ 0.658)、籼稻(F= 0.789～0.895)或典型籼稻(F= 0.947), 所有品系兼有籼稻和粳稻的遗传成分。利用回复二倍体品系与籼稻广亲和光温敏雄性核不育系培矮64S配制的杂交组合, 表现出明显的杂种优势, 所有杂交组合的单株产量均具有超父本优势和超标优势, 特别是HYP2超标优势突出, 高达45.92%, 增产幅度很大。这说明利用兼有籼稻和粳稻遗传成分的籼粳中间型回复二倍体品系与广亲和两系不育系能够配制出强优势杂交组合, 实现籼粳亚种间杂种优势的利用。而且这种利用广亲和两系不育系与籼粳中间型恢复系的配组方式, 与三系“粳不籼恢”配组方式相比, 具有配组自由、不受恢保关系限制的优点, 并且不会存在花时不遇的问题。与利用两系不育系和籼粳中间型广亲和恢复系的配组方式相比, 广亲和基因由不育系携带, 不需要将广亲和基因导入恢复系, 因而恢复系选育难度更小。

杂种优势的大小取决于双亲的遗传差异以及性状互补等因素, 因此杂交稻双亲之间的亲缘关系距离是杂种产生优势的遗传基础。理论上, 双亲的遗传差异越大, 杂种优势越强。而亲本间的遗传差异可用遗传距离来衡量, 因此只要能够正确地度量亲本间的遗传差异, 就可在一定程度上预测杂种优势[31]。以DNA多态性为基础的分子标记技术为杂种优势研究提供了新手段, 可通过分子标记确定亲本间遗传差异, 并分析遗传差异与杂种优势的相关性, 进而预测杂种优势。如王林友等对浙优系列杂交稻亲本InDel遗传距离与杂种优势的相关性分析表明, InDel遗传距离与单穗重、千粒重呈显著正相关, 认为遗传距离可用于单穗重的优势预测[17]。赵小燕等[32]对22份籼粳杂交稻亲本InDel遗传距离与杂种优势的相关性分析表明, InDel遗传距离与每穗总粒数、每穗实粒数、单株产量呈极显著正相关, 与单株有效穗数呈显著正相关, 认为InDel标记可用于预测单株产量的杂种优势。本研究对亲本InDel遗传距离与杂种优势的相关性分析结果则表明, 亲本InDel遗传距离与每穗总粒数、单株产量呈显著正相关, 说明亲本遗传距离越大, 杂种优势在每穗总粒数和单株产量上的表现越显著, 也进一步证实了利用亲本InDel遗传距离预测杂种优势的可行性。如本研究中的回复二倍体品系T1 (F= 0.605), 籼粳属性已近似中间类型(籼型基因频率0.40～0.60), 它与培矮64S的InDel遗传距离是最远的, 二者配制的杂交组合HYP2的产量超标优势也是最大的(45.92%)。因此,后续研究可继续尝试扩大亲本亲缘关系距离, 利用更多类型的籼粳中间型回复二倍体品系与不同籼粳属性的广亲和两系不育系配组, 如籼型或偏籼型回复二倍体品系与粳型或偏粳型广亲和光温敏雄性不育系配组, 反之粳型或偏粳型回复二倍体品系与籼型或偏籼型广亲和光温敏雄性不育系配组, 有希望获得更强的籼粳杂种优势。

3.2 以多倍体为变异载体选育回复二倍体水稻育种途径的可行性展望

多倍体化是促进植物进化改变的重要力量[33], 研究表明几乎所有显花植物都经历过一次或多次的多倍体化事件, 这充分说明多倍体化在植物进化和物种形成中的重要作用[34-35]。这一进化过程主要通过不同物种间的远缘杂交和多倍体化实现, 结果是来自不同物种的基因组聚合在一起, 由于受到“杂合性”和“多倍性”的双重冲击, 为了调整不同基因组之间以及核基因组与细胞质之间的相互关系, 提高相容性水平, 异源多倍体细胞的基因组组分往往通过多种途径在基因组内或不同基因组之间进行广泛的重组, 如染色体重排(交换、易位)、基因组入侵(基因转换、转座)以及核质之间的相互作用等[33,36-37], 而经过基因组重组之后双方染色体在结构和组成上都发生了改变, 这大大增加了后代的遗传变异范围和多样性。基于这一原理, 在水稻育种时可以利用多倍体作为促进基因组重组、创造变异的载体, 然后通过花药培养或未受精子房培养使染色体减倍, 获得具有丰富变异的回复二倍体材料, 进而选育出优良水稻新品种。

本研究中的回复二倍体水稻就来源于经过多个籼稻与粳稻品种杂交、复交后选育出的四倍体水稻品系, 经籼粳属性鉴定表明, 这些回复二倍体品系兼有籼稻和粳稻遗传成分, 而且各品系籼粳成分比例各不相同, 遗传多样性丰富, 综合性状表现优良。在籼粳亚种间杂交(亚异源多倍体)水平上初步证实了“以多倍体为变异载体选育回复二倍体水稻”育种途径的可行性。稻属内物种资源丰富, 20多个野生稻种的存在为栽培稻的遗传改良提供了丰富的材料基础。但目前对野生稻资源的利用都局限于二倍体水平, 即采用远缘杂交和回交的基因渐渗途径利用野生稻的少数优良基因, 其存在明显的缺点和局限性: (1) 二倍体种间杂种育性低甚至不育, 产生可育配子的几率低, 从而造成回交效率低; (2) 通过连续回交往往只能获得个别性状得到改良的新品种, 不能充分创造和利用远缘杂交产生的变异。在本研究通过籼粳亚种间杂种多倍体选育优良回复二倍体的基础上, 笔者认为可以利用栽培稻与野生稻杂交获得远缘杂种, 经染色体加倍后获得异源多倍体, 充分利用异源多倍体基因组内或不同基因组间广泛的重组, 将其作为促进不同物种间染色体交换、易位、基因转换、转座等重组过程的载体, 使染色体的结构和组成发生改变, 创造出丰富的变异。而后, 充分利用异源多倍体产生的具有丰富变异的雌、雄配子, 通过花药培养或未受精子房培养获得兼有不同物种遗传成分的系列回复二倍体水稻, 这些回复二倍体水稻经历了不同物种染色体间的重组, 大大拓宽了材料的遗传变异范围, 具有更加广泛的遗传基础和更加丰富的遗传多样性。这一途径可以克服目前远缘杂交和回交途径的缺点, 首先通过远缘杂种的多倍体化, 可以明显改善远缘杂种的育性, 由二倍体的不育变为可育或育性明显提高, 从而可以产生更多的可育配子; 其次, 不是采取连续回交而是利用远缘杂种多倍体或远缘杂种多倍体后代的花药培养或未受精子房培养, 由于杂种经过减数分裂后产生的配子类型理论上是无数的, 所以回复二倍体的类型也是极其丰富的, 可以选育出远比二倍体回交育种更加丰富多样的水稻新品种, 更好地解决水稻育种亲本遗传基础狭窄的问题, 为水稻育种提供了新的思路和途径。

4 结论

研究证实了籼粳亚种间四倍体水稻的回复二倍体品系兼有籼稻和粳稻遗传成分, 遗传多样性丰富, 利用这些回复二倍体品系能够配制出超强杂种优势组合, 为通过以籼粳中间型品系与广亲和光温敏雄性不育系配组实现籼粳亚种间杂种优势利用提供了理论依据和参考; 同时初步证实了“以多倍体为变异载体选育回复二倍体水稻”育种途径的可行性, 为水稻育种提供了新的思路和途径。

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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;

本研究由湖北省重点研发计划项目(2020BBA032), 武汉市重大科技专项和武汉市品牌农业发展计划项目资助。

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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