2012年以粳型光温敏核不育系GB028S和高代籼粳交重组自交系(秋光× 七山占) RIL F₁₀为亲本, 杂交构建F₁群体, 该杂种群体F₁共98个。2013年将杂种F₁群体与RIL种植于辽宁省盐碱地利用研究所试验地, 每株系2行, 每行2 m, 行距为30.0 cm, 株距为13.3 cm, 每穴单株, 2次重复, 栽培管理同当地生产田。

杂种F₁群体与RIL齐穗后测量株高, 成熟后收获每株系5株, 网室风干后考种, 调查有效穗数、穗长、穗粒数、千粒重、结实率及单株产量等性状。利用中亲优势代表杂种优势, H_MP = (F₁-MP)/MP× 100, 式中H_MP为中亲优势, MP为中亲值。

调查分析不育系GB028S和籼粳交重组自交系的抽穗时壳色、叶毛性状、1~2穗节长、籽粒长宽比、稃毛、酚反应, 计算程氏指数(Cheng’ s index, Chi)。程氏指数在划分籼粳成分上分4级, 0~8为籼、9~13为偏籼、14~17为偏粳、18~24为粳。

均匀选取142个SSR引物用于标记亲本的基因型, 参照毛艇等^[6]的方法鉴定籼粳成分, 将与秋光带型相同的带视为一个粳性位点, 以B来表示, 与七山占带型相同的带视为一个籼性位点, 以A来表示。基因型差异程度用粳性位点所占比例D_j值表示, 即每一株系的D_j值(%) = B位点数/(A位点数+B位点数)× 100。按D_j值的含义, 0~25%为籼型、25%~50%为偏籼型、50%~75%为偏粳型、75%~100%为粳型。按照Nei计算标准遗传距离^[7], 亲本间的遗传距离GD (genetic distance) = -ln [2M_xy/(M_x+M_y)], 公式中M_x和M_y分别为X和Y两材料的总片段数, M_xy为两材料的共片段数。采用SPSS 19.0和Microsoft Excel 2013软件统计分析试验所得数据, 并绘制图表。

图1的RIL和GB028S程氏指数整体偏粳分布, 程氏指数主要分布在14~18之间, 其中GB028S的程氏指数为20.5。偏粳系数主要集中在0.60~0.90之间, 整体偏粳, GB028S的偏粳系数为0.875。程氏指数Chi和分子标记的偏粳系数D_j值呈极显著正相关(相关系数r = 0.450), 由此可见利用程氏指数法及分子标记法的偏粳系数在衡量群体籼粳成分上具有较高的相似性, 可以利用它们协同划分目标群体的籼粳成分。

图1

Fig. 1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 RIL和GB028S的偏粳系数及程氏指数比较Fig. 1 Comparison of parental Chi and Dj

由图2可以看出单株产量与偏粳系数存在二次曲线关系, 父本RIL的偏粳系数D_j值在0.55~0.70区间时, F₁的单株产量较高, D_j值为0.67时产量达峰值。单株产量杂种优势与偏粳系数也存在二次曲线关系(图2), F₁的产量杂种优势的高峰区出现在父本RIL D_j值0.50~0.65区间内。两个高峰区在偏粳系数0.55~0.65重合, 说明就母本GB028S, 当父本偏粳系数为0.55~0.65时有形成较高产量及杂种优势的潜力。父本RIL的程氏指数和D_j值都与杂种F₁的每穗粒数呈极显著负相关(表1), 父本的程氏指数与杂种F₁的千粒重呈极显著正相关, 与结实率呈显著正相关, 与着粒密度呈极显著负相关。父本RIL的D_j值与杂种F₁的单株产量呈极显著负相关。

图2

Fig. 2

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	图2 RIL的Dj与F1单株产量和杂种优势的相关分析 Dj: 偏粳系数; HMP: 中亲优势。Fig. 2 Relationship of RILs’ Dj with yield and HMP in F1 Dj: Deviation japonica coefficient; HMP: Mid-parent heterosis.

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 RIL籼粳成分及亲本间遗传距离与F1产量性状和杂种优势的相关分析 Table 1 Relationship of RILs’ indica-japonica index and parental genetic distance with traits and heterosis in F1 性状 Trait 程氏指数 Cheng’ s index 偏粳系数 Dj 遗传距离 GD X1 X2 X1 X2 X1 X2 单株产量 Grain weight per plant -0.051 0.082 -0.287* * -0.211* -0.049 0.038 穗数 Panicles per plant 0.013 -0.309* * -0.074 -0.164 -0.005 -0.071 穗粒数 Grains per panicle -0.340* * 0.077 -0.261* * -0.072 -0.130 -0.015 千粒重 1000-grain weight 0.302* * 0.014 0.165 -0.015 -0.051 -0.154 结实率 Seed setting rate 0.255* -0.084 -0.003 -0.240* 0.084 -0.056 株高 Plant height -0.152 0.041 -0.236* -0.152 0.146 0.103 穗长 Panicle length -0.086 0.009 -0.146 -0.080 -0.056 -0.079 着粒密度 Grain density -0.276* * -0.087 -0.194 -0.166 -0.117 -0.058 * , * * mean significant correlation at the 0.05 and 0.01, probability levels, respectively; X1: Relationship of parental indica-japonica index and GD with F1yield; X2: Relationship of parental indica-japonica index and GD with F1heterosis. * 和* * 表示在0.05、0.01水平上显著相关; X1: RIL籼粳成分及亲本间遗传距离与F1产量性状的相关系数; X2: RIL籼粳成分及亲本间遗传距离与F1产量性状杂种优势的相关系数。

表1 RIL籼粳成分及亲本间遗传距离与F1产量性状和杂种优势的相关分析 Table 1 Relationship of RILs’ indica-japonica index and parental genetic distance with traits and heterosis in F1

由表1可以看出, F₁产量的杂种优势与父本RIL的偏粳系数D_j值的负相关达到显著水平。F₁穗数的杂种优势与父本RIL的程氏指数呈极显著负相关。F₁结实率的杂种优势与父本RIL的偏粳系数D_j值呈显著负相关。F₁其他农艺性状的杂种优势与父本RIL的程氏指数和D_j偏粳系数的相关均未达到显著水平。亲本间的遗传距离与F₁单株产量和部分性状及其杂种优势的相关都未达到显著水平。

根据分子标记所在染色体不同, 分别计算父本RIL各家系每条染色体偏粳系数, 分析父本RIL单一染色体籼粳片段分布与杂种F₁产量等性状及杂种优势的关系(表2)。杂种F₁的产量与父本RIL的Chr.8和Chr.11的偏粳系数D_j值呈显著负相关, 在产量构成因素中, F₁的穗数与父本RIL的Chr.8和Chr.11的D_j值呈显著负相关; F₁的千粒重与父本RIL的Chr.1、Chr.11和Chr.12的D_j值的负相关, 及与Chr.9的D_j值的正相关均达到显著或极显著水平, 可见控制千粒重表达的关键籼粳成分基因多分布于Chr.1、Chr.9、Chr.11和Chr.12, 但作用方向各有不同; F₁的结实率与父本Chr.3的D_j值呈极显著正相关, 与Chr.4和Chr.12的D_j值呈显著正相关; F₁的株高与父本Chr.3和Chr.5的D_j值呈显著负相关, 与Chr.12的D_j值呈极显著负相关, 杂种F₁的着粒密度与父本RIL的Chr.1和Chr.11的D_j值呈极显著负相关。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 RIL染色体偏粳系数与F1单株产量及部分性状的相关系数 Table 2 Correlation coefficients between chromosomes’ Dj and F1 traits 分量来源 Component source 单株产量 Grain weight per plant 穗数 Panicles per plant 穗粒数 Grains per panicle 千粒重 1000-grain weight 结实率 Seed setting rate 株高 Plant height 穗长 Panicle length 着粒密度 Grain density Chr.1 -0.156 0.078 0.066 -0.349* * -0.002 -0.126 -0.150 -0.274* * Chr.2 -0.180 -0.131 -0.129 -0.110 0.052 -0.150 -0.215 -0.020 Chr.3 -0.050 -0.150 -0.120 0.017 0.280* * -0.232* -0.125 0.069 Chr.4 -0.027 -0.027 0.012 -0.078 0.206* 0.033 0.112 -0.101 Chr.5 -0.092 0.032 0.072 -0.130 0.141 -0.234* -0.179 -0.063 Chr.6 -0.186 -0.105 -0.097 -0.143 -0.019 -0.004 0.118 -0.173 Chr.7 -0.007 0.017 0.133 -0.130 -0.078 -0.128 0.041 -0.154 Chr.8 -0.238* -0.217* -0.071 -0.101 -0.012 -0.067 -0.056 -0.075 Chr.9 0.002 0.012 -0.092 0.198* -0.042 0.002 0.005 0.190 Chr.10 0.014 0.057 0.048 0.055 0.006 0.047 -0.036 0.064 Chr.11 -0.224* -0.237* 0.098 -0.285* * 0.064 0.037 -0.012 -0.275* * Chr.12 -0.148 -0.119 -0.129 -0.205* 0.212* -0.308* * -0.228 -0.119 * , * * mean significant correlation at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. * 和* * 表示在0.05、0.01水平上显著相关。

表2 RIL染色体偏粳系数与F1单株产量及部分性状的相关系数 Table 2 Correlation coefficients between chromosomes’ Dj and F1 traits

表3表明, F₁产量的杂种优势与父本Chr.12的偏粳系数D_j值呈极显著负相关。F₁穗数的杂种优势与父本Chr.2的D_j值呈显著负相关, F₁穗粒数的杂种优势则与父本Chr.4的D_j值呈显著负相关, F₁千粒重的杂种优势与父本Chr.2的D_j值的负相关, 及与Chr.4的D_j值的负相关都达到显著水平。F₁着粒密度的杂种优势与父本Chr.1和Chr.6的D_j值呈极显著负相关。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 RIL染色体成分与F1杂种优势的相关系数 Table 3 Correlation coefficients between chromosomes’ Dj and HMP 分量来源 Component source 单株产量 Grain weight per plant 穗数 Panicles per plant 穗粒数 Grains per panicle 千粒重 1000-grain weight 结实率 Seed setting rate 株高 Plant height 穗长 Panicle length 着粒密度 Grain density Chr.1 0.018 -0.029 0.011 -0.089 -0.040 -0.057 0.038 -0.380* * Chr.2 -0.155 -0.215* 0.012 -0.241* 0.010 -0.061 -0.040 -0.142 Chr.3 -0.106 -0.060 -0.079 0.124 -0.069 -0.090 0.065 0.163 Chr.4 -0.062 0.022 -0.216* 0.202* 0.020 -0.006 -0.039 0.073 Chr.5 -0.159 -0.058 -0.186 0.105 0.027 -0.149 0.040 0.046 Chr.6 -0.035 -0.155 0.076 -0.097 -0.018 -0.046 -0.099 -0.270* * Chr.7 0.008 0.024 -0.074 -0.076 0.177 -0.103 -0.177 -0.121 Chr.8 -0.064 -0.114 -0.091 -0.080 0.128 -0.068 -0.077 -0.056 Chr.9 -0.065 -0.096 0.095 -0.032 -0.110 0.043 0.052 0.115 Chr.10 -0.023 -0.046 0.030 0.037 -0.054 0.011 -0.006 0.023 Chr.11 -0.118 -0.006 -0.161 -0.010 -0.102 0.040 0.050 -0.192 Chr.12 -0.299* * -0.187 -0.181 -0.055 -0.087 -0.167 -0.040 -0.050 * , * * mean significant correlation at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. * 和* * 表示在0.05、0.01水平上显著相关。

表3 RIL染色体成分与F1杂种优势的相关系数 Table 3 Correlation coefficients between chromosomes’ Dj and HMP

以12条染色体的籼粳成分为变量, 对98份F₁单株产量进行主成分分析, 经分析提取5个主成分, 分别用X₁、X₂、X₃、X₄、X₅表示(表4), 第1到第5主成分贡献率分别为17.95%、12.00%、11.11%、9.61%和8.51%, 共累积贡献率为59.20%。第1主成分X₁中Chr.5和Chr.8载荷最大, 第2主成分X₁中Chr.4载荷最大, 第3主成分X₁中Chr.11载荷最大, 第4主成分X₁中Chr.10载荷最大, 第5主成分X₁中Chr.12载荷最大。从表4可以看出贡献率最高的第1主成分内染色体的载荷值比较接近, 贡献差异较小。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 RIL染色体籼粳成分主成分载荷矩阵 Table 4 Load matrix of principal component analysis on chromosome elements of RILs 分量来源 Component source 主成份 Main component X1 X2 X3 X4 X5 Chr.1 0.311 -0.576 -0.312 0.117 -0.367 Chr.2 0.470 0.149 -0.560 0.119 -0.259 Chr.3 0.489 0.278 0.249 -0.574 -0.113 Chr.4 0.491 0.504 0.248 -0.170 Chr.5 0.547 0.127 0.320 0.470 Chr.6 0.427 -0.278 -0.370 -0.152 Chr.7 0.422 0.228 -0.647 0.190 Chr.8 0.546 0.272 -0.394 0.213 Chr.9 0.332 0.382 0.369 -0.133 Chr.10 0.450 0.462 0.420 -0.147 Chr.11 0.265 -0.366 0.491 0.386 -0.302 Chr.12 0.377 -0.294 0.178 0.600

表4 RIL染色体籼粳成分主成分载荷矩阵 Table 4 Load matrix of principal component analysis on chromosome elements of RILs

综合表2、表3和主成分分析可知, F₁的产量及其构成要素和杂种优势与父本RIL Chr.8、Chr.11、Chr.12的偏粳系数D_j值关系密切。根据杂种F₁的产量高低和产量杂种优势强弱, 挑选出极端高和极端低两组, 对其父本RIL的Chr.8、Chr.11和Chr.12染色体上的籼粳片段分布情况进行分析(图3)。如图所示, 当父本RIL染色体Chr.8上的分子标记RM408-RM25区间上存在籼性片段时, F₁具有较高产量和穗数。当父本RIL染色体Chr.11上的分子标记RM286-RM4和PSM366-RM224之间存在籼性片段时, 杂种F₁具有较高的产量、穗数和千粒重。当父本RIL染色体Chr.12上的RM519-RM270区间存在籼性片段时, 杂种F₁具有较高的产量杂种优势。

图3

Fig. 3

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	图3 RIL染色体籼粳成分与杂种F1产量及杂种优势相关的标记位点分布Fig. 3 Markers position for correlation of chromosomes’ Dj with yield and HMP in F1

程侃生的形态指数法(程氏指数法)在籼粳分类上得到众多学者广泛的认可, 能较圆满地区分籼粳品种, 但无法得知籼粳交育成品种的籼粳成分比例和构成。随分子生物学的飞速发展, 利用分子标记来研究亲本血缘关系及判定籼粳分类成为可能。本研究表明, 利用以形态指标的程氏指数及以分子标记为主的偏粳系数(D_j值)在分类群体籼粳成分上具有一定的相似性, 可作为划分目标材料籼粳成分的依据, 这与陈跃进等^[8]的研究结果较一致。卢宝荣等^[9]研究认为基于高通量InDel分子标记鉴定籼粳稻与基于程氏指数法鉴定结果在很大程度上表现一致。刘丹等^[10]、孙健等^[11]研究认为利用InDel、SSILP标记鉴定北方粳稻籼粳成分高效准确, 与程氏指数法鉴定结果较一致。而张培江等^[12]、王彦荣等^[13]研究认为程氏指数法与SSR分子标记对籼粳分类结果不完全一致。分析认为程氏指数法主要利用形态及部分生理特性, 受环境及人为操作影响较大, 有一定的误差。分子标记能直接反应DNA的差异, 相对准确率较高, SSR、ILP、InDel和SNPs^{[14, 15, 16, 17]}等分子标记被认为是鉴定籼粳成分快速、高效的方法。

在父本籼粳成分构成与F₁产量关系的分析中, 杂种F₁单株产量及杂种优势与父本的程氏指数的相关分析不显著, 却与父本的偏粳系数呈极显著负相关, 进一步分析表明二者存在二次曲线关系, 说明基于粳型光温敏核不育系GB028S (Chi: 20.5, D_j: 0.875)组配的杂交组合, 当父本偏粳系数在0.55~ 0.65范围时具有形成杂种优势实现高产的潜力。在染色体的籼粳成分与单株产量等性状及相应杂种优势的相关分析中, F₁单株产量与父本Chr.8和Chr.11的偏粳系数呈显著负相关, 当父本Chr.8上的RM408-RM337、RM337-PSM150、PSM150-RM38、RM38-RM25和Chr.11上的RM286-RM4、PSM366- PSM418、PSM418-RM224标记之间存在不同程度籼性片段时, 组配后的杂种F₁具有较高的产量。很多研究也在上述区间附近发现很多调控产量及其相关的基因或QTL, Luo等^[18]在研究杂交籼稻杂种优势上位性遗传基础时将穗数qPP8定位在RM38附近, 陈深广等^[19]将控制结实率杂种优势的qHSF-8定位在RM337附近, 赵秀琴等^[20]将穗粒数qGN8定位在RM38。陈冰嬬等^[21]研究籼稻恢复系蜀恢527籽粒性状QTL时将千粒重qTGW11定位在RM286附近, Li等^[22]和Chai等^[23]将单株产量qGY11-2和qGYP11.7、赵芳明等^[24]和王智权等^[25]将千粒重qTGW11、徐建龙等^[26]将单株有效穗数qPN11、赵秀琴等^[20]将穗粒数qGN11b均定位在RM224附近, 可见标记RM224附近可能存在与产量相关的重要基因, 这需要在以后的研究中进一步筛选挖掘。单株产量的杂种优势与Chr.12的偏粳系数呈极显著负相关, 通过分析筛选出Chr.12上的RM519-PSM189、PSM189-PSM190和PSM190-RM270标记之间存在籼性片段时, F₁具有较高的产量杂种优势。辛业云等^[27]在研究两系杂交籼稻两优培九杂种优势中将产量qHY12定位在RM519附近, 王智权等^[25]将每穗粒数qHSPP12和结实率qHSSR12及穆平等^[28]将有效穗数qPN12定位在RM270附近。总之, 北方两系杂交粳稻利用籼粳交提高产量杂种优势, 其亲本选育上应侧重挖掘研究Chr.8、Chr.11和Chr.12在上述标记附近的籼性基因, 有效导入目标基因, 提高分子标记在育种实践上的应用价值。

亲本间的遗传差异被普遍认为是子代产生杂种优势的基础, 杂种优势的产生在一定范围内取决于双亲的遗传差异性和性状互补性等因素。而遗传距离作为定量描述遗传差异的方法之一, 被许多学者用于杂种优势的预测。本研究中亲本间的遗传距离与F₁单株产量和部分性状及杂种优势的相关分析都未达显著水平, 表明分子标记遗传距离与F₁的杂种优势没有明显和必然的联系, 这与李任华等^[29]、廖伏明等^[30]、孙传清等^[31]、朱作峰等^[32]和张涛等^[33]研究结果比较一致。而蔡建等^[34]和赵庆勇等^[35]研究认为分子标记遗传距离与杂种优势呈显著正相关。王友林等^[36]研究认为Indel标记遗传距离在不同类型品种间具有较好的杂种优势预测能力, 可以用于单穗重的优势预测, 即随着遗传距离的扩大, 杂种优势主要体现在单穗重的增加上。罗小金等^[37]认为不同材料、不同遗传距离范围F₁的单株产量及杂种优势与遗传距离的相关性存在很大差别, 表现出很复杂的关系, 在特定遗传距离范围内存在相关性。游书梅等^[38]研究认为基于单一性状的QTL标记的遗传距离与杂种优势存在正相关。Melchinger等^[39]研究认为杂种优势和遗传距离为二次曲线相关, 一定范围内杂种优势因亲本间遗传距离的增加而增强, 但超出这个范围, 杂种优势呈现减弱的现象。也有的研究认为, 同一杂种优势群内的亲本组合中, 亲本遗传距离与杂种一代呈显著相关; 而在不同杂种优势群之间较远的组合中, 相关不显著^{[40, 41, 42]}。Saghai等^[43]、Zhao等^[44]也认为分子标记遗传距离与杂种优势的关系受材料来源、亲本数目、亲缘关系及所用标记位点的数量等因素的影响, 故而预测性不足。结合上述研究分析主要原因^{[45, 46, 47]}: ①研究的性状及标记的数目较少, 有些性状对杂种优势的表现贡献较低或无贡献。②大多数量性状的表达易受环境影响, 环境(包括同一地点不同年份)的差异导致结果的不同, 使亲本间遗传差异估计的准确性大大降低。③由于上位性的作用, 增加标记的数目可能并不能增加上述相关性, 检测结果只能代表少量基因型, 因此所得遗传差异并不能全部代表亲本间的遗传差异, 而应该寻找与所研究性状有紧密连锁的标记位点。④性状之间相关的复杂性, 也导致遗传距离和杂种优势之间的复杂化。近年来, 洪德林等^{[48, 49, 50, 51, 52]}率先在杂交粳稻上开展亲本产量性状优异配合力的标记基因型筛选工作, 研究得出RM152-165/170和RM2439-150标记是单株日产量和单株有效穗数优异配合力效应最大的标记基因型, RM8254-120/180标记对增加穗部性状的枝梗数贡献较大, 进而为提高粳稻杂种优势预测提供了参考。赵彦宏等^[53]研究把杂种优势精确分担到各个QTL位点上, 估算控制性状的QTL 遗传效应进而预测杂种优势。

综上所述, 杂种优势的形成来源于亲本间的遗传差异, 而亲本间的遗传差异可用遗传距离来衡量。虽然基于分子标记的遗传距离用于杂种优势预测在理论和实践上尚无定论, 但普遍认为遗传距离的深化研究是预测杂种优势的有效途径, 只是在度量遗传距离的方法上还有待探讨, 找到能准确有效地度量遗传距离的手段, 将提高遗传距离在杂种优势预测上的应用价值。同时, 挖掘筛选与目标性状杂种优势密切相关的功能基因座位, 利用高通量分子标记精确定位, 分析主效基因及微效基因的作用, 对目标性状开展杂种优势的预测, 提高品种选育的目标性。