杂交水稻茎蘖成穗性状的配合力及其遗传关系分析

黄永相，刘永柱，王 慧，郭建夫，陈志强*

(1.广东海洋大学 农学院，广东 湛江 524088;2.国家植物航天育种工程技术研究中心，广东 广州 510642)

茎蘖数是评价水稻植株个体生长及群体质量的重要指标［1］，其发生迟早及多少直接关系到水稻生长后期群体冠层结构和营养运转分配［1－3］。同时，茎蘖发育成穗状况的优劣，也决定了植株个体(群体)的有效穗数、光合面积及产物损耗，进而影响着水稻的产量形成［4－5］。在水稻超高产育种中，培育茎蘖数变化平稳、成穗率高的品种(组合)已成为的主要研究方向之一［6－7］。国际水稻所(IRRI)提出以利用爪哇稻资源为主的“水稻新株型”育种计划，其最突出指标就是少蘖大穗和无无效分蘖，即分蘖成穗率为100%［6］。我国提出“理想株型与杂种优势利用结合”的超级稻育种技术路线，就是要适当增加株高，减少分蘖数，提高成穗率，生物产量与经济系数并重［7］。目前，这些研究［6－7］已表明水稻茎蘖成穗特性具有遗传多样性及可改良性，因此，对其配合力效应及遗传差异作进一步分析，将有助于杂交水稻亲本茎蘖成穗特性的遗传改良及组合选配。为此，本研究利用杂交籼稻7个不育系、4个恢复系及2个广亲和粳稻品种，按7×6NCII设计配制杂交组合，对其茎蘖成穗相关性状的配合力、遗传力特性进行分析，探索亲本配合力表现与遗传背景差异的关系，以期为水稻茎蘖成穗性状的遗传效应及杂种优势利用研究提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

母本材料为7个籼稻不育系:Ⅱ－32A(A1)、珍汕97A(A2)、优ⅠA(A3)、龙特甫A(A4)、培矮64S(A5)、博A(A6)和博ⅡA(A7)，父本材料为4个籼稻恢复系及2个广亲和粳稻品种:直龙(R1)、广恢128(R2)、明恢63(R3)、明恢86(R4)、02428(R5)和 Francis(R6)。

1.2 田间试验方法

试验在广东海洋大学农学院科研基地试验田进行。于2009年3月将上述亲本材料进行播种种植，按照7×6不完全双列杂交设计配制42个杂交组合。2009年7月20日播种42个杂交组合及其亲本，8月10日移栽;试验采用随机区组设计，3次重复，3行区，每行10穴，株行距21 cm×21 cm，每穴单苗，田间管理同大田生产。分蘖期在各小区选取生长较一致的5株定点(中间行)，每隔5 d调查1次茎蘖数，成熟期调查单株有效穗数。

1.3 SSR 分析

亲本叶片DNA的提取参照 McCouch等［8］的 SDS法。根据水稻数据库网站 GRAMENE(www.gramene.org)提供的茎蘖成穗相关性状QTL信息，选用56对在12条染色体上均匀分布的连锁SSR引物对供试亲本进行多态性分析。引物序列由上海生工公司合成。

PCR 反应体系总体积为 20 μL，其中包括 2 ×PCR Reaction Mix 10 μL(100 mmol/L KCl，20 mmol/L Tris-HCl，3.0 mmol/L MgCl2，400 nmol/L dNTP);50 ～100 ng 的基因组 DNA，1 U 的 Taq 聚合酶和0.1 μmol/L引物。扩增程序为:94℃预变性5 min;94℃变性30 s，57℃退火30 s，72℃延伸1 min，循环35次;72℃再延伸10 min。80 g/L聚丙烯酰胺凝胶电泳，1 g/L硝酸银染色。

1.4 数据统计与分析

根据亲本PCR扩增产物的电泳带谱，每检测到1条多态性带视为1个等位基因，根据PCR扩增结果，在相同迁移位置有带时记为1，无带时记为0，缺失时记为9。按Nei等［9］的方法计算亲本间相似系数(GS):GS=2Nij/(Ni+Nj);遗传距离(GD):GD=1－GS，式中Ni为i亲本出现的谱带数，Nj为j亲本出现的谱带数，Nij为i亲本和j亲本共有的谱带数。

成穗率=(有效穗数/茎蘖数)×100%。以小区平均数为计算单位，参照莫惠栋［10］的方法进行配合力分析。百分数参数作反正弦转换后计算，数据处理和统计分析在Excel 2003、DPS和NTSYS-pc2.1软件下进行。

2 结果与分析

2.1 各性状的方差分析

42个组合茎蘖成穗相关性状的方差分析结果列于表1。结果显示，各性状组合间均存在极显著的遗传差异。进一步对3个性状作配合力方差分析发现，除茎蘖数的组合特殊配合力方差不显著外，父本、母本的一般配合力方差及组合的特殊配合力方差在3个性状中均达显著或极显著水平，表明茎蘖数主要由基因加性效应所控制，而有效穗数和成穗率则受基因的加性与非加性效应共同作用。

表1 茎蘖成穗性状方差分析Tab.1 Variance analysis for combining ability of three tillering characters

2.2 亲本的一般配合力效应和特殊配合力方差分析

对13个亲本的一般配合力效应和特殊配合力方差进行估算，结果列于表2。同一性状不同亲本间一般配合力效应值存在显著或极显著差异。如成穗率，恢复系02428和Francis的一般配合力效应值显著高于其它亲本材料，说明这些亲本在相同性状上的基因加性效应大小存在差别。此外，同一亲本不同性状间一般配合力效应值也存在明显不同。如Francis的茎蘖数、有效穗数一般配合力效应值在所有亲本中为最低，但其成穗率一般配合力效应值却为最高。整体来看，亲本中以不育系博A、博ⅡA和恢复系明恢86、02428的表现较好，其茎蘖成穗性状的一般配合力效应值多为正值。

特殊配合力方差是度量亲本在组配的杂交组合中特殊配合力效应的变异度，特殊配合力方差大的亲本，配组时出现极端表现后代的概率比特殊配合力方差一般的亲本要高［10］。由表2可以看出，同一亲本不同性状间及同一性状不同亲本间的特殊配合力方差也都存在一定的差异。其中，6个恢复系的茎蘖数、有效穗数和成穗率的平均特殊配合力方差分别为54.39、125.16和30.01，7个不育系则相应为55.95、128.74和30.86，不育系茎蘖成穗性状的平均特殊配合力方差略高于恢复系。3个茎蘖成穗性状特殊配合力方差均较高的亲本有优ⅠA、博A、博ⅡA、直龙和明恢86。因此，结合一般配合力效应值和特殊配合力方差结果，亲本中不育系博A、博ⅡA和恢复系明恢86的综合表现最优，用其组配的后代容易出现茎蘖数多、成穗高的杂交组合。

表2 13个亲本的一般配合力效应值及特殊配合力方差Tab.2 Effects of general combining ability and variance of special combining ability of 13 parents

2.3 组合的特殊配合力效应分析

表3列出42个组合的特殊配合力效应值及其成穗率配组类型。可以看出，同一组合不同性状间的特殊配合力效应差异明显。以优ⅠA/02428为例，其茎蘖数特殊配合力较低，为－0.18，但其有效穗数及成穗率特殊配合力较高，分别为13.16和13.02。同样，同一亲本所配组合间特殊配合力效应也有差异，如博A所配组合的茎蘖数、有效穗数和成穗率变化范围分别为－4.71～11.37、－11.90～20.56和－8.94～6.74，这些不同性状间和组合间的差异性在一定程度上反映了亲本间基因互作的多效性。

对双亲一般配合力及组合特殊配合力效应值作进一步分析。首先依据一般配合力效应值是否与0差异显著，将双亲分别划分为高、中、低3种类型，以显著高于0为高，显著低于0为低，与0差异不显著为中［10］。根据上述一般配合力效应值分类标准，分析比较茎蘖成穗率特殊配合力效应值与一般配合力效应值的关系。结果表明，特殊配合力效应值高的组合几乎可以在任一的双亲一般配合力效应值类型组合中出现。例如在4个最高特殊配合力效应值组合(博ⅡA/明恢63、优ⅠA/02428、龙特甫/直龙和博A/直龙)中，双亲一般配合力效应值配组类型有高×高、高×中、中×中和中×低四种，这与低特殊配合力效应值组合的双亲类型相类似。说明杂交组合茎蘖成穗率的特殊配合力效应值高低与双亲一般配合力效应值的高、低组合关系并不密切。

表3 42个组合的特殊配合力效应值及成穗率的双亲一般配合力组合类型Tab.3 SCA in 42 hybrids and its parental GCA grouping of productive tiller percentage

2.4 亲本性状间配合力方差及遗传参数估算

为进一步分析亲本及其互作对杂交后代性状的影响，根据随机模型估算了各性状的一般配合力和特殊配合力基因型方差及其在总方差中的比重(表4)。由表4可看出，茎蘖数、有效穗数和成穗率的一般配合力基因型方差均在60%以上，说明亲本间加性效应对F1代的茎蘖成穗性状形成起主要作用。在一般配合力基因型方差中恢复系、不育系所占的比重因性状而有所不同，但恢复系基因型方差占一般配合力方差比重均大于不育系，表明恢复系对F1代茎蘖成穗性状的形成作用要大于不育系，因此在杂交F1的茎蘖成穗性状选配过程中，应多考虑恢复系的性状表现。

根据配合力方差分析结果估算了3个性状的广义遗传力和狭义遗传力，结果显示各性状的遗传力大小有所差异。其中茎蘖数、成穗率的广义遗传力和狭义遗传力均高于50%，而有效穗数仅分别为47.09%和33.07%。此外，在3个茎蘖成穗性状中，有效穗数和成穗率的狭义遗传力都明显低于广义遗传力，说明这两个性状易受非加性效应即环境变异的影响。

表4 配合力方差及群体遗传力分析Tab.4 Analysis of variance of combining ability and heritability

2.5 配合力与遗传关系的相关性

为更好地阐明亲本一般配合力及组合特殊配合力与亲本间遗传差异的关系，选择56个与茎蘖成穗性状QTL连锁的SSR标记，对13个亲本间的遗传距离进行估算(表5)。结果共检测到184个等位基因，每对标记检测出0～6个等位变异，平均为3.41个。其中，引物RM511、RM248、RM564均能检测出6个等位变异。以SSR标记多态性位点所赋值的0/1数据计算13个亲本间的相似系数为0.467～0.848，相应的标记遗传距离0.152～0.533，平均为0.329。由表5可见，亲本博ⅡA与Francis间的遗传距离最大，为0.533，而亲本龙特甫A与直龙间遗传距离最小，仅为0.152。

表5 13个亲本间的遗传距离Tab.5 Genetic distance among thirteen parents

表6 配合力效应值与表型值、中亲值、标记遗传距离的相关系数Tab.6 Correlation coefficients among combining ability，phenotypic value，mid －parental value and genetic distance with molecular markers

对F1茎蘖成穗性状的配合力效应与表型值、中亲值及亲本间标记遗传距离进行相关分析(表6)。结果表明:F1代茎蘖成穗性状的双亲一般配合力效应值之和与特殊配合力效应值的相关系数介于－0.000～0.111，均未达显著水平，说明蘖成穗性状的一般配合力与特殊配合力之间并不存在明显的内在联系。然而，F1代茎蘖成穗性状的双亲一般配合力效应值之和与表现值、中亲值及双亲间遗传距离的相关性均达极显著或显著水平，茎蘖数、有效穗数和成穗率的相关系数范围相应为0.784～0.927、0.678～0.891和－0.697～0.614。在特殊配合力效应值与其表型值、中亲值和亲本间标记遗传距离的相关中，除特殊配合力效应值与表型值的相关系数为0.544，达极显著水平外，其余相关性均未达到显著水平。

3 讨论

3.1 杂交水稻茎蘖成穗性状的遗传特点

水稻不同时期的茎蘖数是一个由多基因系统控制性状［11］。Murai等［12］认为加性效应在茎蘖系统发育过程中占主导地位;Ahmad等［13］研究则表明显性效应和上位效应也具有重要作用。梁永书［14］从日本晴/广陆矮F2群体检测出的5个分蘖相关主效QTL中，3个以加性效应为主，2个以显性效应为主。本研究结果显示，不同茎蘖成穗性状间加性效应和非加性效应的作用程度不同，其中茎蘖数主要由基因加性效应所控制，有效穗数、成穗率则受基因加性与非加性效应共同作用，并以前者为主。说明杂种F1茎蘖成穗性状的形成是以亲本基因加性效应为主，但基因非加性效应也不容忽视，这与前人研究结果相似。此外，本研究结果还显示，有效穗数和成穗率的广义遗传力都高于狭义遗传力，两性状的差值分别为14.02%和24.80%，表明其非加性遗传作用较为突出，通过亲本直接遗传给杂种F1的能力相对较弱，易受环境因素影响。

3.2 杂交水稻茎蘖成穗性状的亲本选配相对重要性

关于杂交水稻亲本对F1代性状形成效应的研究已有很多报道［15－20］，然而所得结果因取材、试验设计及研究性状不同而异。吕建群［15］、余守武［16］、廖伏明［17］、宋宇等［18］研究认为杂交稻组合中大多数农艺性状受恢复系的影响要比受不育系的影响大，仅少数性状受不育系的影响较大;吴天华［19］、刘克琦等［20］研究结果则相反。本研究通过对父本、母本及其互作对F1代贡献率进行比较分析，结果表明3个茎蘖成穗性状受恢复系的贡献率均高于不育系，特别是茎蘖数性状的恢复系贡献率高达71.80%。因此，在杂交水稻亲本选配时，应注意加强恢复系的选育，才能提高组合茎蘖成穗性状的杂种优势水平。

3.3 杂交水稻茎蘖成穗性状配合力与亲本间遗传差异的关系

亲本间的配合力效应及遗传距离测算是预测作物杂种优势的两种重要途径，亲本间的配合力效应在某种程度上可视为亲本间遗传距离的度量［21］，因此，两者间应存在一定的内在联系。但目前关于配合力与遗传距离关系的研究，不同的学者得出的结论不同。黄明等［22］研究认为分子标记遗传距离与双亲一般配合力之和间呈显著的线性正相关关系，侯荷亭等［23］研究认为亲本遗传距离与特殊配合力之间存在极显著抛物线回归关系。而倪先林［24］、刘宏伟等［25］则认为亲本遗传距离与特殊配合力间不存在明显的相关性。本研究对茎蘖成穗性状SSR标记遗传距离与配合力效应之间的关系进行研究，发现亲本间标记遗传距离与F1的特殊配合力效应的相关并不明显，而与双亲一般配合力效应值之和间呈极显著或显著相关。因此，在水稻茎蘖成穗相关性状的杂种优势研究中，利用分子标记技术对组配亲本进行遗传差异检测，将有助于提高亲本的选择效率。

［1］蒋彭炎，洪晓富，冯来定，等.水稻群体中期成穗率与后期光合效率的关系［J］.中国农业科学，1999，27(6):8－14.

［2］钟旭华，彭少兵，John S.水稻群体成穗率与干物质积累动态关系的模拟研究［J］.中国水稻科学，2001，15(2):10－13.

［3］凌启鸿，苏祖芳，张海泉.水稻成穗率与群体质量关系及其影响因素的研究［J］.作物学报，1995，21(4):463－469.

［4］张喜娟，孙晓杰，徐正进，等.水稻分蘖特性与产量关系［J］.中国农学通报，2006，22(2):130－132.

［5］黄峰伟.高产水稻群体发展规律及调控途径［J］.中国稻米，2005，11(5):30－32.

［6］Peng S，Khush G S，Cassman K G.Breaking the yield barrier［M］.Manila:IRRI，1994:5 －20.

［7］陈温福，徐正进，张文忠，等.新株型创造和超高产育种［J］.中国农业科学，2001，27(5):665－674.

［8］McCouch S R，Chen X，Panaud O.Microsatellite marker development mapping and applications in rice genetics and breeding［J］.Plant Mol Biol，1997，35(1 －2):89 －99.

［9］Nei M，Li W H.Mathematical model for studying genetic variation in terms of restriction endonucleases［J］.PNAS，1979，76(10):5256－5273.

［10］莫惠栋.p×q交配模式的配合力分析［J］.江苏农学院学报，1982，3(3):51－57.

［11］Xu Y B，Shen Z T.Diallel analysis of tiller number at different growth stages in rice(Oryza sativa L.)［J］.Theor Appl Genet，1991，83(2):243 －249.

［12］Mural M，Kinoshita T，Diallel analysis of traits concerning yield in rice［J］.Jpn J Breed，1986，36(1):7 －15.

［13］Ahmad L，Zakri A H，Jalani B S，et al.Detection of additive and non －additive variation in rice［M］//Khush G S，Rice Genetics.Manila:IRRI，1986:555 －564.

［14］梁永书，张启军，叶少平，等.水稻分蘖相关性状的QTL定位及分析［J］.中国农学通报，2005，21(12):47－52.

［15］吕建群，陈林，戴怀根，等.5个越南水稻恢复系主要农艺性状的配合力及遗传力［J］.四川农业大学学报，2010，28(4):415－420.

［16］余守武，尹建华，刘宜柏，等.三交水稻的育种研究Ⅰ:三交中晚稻主要农艺性状的配合力和遗传力分析［J］.作物学报，2005，31(6):784 －789.

［17］廖伏明，周坤炉，盛孝邦，等.籼型三系杂交水稻主要农艺性状配合研究［J］.作物学报，1999，25(5):622－631.

［18］宋宇，邹小云，贺浩华，等.籼型三系杂交水稻产量及相关性状的配合力分析［J］.江西农业大学学报，2004，26(5):719－725.

［19］吴天华，王昌华，徐正进，等.北方杂交粳稻产量性状配合力及遗传效应分析［J］.西南农业学报，2010，23(2):299－303.

［20］刘克琦，杨玉梁，郭龙平，等.含维生素A两系特种杂交稻主要农艺性状的配合力分析［J］.江西农业大学学报，2010，32(2):247 －253.

［21］金正勋，姜文沫，晋重玄，等.籼稻RAPD标记遗传距离与杂种后代稻米味度及RVA谱特性的相关分析［J］.中国水稻科学，2005，19(1):29 －35.

［22］黄明.分子标记与水稻遗传多样性及杂种优势的相关性研究［D］.长沙:湖南农业大学，2010.

［23］侯荷亭，杜志宏，赵根弟.高粱亲本遗传距离与杂种优势和特殊配合力的关系［J］.遗传，1995，17(1):30－33.

［24］倪先林，张涛，蒋开锋，等.杂交稻特殊配合力与杂种优势、亲本间遗传距离的相关性［J］.遗传，2009，21(8):849－854.

［25］刘宏伟，刘秉华，张改生，等.RAPD分子标记与小麦杂种优势相关性研究［J］.麦类作物学报，2005，25(6):1－5.