曹應江 游書梅 蔣開鋒 張 濤 楊 莉 楊乾華 秦 儉 鄭家奎

(四川省農(nóng)業(yè)科學院水稻高粱研究所/國家水稻改良中心瀘州分中心/農(nóng)業(yè)部西南水稻生物學與遺傳育種重點實驗室，四川 德陽 618000)

水稻是最重要的糧食作物之一，世界上一半以上的人口以稻米作為主食[1]。在我國，隨著現(xiàn)代工業(yè)化和城市化的發(fā)展，可種植水稻耕地面積逐漸減少，因此通過提高水稻單位面積產(chǎn)量，保證稻谷總產(chǎn)量，是我國育種家普遍采取的主要技術(shù)途徑。我國從1973年實現(xiàn)水稻三系配套成功，1976年開始大面積推廣種植雜交稻以來，水稻單產(chǎn)大幅度提高[2]，有效緩減了耕地減少與稻米需求增長之間的矛盾。高配合力親本的創(chuàng)制，是培育高產(chǎn)雜交稻新品種的必要條件。因此，定位水稻產(chǎn)量性狀高配合力數(shù)量性狀座位(quantitative trait locus，QTL)，對水稻高產(chǎn)育種具有重要意義。

配合力是指一個親本(純系、自交系或品種)材料在由它所產(chǎn)生的雜種一代的產(chǎn)量或其他性狀表現(xiàn)中所起作用相對大小的能力。配合力分為一般配合力和特殊配合力。一般配合力(general combining ability，GCA)是指一個被測自交系與其他自交系組配的一系列雜交組合產(chǎn)量或其他數(shù)量性狀的平均表現(xiàn)，由基因的加性效應決定，是可遺傳的部分，因此GCA 的高低取決于自交系所含有利基因位點的數(shù)量，自交系所含有利位點越多，其GCA 越高。特殊配合力(specific combining ability，SCA)是指2 個親本(系)所組配的雜交種產(chǎn)量或其他數(shù)量性狀的水平。不完全雙列雜交(NCⅡ)設計是配合力分析最經(jīng)典的遺傳試驗設計。NCⅡ設計是指把供試親本按試驗要求分為2 組，只進行組間雜交，不進行組內(nèi)雜交。當一組親本數(shù)為n，另一組親本為m 時，共有m×n 個組合。廣大育種家已將這種設計應用于不同作物多種性狀的配合力研究[3-8]。

GCA 作為水稻親本最核心的性狀之一，除了采用傳統(tǒng)的廣泛雜交方法篩選高配合力親本外，研究者還主要開展了以下研究:一是優(yōu)異配合力的簡單重復序列標記(simple sequence repeats，SSR)鑒定或關(guān)聯(lián)標記篩選研究[9-10]；二是把配合力看作一個性狀，用數(shù)量性狀QTL 定位的方法開展研究。Qu 等[11]利用珍汕97與9311 的重組自交系群體，與兩系不育系雜交構(gòu)建雙列雜交群體，定位水稻相關(guān)性狀的一般配合力QTL；Xiang 等[12]定位了22 個主要產(chǎn)量性狀一般配合力QTLs；Qi 等[13]開展了玉米一般配合力QTL 定位研究。此外，付新民[14]和張慶路[15]利用中國香稻與明恢63構(gòu)建的重組自交系群體，開展了水稻一般配合力QTL定位研究。本研究利用瀘恢8258 與揚恢34 構(gòu)建的重組自交系(recombinant inbred lines，RIL)群體，分別與3 種不同胞質(zhì)類型的不育系瀘98A(K 型)、Ⅱ-32A(印尼水田谷型)、岡46A(岡型)雜交，構(gòu)建雙列雜交群體、定位水稻產(chǎn)量及相關(guān)性狀一般配合力的QTL，以期為水稻產(chǎn)量性狀高配合力基因的分子標記輔助選擇，精細定位或克隆提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

瀘恢8258 是四川省農(nóng)業(yè)科學院水稻高粱研究所選育的水稻高配合力恢復系，是我國應用面積較大的水稻恢復系之一。目前，以瀘恢8258 為親本共組配了8 個品種，11 次通過省級或國家審定(表1)。本研究選用瀘恢8258 與揚恢34 雜交，構(gòu)建了包含193 個家系的重組自交系群體，按照NCⅡ設計的方法，分別與3 種不同類型胞質(zhì)的不育系瀘98A(K 型)、Ⅱ-32A(印尼水田谷型)、岡46A(岡型)雜交，包含雙親的雜交組合，共獲得585 份雜交種子作為試驗材料。

表1 以瀘恢8258 為親本之一組配的8 個雜交稻品種Table1 Eight hybrid rice varieties using Luhui 8258 as one of the parents

1.2 田間試驗

田間試驗在同一年份的3 種環(huán)境下進行，分別是四川省農(nóng)業(yè)科學院水稻高粱研究所德陽基地(德陽，Deyang)、瀘州基地(瀘州，Luzhou)以及四川省遂寧市大英縣象山鎮(zhèn)(遂寧，Suining)。根據(jù)3 個試驗點的不同氣候環(huán)境，結(jié)合當?shù)氐拇筇锷a(chǎn)，德陽基地3月25日播種，5月1日移栽；瀘州基地3月10日播種，4月12日移栽；遂寧4月5日播種，5月10日移栽。每份材料種植3 行，每行6 株，行株距統(tǒng)一為33.3 cm×19.8 cm。第1 次重復按編號順序栽插，第2、第3 次重復時每重復內(nèi)隨機排列。田間肥水管理同當?shù)卮筇锷a(chǎn)，及時防治病蟲害。整個試驗期間，未遭遇影響水稻生長的極端異常天氣。

1.3 水稻性狀調(diào)查與數(shù)據(jù)分析

成熟時，行區(qū)內(nèi)去除邊際效應，選取中間生長整齊一致的3 株水稻考種，包括單株生物量、收獲指數(shù)、單株產(chǎn)量、有效穗數(shù)、每穗穎花數(shù)、每穗實粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重8 個性狀。瀘州點未考察單株生物量和收獲指數(shù)。

利用DPS 7.05 軟件分析配合力及相關(guān)遺傳參數(shù)，配合力分析參照文獻[16-17]的方法。

1.4 連鎖圖譜構(gòu)建及QTL 定位

連鎖遺傳圖譜應用Mapmaker 3.0 構(gòu)建，利用Kosambi 函數(shù)將重組率轉(zhuǎn)化為遺傳距離(cM)[18]，并應用MapDraw V2.1 繪制遺傳連鎖圖譜[19]。首先利用Temnykh 等[20]報道的524 個SSR 標記篩選到112 個標記在雙親間有多態(tài)性，然后結(jié)合群體擴增情況，去掉12 個圖像不清晰和極度偏分離的標記后共有100 個標記，最后利用這100 個標記構(gòu)建初步的遺傳圖譜。針對初步遺傳圖譜中遺傳距離較遠的區(qū)間，查詢水稻基因組數(shù)據(jù)庫(http:/ /www.gramene.org)公布的水稻基因組數(shù)據(jù)，重新設計了363 個SSR 標記、95 個插入缺失標記(insertion-deletion，InDel)和80 個序列標簽位點標記(sequence-tagged site，STS)，并對雙親進行多態(tài)性檢測，篩選到84 個標記進入圖譜。最終遺傳圖譜包含184 個標記，每條染色體的標記數(shù)在12 ～22 個之間，平均每條染色體標記數(shù)為15.33 個。InDel 和STS 標記名稱及序列詳見表2。所有的標記均由上海英駿生物技術(shù)有限公司合成。采用Sodium dodecyl sulfate(SDS)法提取DNA。

表2 圖譜中用到的InDel 和STS 引物序列Table2 Primer sequences of InDel and STS used in this study

利用標記加密后的遺傳圖譜，結(jié)合表型農(nóng)藝性狀統(tǒng)計值，采用Win QTL Cartographer 2.5 軟件進行QTL分析[21]，應用復合區(qū)間作圖法(composite interval mapping，CIM)，以似然函數(shù)比值的對數(shù)(logarithm of odds，LOD)值≥2.5 作為QTL 存在閾值，檢測QTL，估算QTL 的加性效應和可解釋表型變異量。采用McCouch[22]的命名系統(tǒng)對定位到的QTL 進行命名。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻各性狀方差分析及一般配合力方差分析

在德陽、遂寧和瀘州3 種環(huán)境下，大多數(shù)性狀的遺傳型、恢復系、不育系、恢復系×不育系的F值均達到顯著或極顯著差異水平(表3)，說明各處理間存在顯著的遺傳差異。但也有少數(shù)性狀在個別環(huán)境下未達到顯著差異水平，如收獲指數(shù)在德陽和遂寧環(huán)境下的恢復系×不育系間等。多數(shù)性狀在區(qū)組間未達到顯著差異水平，說明試驗整體比較均勻，但仍然有少數(shù)性狀在不同環(huán)境的區(qū)組間達到極顯著差異水平，這種現(xiàn)象可能是土壤肥力差異或其他因素造成的。

表3 水稻8 個農(nóng)藝性狀在3 種環(huán)境下的配合力的方差分析(F 值)Table3 Variance analysis of the combining ability of eight yield-associated traits under three environments(F value)

2.2 水稻各性狀基因型方差、貢獻率和遺傳力

由表4可知，水稻各性狀在3 種環(huán)境下一般配合力方差占比(Vg)均大于50.00%(德陽環(huán)境中單株產(chǎn)量，瀘州環(huán)境單株產(chǎn)量和結(jié)實率除外)，說明本試驗中F1的表現(xiàn)主要受到親本間基因加性效應的作用。VgR占總方差的比率在8.79%～84.27%之間，每穗穎花數(shù)在德陽、遂寧和瀘州3 種環(huán)境下VgR 占Vg比均大于50.00%，說明該性狀在3 種環(huán)境下恢復系發(fā)揮了主要作用。單株生物量、有效穗數(shù)、每穗實粒數(shù)等3 個性狀在德陽和遂寧環(huán)境下VgR 占比均大于50%，說明這3個性狀在德陽和遂寧環(huán)境下恢復系起了主要作用。不育系一般配合力方差占比在1.86%～59.92%之間，德陽環(huán)境中千粒重占比大于50.00%；遂寧環(huán)境中結(jié)實率占比大于50.00%；瀘州環(huán)境中千粒重占比大于50.00%，表明這些性狀在各自的環(huán)境中不育系發(fā)揮了主要作用。

由表4可知，各性狀廣義的遺傳力在13.55%～84.77%之間，狹義的遺傳力在10.62%～79.23%之間。千粒重在3 種環(huán)境下廣義和狹義的遺傳力均高于70.00%，說明該性狀遺傳給子代的能力很強，不易受環(huán)境變化的影響，而其他性狀在3 種環(huán)境下的遺傳力均較小，說明這些性狀容易受環(huán)境的影響。

2.3 水稻各性狀一般配合力的相關(guān)性

由表5可知，各性狀在德陽、遂寧和瀘州3 種環(huán)境下一般配合力相關(guān)系數(shù)在-0.68 ～0.96 之間，其中部分性狀一般配合力相關(guān)性均達到顯著或極顯著差異水平，如有效穗數(shù)、每穗實粒數(shù)、結(jié)實率與單株產(chǎn)量，每穗穎花數(shù)、每穗實粒數(shù)與有效穗數(shù)，每穗實粒數(shù)、千粒重與每穗穎花數(shù)，結(jié)實率、千粒重與每穗實粒數(shù)。此外，部分性狀間的相關(guān)性只在1 種環(huán)境下達到顯著或極顯著水平，如單株產(chǎn)量與千粒重僅在遂寧環(huán)境下達到顯著相關(guān)；部分性狀無相關(guān)性，如收獲指數(shù)與千粒重，每穗穎花數(shù)與結(jié)實率等。上述結(jié)果說明水稻各性狀的一般配合力間具有復雜的關(guān)系。

表4 水稻8 個性狀的基因型方差、配合力方差的貢獻率和遺傳力Table4 Genotypic variance，contribution ratio of combining ability variance and heritability for eight yield-associated traits

2.4 一般配合力在水稻重組自交系中的分布

根據(jù)各性狀一般配合力效應的大小及變異幅度，將193 個株系分為15 個組。由圖1可知，水稻各性狀在德陽、遂寧和瀘州不同環(huán)境下表現(xiàn)為正態(tài)分布或偏態(tài)分布，有明顯的峰值，表明各性狀一般配合力效應在水稻重組自交系群體中呈連續(xù)分布，具有多基因控制數(shù)量性狀的顯著特征，適合進行QTL 分析。

2.5 水稻各性狀一般配合力的QTL 定位

由圖2和表6可知，德陽、遂寧和瀘州3 種環(huán)境下共檢測到50 個一般配合力QTL，分布在除第5 號染色體外的其他11 條染色體上。單個QTL 貢獻率變幅在3.26%～34.26%之間，LOD 值變幅為2.52～16.55。檢測到QTL 數(shù)量最多的性狀是每穗穎花數(shù)和結(jié)實率，為8 個；最少的性狀是收獲指數(shù)，為2 個。27 個QTL 增效等位基因來自瀘恢8258，占檢測到QTL 總數(shù)的54.00%，除每穗穎花數(shù)和每穗實粒數(shù)一般配合力QTL多數(shù)增效等位基因來自揚恢34 外，其他性狀的QTL增效等位基因大多來自瀘恢8258。在所有QTL 中，有5 個QTL 在德陽、遂寧和瀘州3 種環(huán)境中均被檢測到，分別是控制有效穗數(shù)的qEP2-2，位于第2 染色體的RM526～RM599 區(qū)間，對表型的貢獻率分別為8.94%、10.46%和16.53%，增效等位基因來自瀘恢8258；控制每穗穎花數(shù)的qSP2-2，對表型的貢獻率分別為27.83%、14.54%和34.26%，增效等位基因來自揚恢34；控制每穗實粒數(shù)的qFGP2-2，對表型的貢獻率分別為24.00%、10.30%和17.75%，增效等位基因來自揚恢34；控制千粒重的qTGW1 和qTGW2，對表型的貢獻率為5.98%、6.48%、18.66%和29.01%、24.84%、12.05%，增效等位基因來自瀘恢8258。此外，還有qHI3、qEP7、qSP7、qSSR12-1、qTGW3-2 5 個QTL 在其中2 種環(huán)境下檢測到。其他的QTL 僅在其中一種環(huán)境下檢測到，具體分析如下:

表5 水稻8 個產(chǎn)量性狀一般配合力的相關(guān)性Table5 Correlation coefficients between eight rice yield-associated traits of general combining ability

1)單株生物量。在德陽和遂寧環(huán)境下檢測到6個控制單株生物量的QTL，分布在第2、第3、第8、第9和第12 條染色體，單個QTL 對表型的貢獻率在4.49%～9.84%之間，qBYP2-1 和qBYP12 QTL 增效等位基因來自瀘恢8258，其他QTL 增效等位基因來自揚恢34。

2)收獲指數(shù)。共檢測到2 個控制收獲指數(shù)的QTL，分布在第1 和第3 條染色體，單個QTL 對表型的貢獻率在7.60%～17.42%之間。qHI3 在2 種環(huán)境下均被檢測到，對表型的貢獻率為17.42%和10.86%，增效等位基因來自瀘恢8258。

3)單株產(chǎn)量。德陽、遂寧和瀘州3 種環(huán)境下共檢測到5 個單株產(chǎn)量一般配合力QTL，分布在第2、第3、第4、第6 和第9 條染色體，單個QTL 對表型的貢獻率在5.67%～9.28%之間，5 個QTL 增效等位基因全部來自瀘恢8258。

4)有效穗數(shù)。共有7 個有效穗數(shù)一般配合力QTL被檢測到，分布在第2、第3、第7、第9 和第10 條染色體，單個QTL 對表型的貢獻率在5.58%～19.20%之間。qEP2-2 在3 種環(huán)境下均被檢測到，對表型的貢獻率分別為8.94%、10.46%和16.53%，增效等位基因來自瀘恢8258；qEP7 在德陽和遂寧環(huán)境下檢測到，對表型的貢獻率為5.58%和9.29%，增效等位基因來自揚恢34。此外，還有qEP2-1、qEP2-3、qEP9 和qEP10 4個QTL 增效等位基因來自瀘恢8258。

圖1 8 個產(chǎn)量相關(guān)性狀一般配合力在水稻重組自交系群體中的分布Fig.1 Distribution of general combining ability on eight yield-associated traits of rice in RIL population

5)每穗穎花數(shù)。德陽、遂寧和瀘州3 種環(huán)境下共檢測到8 個控制每穗穎花數(shù)一般配合力QTL，分布在第2、第7、第8、第9、第10 和第11 條染色體，單個QTL 對表型的貢獻率為3.89%～34.26%之間。qSP2-2 在3 種環(huán)境下均被檢測到，對表型的貢獻率為27.83%、14.54%和34.26%，增效等位基因來自揚恢34。qSP7 在德陽和遂寧環(huán)境下檢測到，對表型的貢獻率為8.73%和5.35%，增效等位基因來自瀘恢8258。qSP7、qSP8 和qSP11 3 個QTL 增效等位基因來自瀘恢8258，其他QTL 增效等位基因來自揚恢34。

6)每穗實粒數(shù)。共檢測到7 個控制每穗實粒數(shù)一般配合力的QTL，分布在第2、第3、第7、第9、第10條染色體，單個QTL 對表型的貢獻率在4.05% ～24.00%之間。qFGP2-2 在德陽、遂寧和瀘州下均被檢測到，對表型的貢獻率為24.00%、10.30%和17.75%，增效等位基因來自揚恢34。qFGP3、qFGP7 和qFGP10 3 個QTL 增效等位基因來自瀘恢8258，其他QTL 增效等位基因來自揚恢34。

7)結(jié)實率。共有8 個結(jié)實率一般配合力QTL 被檢測到。單個QTL 對表型的貢獻率在4.25% ～20.64%之間，qSSR12-1 在德陽和遂寧2 種環(huán)境下同時被檢測到，對表型的貢獻率為7.92%和10.93%，增效等位基因來自瀘恢8258。其他還有qSSR3-1、qSSR3-2 和qSSR9 3 個QTL 增效等位基因來自瀘恢8258，其他QTL 增效等位基因來自揚恢34。

8)千粒重。在德陽、遂寧和瀘州3 種環(huán)境下共檢測到7 個控制千粒重一般配合力QTL，單個QTL 對表型的貢獻率在3.26%～29.01%之間。有2 個QTL 在3種環(huán)境下均檢測到，分別是qTGW1(表型貢獻率為5.98%、6.48%和18.66%)、qTGW2(表型貢獻率為29.01%、24.84%和12.05%)，增效等位基因均來自瀘恢8258。qTGW3-2 在德陽和遂寧均被檢測到，對表型的貢獻率為3.26%和5.88%，增效等位基因來自瀘恢8258。此外，還有qTGW3-1 增效等位基因來自瀘恢8258，其他QTL 增效等位基因來自揚恢34。

表6 德陽、遂寧和瀘州3 種環(huán)境下檢測到的各產(chǎn)量相關(guān)性狀的QTLTable6 QTL for GCA of yield-associated traits identified in 3 environments such as Deyang，Suining and Luzhou

表6 (續(xù))

圖2 水稻各產(chǎn)量相關(guān)性狀一般配合力QTL 在染色體上的分布Fig.2 Distribution of QTLs for rice yield associated traits of GCA on chromosomes

3 討論

選育高配合力親本材料是培育優(yōu)異雜交品種的基礎，然而在實際的育種實踐中，育種專家通常是利用穩(wěn)定的品系與不同的材料廣泛的雜交，通過雜交F1組合表現(xiàn)的好壞，評價該品系配合力的高低，這種方法工作量大，耗時長。隨著科學技術(shù)的進步，越來越多的性狀已從原來單一表型的選擇，轉(zhuǎn)變?yōu)楦雍啽闱矣行У姆肿訕擞涊o助選擇，如水稻抗稻瘟病[23-24]、水稻部分品質(zhì)基因[25]等。然而對于水稻高配合力基因的定位鮮有研究，目前高配合力基因分子標記輔助選擇成功的報道較少。本研究共檢測到50 個產(chǎn)量或相關(guān)性狀高配合力的QTL，為產(chǎn)量性狀一般配合的分子標記輔助選擇提供了理論基礎。

水稻產(chǎn)量性狀的遺傳不僅受到本身基因位點的影響，而且易受環(huán)境、遺傳世代背景等因素的影響[26-28]，因此，同一性狀在不同的作圖群體中檢測到的基因也可能不同，同一群體在不同環(huán)境或不同年份檢測到的基因也可能不同，本研究共檢測到50 個產(chǎn)量相關(guān)性狀一般配合力的QTL，但僅有qEP2-2、qSP2-2、qFGP2-2、qTGW1 和qTGW2 在德陽、遂寧和瀘州3 種環(huán)境下被檢測到，qHI3、qEP7、qSP7、qSSR12-1 和qTGW3-2 在其中2 種環(huán)境下被檢測到，其他的QTL 僅在其中1 種環(huán)境下檢測到，表明水稻一般配合力QTL 在不同環(huán)境下表達的差異化。

根據(jù)已有報道，科學家們對水稻QTL 進行了大量的研究，許多的性狀檢測到了大量的QTL，如產(chǎn)量性狀、品質(zhì)性狀、農(nóng)藝性狀等，甚至有部分QTL 已經(jīng)被克隆，如GS5[29]、Ghd7[30]等。但水稻產(chǎn)量性狀一般配合力QTL 的報道相對較少，更沒有QTL 被克隆。本研究共檢測到50 個產(chǎn)量性狀一般配合力QTL，與前人檢測到的QTL 比較，多為不同位點，僅有控制單株產(chǎn)量一般配合力的qYYP4 與張慶路[15]檢測到的qYD-4 在相同區(qū)間。本研究中檢測到的其他一般配合力QTL 鮮見相關(guān)報道。就單一性狀的QTL 與本研究檢測到配合力QTL 有重疊的現(xiàn)象，如每穗實粒數(shù)的qFGP3 與沈希宏等[31]報道的qFGP3.2 和馮躍等[32]報道的qFGP3.1 位于相近區(qū)間。由此可知，雖然部分單一性狀QTL 與配合力QTL 的區(qū)間有重疊，但其間是否存在必然關(guān)系，還需進一步深入研究。

4 結(jié)論

本研究共檢測到50 個產(chǎn)量性狀一般配合力QTL，單個QTL 對表型的貢獻率變幅在3.36%～34.26%之間，有27 個增效等位基因來自瀘恢8258，有5 個QTL在德陽、遂寧和瀘州3 種環(huán)境下均被檢測到，有5 個QTL 在其中2 種環(huán)境下檢測到，其他QTL 在1 種環(huán)境下檢測到。本研究結(jié)果為進一步開展相關(guān)基因的精細定位、克隆和分子標記輔助育種奠定了基礎。