优异常规粳稻亲本组合选配方法及其育种应用

杜灿灿,景德道,胡庆峰,曾生元,李 闯,钱华飞,余 波,孙立亭,林添资,龚红兵

(江苏丘陵地区镇江农业科学研究所,江苏 句容 212400)

【研究意义】传统育种主要通过育种家对亲本及杂交后代的表型选择开展品种选育工作,正确选择组配亲本是育种工作的首要问题[1]。表型选择需要育种家多年的经验积累[2],但是经验丰富的育种家也会面临很多棘手问题,例如2个中感稻瘟病的品种杂交后代中出现了中抗类型,2个产量相当的品种杂交后代穗数不足,产量不达标。另一方面,品种井喷时代可以用来作为亲本的品种或者中间材料过多[3],2020年仅通过江苏省农作物品种试验审定的水稻品种就有55个,此外还有许多联合体试验审定品种,其中不乏有些品种可能田间表型差异互补、符合育种目标,但是两者基因型同源度高,组配难以选出符合预期的突破性品种;再或者肉眼观察两者田间表型差异不大,但其基因型差异较大,两者组配可能快速形成稳定品种,但却因肉眼表型差异无法区分而被舍弃该亲本组合。这些情况大大增加了育种家亲本选择、配组难度及工作量。同时对品种的表型和基因型进行分类,再从中依据育种目标选择合适的优异亲本进行组合,可以减少对育种材料的利用和配组盲目性,减少育种工作量,提高育种效率。【前人研究进展】杂种优势群是指一群具有密切关系的近交系,群内材料间的共祖程度高,而2个杂种优势群之间的材料共祖程度低,一般群内自交系杂交优势弱,群间自交系杂交优势强[4]。该概念多用于玉米育种中,在水稻杂交育种中也有探索。1992年陈立云等[5]按照生态型对籼粳进行了分类及组配研究。其后有学者就籼稻或者粳稻单独进行杂种优势群研究。罗小金等[6]利用SSR标记将58份籼稻聚成3类,并通过杂种优势分析证明了可以利用SSR标记划分籼型水稻杂种优势群,指导亲本选择,提高育种效率。同样,王胜军等[7-8]通过2次试验对杂交籼稻骨干亲本进行了类群划分,并提出了多种杂种优势模式。王凯[9]利用384个SNP对737份籼稻材料进行聚类,发现拉丁美洲的材料是杂交籼稻育种潜在的优势生态群。Wang等[10]在两项研究的基础上,确定了热带籼稻种质资源的4个杂种优势群体和3个有望用于热带杂交稻育种的杂交模式。刘炜等[11-12]通过对50份不同生态型的粳稻材料进行双列杂交研究,划分出4种优势生态群并提出3种最佳杂种优势模式。但是以上这些杂种优势群都是在杂交稻中探索或应用的,而本研究利用该分群思想同时借助表型和基因型指标将常规粳稻进行分类,用以指导常规粳稻亲本杂交组合选配。【本研究切入点】尽管分子标记辅助育种已经应用于水稻育种,但是一般采用单标记或者多标记在加代间进行辅助选择[13-17],而本研究从背景基因型考虑,在常规粳稻亲本选择时利用标记基因型与表型分别作为聚类分类的指标,提供亲本组合选择组配依据,以解决育种实际问题。【拟解决的关键问题】利用聚类分析对本研究选择的34个候选亲本进行分类,在同时了解表型与基因型差异的基础上按照亲本选择四大原则进行优异亲本选配,为水稻育种提供一种优异亲本组合的选配方法。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用江苏省育成的34个品种为试验材料,按生态类型分为早熟晚粳(16个)、中熟晚粳(1个)、迟熟中粳(5个)、中熟中粳(12个),品种名称、生态类型等具体信息见表1。

表1 试验材料信息

1.2 田间试验设计

本试验在江苏丘陵地区镇江农业科学研究所农业科技创新中心试验田进行,中熟中粳、迟熟中粳播期为5月25日,中熟晚粳、早熟晚粳播期为5月15日。湿润育秧,30 d秧龄移栽,株距13 cm,行距25 cm,3次重复,田间肥水管理按照各生态类型与试验田气候正常进行。

1.3 农艺性状调查

依据《植物新品种特异性、一致性和稳定性测试指南》水稻性状表进行农艺性状调查与记载。每个材料于田间调查剑叶长、剑叶宽、倒二叶长、倒二叶宽、芒的有无、初期芒色、后期芒色、剑叶曲度、前期颖尖色、后期颖尖色、茎秆长度、茎秆粗细、茎秆茎数、剑叶角度、芒的分布、主穗长度、穗立形状、穗类型、穗抽出度、有效穗、株高等21个性状。成熟期选择代表性植株5株于室内考察千粒重、二次枝梗、单株平均穗长、穗总粒、穗实粒、结实率、落粒性、谷粒长度、谷粒宽度、谷粒长宽比、糙米长度、糙米宽度、糙米长宽比、胚乳类型、糙米香味等15个性状;每个材料选取2 m2进行人工收割、脱粒、晾晒、测产,重复3次。

1.4 品质性状测定

每份材料称取450 g,出糙后用JY7132型精米机碾成精米,计算精米率、糙米率。利用RCTA-11A型食味仪(日本佐竹公司)测定食味值、直链淀粉、蛋白质和水分含量,每份样品重复测定3次。

1.5 形态标记数据处理

将农艺性状和品质性状作为形态标记,利用R语言将各个表型性状数据进行标准化处理,然后计算欧几里得距离(Euclidean),按照Ward 法(Ward.D)进行层次聚类。

1.6 分子标记选择及数据处理

选择均匀分布在水稻12条染色体上的SSR标记41对[18],引物序列由上海生工生物技术有限公司合成。电泳结果用0/1表示,不同品种在同一标记同一位置有扩增条带记为1,无条带记为0,缺失记为9。利用Ntsys软件的Qualitative data模块计算品种间的遗传相似系数,然后通过该软件的SAHN模块按照UPGMA法进行聚类,并绘制聚类图。

2 结果与分析

2.1 基于农艺性状的相似性分析

利用R软件将34个品种的36个农艺性状作为标记计算试验品种间的欧式距离,并统计单个品种与其它33个品种距离的最值。由表2可知,任意2个品种间的距离变幅为1.827～14.114,其中华粳5号与通粳981(14.114)的距离最大,农艺性状差异最明显,亲缘关系最远;镇稻88与镇稻99的距离最小(1.827),说明其亲缘关系最近。

表2 基于农艺性状的试验品种间欧式距离最值

单一品种的农艺性状平均距离变幅在6.784～10.992(图1),其中14个品种的平均距离大于总平均距离(8.236),20个品种的农艺性状平均距离小于总平均距离,说明总体上大部分试验品种的农艺表型比较接近,遗传基础背景比较相近。

x轴表示试验品种名,y轴表示试验品种欧式距离均值,横线表示所有品种的总平均距离(8.236)。下同。The x-axis represents the experimental variety name, the y-axis represents the mean Euclidean distance between experimental varieties, and the horizontal line represents the total average distance of all varieties (8.236). The same as below.

2.2 基于品质性状的相似性分析

由表3可知,任意2个品种间的距离变幅为0.0657～10.464,其中镇糯19号与淮稻9号的距离最大,品质性状差异最明显;盐稻8号与武运粳27号的距离最小,说明其品质性状最相似。

表3 基于品质性状的试验品种间欧式距离最值

单一品种的品质平均距离变幅在2.087～8.436(图2),其中9个品种的品质平均距离大于总平均距离(2.947),25个品种的品质平均距离小于总平均距离,32个品种与镇糯19号的距离最大,这与试验品种中仅镇糯19号为糯稻品种一致。说明试验品种中仅有少数品种的品质存在较大差异。

图2 基于品质性状的试验品种间欧式距离均值Fig.2 Mean Euclidean distance between experimental varieties based on quality traits

2.3 基于SSR标记的遗传相似性分析

利用41对SSR引物对34个品种进行扩增,共获得99个等位基因,进一步利用该信息进行遗传相似性分析,结果显示,34个品种间的遗传相似系数在0.39～0.95,平均0.648。其中,40.46%品种的遗传相似系数集中在0.6～0.7,8个品种的遗传相似系数在0.9～1.0,20个品种的遗传相似系数在0.5以下(表4)。说明江苏不同单位育成的品种遗传背景仍存在不同,可以互引品种作为骨干亲本,关键在于选出与本单位品种遗传相似性小的品种。

表4 基于SSR标记的品种间遗传相似系数频率分布

2.4 基于农艺性状的聚类分析

系统聚类树状图(图3)显示,试验品种可分为三类,第一至三类分别包含18、12、4个品种,分别占试验品种的53%、35%、12%。其第一类多为中熟中粳(12个),第二类包含各种生态型,第三类属于早熟晚粳类型,农艺性状分类与生态型不存在一一对应关系。由表5可知,第一类的产量显著小于第二、三类,第三类的有效穗显著小于第一、二类,第三类的株高显著高于第一、二类,第三类的穗长显著大于第二类,第三类的每穗总粒数显著高于第一类。说明,三类品种在农艺性状上差距较大,如果选育目标想在农艺性状上进行改良,可根据差异显著性在相应类群间选择。

图3 基于36个农艺性状的34个品种系统聚类Fig.3 Cluster of 34 varieties based on 36 agronomic traits

表5 不同类群部分农艺性状遗传变异分析

2.5 基于品质性状的聚类分析

由图4可知,试验品种可聚为三类,其中第一类包含9个品种,第二类包含品种数最多,第三类仅含有1个。由表6可知,三大类群的5个品质性状极显著差异,1个性状显著差异,6个性状群内变异系数较小。说明大部分试验品种属于同一类,群内品种品质差异不大,群间差异明显。同一育种单位育成的品种未完全聚于一类,不同育种单位的品种存在品质差异,同一单位育成的品种也存在品质差异。第一、二类都含有中熟中粳稻、迟熟中粳稻、早熟晚粳稻,品质差异与不同生态型不存在明显关系。

图4 基于6个品质性状的34个品种系统聚类Fig.4 Cluster of 34 varieties based on 6 quality traits

表6 不同类群品质性状遗传变异分析

2.6 基于SSR标记的聚类分析

遗传相似系数系统聚类结果显示,34个品种可聚为三类,第一类群有12个品种,包括连粳4号、宁粳4号、盐稻11号等,多为中熟中粳类型;第二类群包含的品种最多,包括镇稻18、镇糯19、南粳46等16个品种,多为早熟晚粳生态型;第三类群有6个品种,分别为华粳5号、沪苏香粳、通粳981、武育粳3号、武运粳21号、武运粳27号,该类群包括3种生态型,其中迟熟中粳类型占一半。另外,中熟中粳对照品种徐稻3号位于第一类群,早熟晚粳对照品种武运粳23号位于第二类群,迟熟中粳对照武运粳27号位于第三类群(图5),即使3个对照一一对应稻不同类群,总体上类群与生态型的对应关系并不明显。

图5 基于41个SSR标记的34个品种聚类Fig.5 Cluster of 34 varieties based on 41 SSR markers

AMOVA分析结果表明,96.19%的遗传变异来源于群体内,3.30%的遗传变异来源于群体间,组群间和组群内的差异均显著(表7),说明试验品种的遗传分化主要来自组群内的个体差异,但候选亲本组配杂交后代的遗传差异可以从组群间获得。

表7 3个水稻类群的AMOVA分析

3 讨 论

3.1 江苏省粳稻品种的遗传相似性比较

亲本资源的引进与利用在常规粳稻育种过程中至关重要,本试验选择江苏省13家育种单位的34个品种,通过对农艺性状、品质形状、基因型的相似性分析发现,从农艺、品质性状来说,近年来江苏粳稻品种整体品质有所提升,外观、产量水平差异不大;但是从基因型来说,江苏不同单位育成的品种遗传背景仍存在不同,可以互引品种作为骨干亲本,关键在于选择出与本单位品种遗传相似性小的品种。亲本组合选择时,双亲的遗传相似性也不是越小越好,如果双亲一个为常规粳稻,另一个为籼稻或者野生稻,两者的遗传距离大,遗传相似性小,两者组合杂交后代会严重分离,选出符合目标的粳稻品系难度大,该组合形式可以用于创制新的种质资源作为中间材料,不适合直接用于常规粳稻的直接选育。 因此,今后江苏粳稻育种单位可以选择与本单位品种遗传相似性相对较小的品种进行引种利用,快速选育适宜江苏不同区域种植的粳稻品种,但是若要在某一性状(例如抗病、抗除草剂等)实现突破,则需要引进或者创制相应资源。

3.2 江苏省粳稻品种的农艺性状、品质性状、SSR标记的聚类分析

对农艺性状、品质性状、SSR标记聚类分析结果进行比较发现,不同分类指标聚类得到的类群并不完全一样,例如,宁粳5号、镇稻15在3次聚类中分别被聚在完全不同的类群中,以农艺性状为分类指标时,宁粳5号被聚在第二类群,镇稻15号被聚在第三类群;以品质性状为分类指标时,宁粳5号、镇稻15被聚在第二类群;以SSR标记为指标时,宁粳5号、镇稻15被聚在第一类群。武育粳3号以农艺性状为分类指标被聚在第一类群,以品质性状为分类指标被聚在第一类群;以SSR标记为指标被聚在第三类群。另外,有11个品种聚类结果不因聚类指标而变化,宁粳4号、连粳9号、徐稻3号、镇稻99在3种指标下3次被聚在同一类(第一类),淮稻5号、宁粳1号、南粳5055、武运粳7号、镇稻10号、镇稻11号、镇稻18号3次被聚在第二类群。说明宁粳4号、连粳9号、徐稻3号、镇稻99亲缘关系近,不适宜互为父母本进行杂交配组。同样,淮稻5号、宁粳1号、南粳5055、武运粳7号、镇稻10号、镇稻11号、镇稻18号遗传背景相似度高,也不适宜互为父母本进行杂交配组。由于不同标记指标检测遗传变异的基础不一样[19],因此,用3种聚类结果结合起来对亲本材料进行分类更有利于增加亲本选配的精确度,减少选配工作量。

3.3 基于多种指标聚类法进行常规粳稻亲本选配的应用

连粳4号、连粳7号、连粳9号、徐稻3号、淮稻9号、盐稻8号、盐稻11号、宁粳4号、镇稻88、镇稻99在农艺性状与SSR指标下都被聚在第一类,且均为中熟中粳;淮稻5号、宁粳1号、南粳5055、武运粳7号、镇稻10号、镇稻11号、镇稻14号、镇稻18号、镇糯19号在农艺性状与SSR指标下都被聚在第二类,除淮稻5号外都为早熟晚粳。在这两类品种中选择品种作为亲本,符合性状互补、遗传差异性、适应性、配合力四大亲本选育原则,配组产生的F2代的生育期、粒型、穗型等变异范围更广,而且更易选出株高、品质等符合国标要求的株系。本研究利用该方法指导亲本选择杂交组配,在镇稻18号与盐稻11号组合中,选育出大量优异中间材料,同时育成了不同生态型新品种[镇稻23号(苏审稻20200008)、镇稻32号(苏审稻20210010)、镇稻33号(苏审稻20210050)],并实现品种转让。因此,对水稻品种进行表型和基因型分类后再进行亲本选配可以有效提高育种效率。另外,张良韬等[20]通过对福建省推广杂交籼稻品种和淘汰组合亲本聚类发现,推广品种的双亲均在不同类群,淘汰组合双亲多在同一类群。这与本研究提出在试验品种的第一类与第二类中选择常规粳稻亲本更高效选育品种结论一致。Taddesse等[21]对79个水稻种质的多样性和稻瘟病抗性研究发现,79个种质可分为两类(籼型和粳型),为避免杂交育种中出现籼粳间杂交不育,可以在同一DNA群中选择理想的亲本种质;同时指出育种家应该利用A群中的高抗种质改良农民偏爱的地方品种稻瘟病抗性,该研究也说明分群可以有效提高亲本组合选配效率。

4 结 论

江苏育成的36个粳稻品种类群间差异显著,遗传背景仍存在不同,可以互引品种作为骨干亲本,关键在于选出与本单位品种遗传相似性小的品种。同一组合来源品种(镇稻23号、镇稻32号、镇稻33号)的成功选育,说明同时对品种的表型和基因型进行分类,再从中依据育种目标选择合适的优异亲本进行组合,可以减少育种工作量,提高育种效率,是快速选育新品种的有效途径。