5个转Bt基因抗虫水稻恢复系的品质配合力分析

陈种凯,宋丽艳*,王 鑫,孙 玥,李 双,王春雷,周大虎,欧阳林娟,贺晓鹏,傅军如,陈小荣,朱昌兰,贺浩华**,彭小松**

(1.作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室/江西省超级稻工程技术研究中心/双季稻现代化生产协同创新中心/江西农业大学 农学院,江西 南昌 330045;2.江西天涯种业有限公司,江西 萍乡 337000)

国以农为本,农以种为先,以稻米为主食的人口占全世界人口的50%以上[1]。水稻绿色革命经历了由半矮秆水稻到三系杂交稻再到两系杂交稻的进程,推动水稻产量不断攀高,为世界水稻生产和粮食安全做出了巨大的贡献[2]。近几年,随着物质生活水平的提高,人们慢慢开始越来越关注大米的品质和口感,同时以高产杂交稻为主体的大米市场由于售价低,严重降低了农民种粮的积极性。选育米质优良的杂交稻新品种是当前水稻育种研究领域的新方向[1-3]。但杂交稻整体品质还是较常规稻略低,综合前人的研究结果发现,主要在整精米率、垩白和蒸煮品质方面难以达标[4]。配合力分析经常被用于解释水稻高产杂种优势的遗传基础；基于经典数量遗传学中的显性、超显性和上位性三大假说,最早研究者提出上位性是影响水稻产量形成的遗传基础[5,6]。后续研究表明显性、超显性和上位性均在不同程度上影响水稻的产量构成相关性状[7-9]。稻米品质的遗传基础也可以通过配合力分析进行解析,亲本一般配合力和组合特殊配合力的效应值对于稻米品质杂种优势的利用具有关键的作用[10]。配合力作为反映亲本对其后代性状影响大小的指标,可有效衡量亲本的利用价值,对于优良水稻种质资源的挖掘具有一定的参考意义。

转基因水稻的研发在水稻抗虫性的育种改良中具有里程碑式的作用,日本科学家Fujimoto等以粳稻作为中间受体材料，先将基因cry1Ab导入粳稻，最终将其导入了籼稻,是转基因技术在水稻改良中的开端[11,12]。我国在水稻上发生的主要害虫包括稻飞虱、螟虫、稻瘿蚊和稻蓟马等,抗虫水稻的培育是抵御虫害的重要措施之一[13,14]。1994年浙江大学首次利用农杆菌转化法将cry1Ab基因导入秀水11中[15]。然而,在水稻品种的产量及稻米品质性状上,转基因抗虫水稻的目标性状较单一,选育品种的成果转化与市场需求脱节,都是当前转基因水稻发展亟需解决的问题[16-18]。

昌恢871、昌恢T025等水稻恢复系材料是江西农业大学独立自主选育的材料,所配组合表现较好,尤其是昌恢871,与泰丰A配组的泰优871获批为优质超级稻。通过配合力分析结合分子标记辅助选择筛选抗虫性好、配合力强、米质优良的转基因水稻新品系,提高水稻品种间优良基因的叠加、互作及遗传背景的相互渗透,对抗虫水稻优质新品种的选育具有重要的意义[19-21]。本研究以5个转Bt基因抗虫水稻恢复系和12个不育系配制60个组合,对稻米的9个品质相关性状进行配合力分析,比较了5个转基因抗虫恢复系的一般配合力大小,以期为亲本材料的合理组配提供理论依据,为发掘具有优良米质且遗传稳定的杂交稻组合以及选育优质杂交稻提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 转基因恢复系 昌恢871T、昌恢881T、昌恢891T、昌恢T025T、昌恢121T,均由江西农业大学提供。

1.1.2 不育系 万象A、原香39A、泰乡1209A、武广S、昌盛843A、野香A、广泰A、荃9311A、红莲A、沪旱7A、华1165S、、五乡A，由全国各科研单位与种业公司提供。

1.1.3 试剂 1.5×CTAB、氯仿/异戊醇(24∶1)、无水乙醇、引物(由上海生工公司合成)、Buffer、Taq酶、dNTP、琼脂糖、GelRed等。

1.2 试验方法

将5个转基因水稻恢复系及12个不育系按NCII(5×12)设计,于2018年夏在江西农业大学转基因试验田进行杂交配组,并于2018年12月11日将F1播种于海南三亚江西农业大学南繁试验基地,于2019年1月12日移栽。于2019年5月19日将F1在江西农业大学试验田进行播种,并于同年6月21日进行移栽。釆用半干旱育秧。田间试验按照随机区组设计,每个小区栽插秧苗3行,每行10株,单本插秧；每个组合3个区组重复。

1.3 分子标记辅助检测

利用CTAB法提取DNA。将DNA稀释液进行PCR扩增,PCR反应程序为：94 ℃ 5 min;94 ℃ 1 min,55 ℃ 1 min,72 ℃ 2 min,共35个循环;72 ℃ 5 min；于4 ℃保存。反应引物为cry1C-F:5'-GAAAGAATCGCTGAGTTCGC-3'；cry2A-R:5'-GAGGCTCCTGGTTAGCCTCT-3'。将PCR扩增产物进行1.5%琼脂糖凝胶电泳,以DNA Marker DL-2000为Marker,利用凝胶成像分析仪进行电泳结果检测。

1.4 稻米品质性状考察

稻米品质性状的考察包括糙米率、精米率、整精米率、垩白粒率、长宽比、垩白度、胶稠度、碱消值、直链淀粉含量共9个性状；在水稻完熟期收取500 g左右稻谷,晒干后留作实验室检测。

1.5 数据统计与分析

利用Excel和SPSS Statistics 17.0进行数据整理、方差分析，以及一般配合力(GCA)效应值、特殊配合力(SCA)效应值、基因型方差贡献率、广义遗传率、狭义遗传率的计算。统计分析方法参照不完全双列杂交的配合力分析方法。利用Photoshop 2020软件进行电泳胶图处理。

2 结果与分析

2.1 cry1C的分子标记辅助选择

对分蘖期叶片DNA中的cry1C进行PCR扩增,进行分子标记辅助检测。琼脂糖凝胶电泳结果(图1)显示，60个F1组合均能扩增出片段长度为600 bp的cry1C,因此F1代杂交组合均为抗虫阳性单株。

M表示Marker;P表示供体亲本明恢63;N表示受体亲本(轮回亲本);1～60表示转Bt基因抗虫杂交水稻组合。

2.2 配合力方差分析

对60个组合的稻米品质性状进行方差分析，结果(表1)表明,每个组合中9个稻米品质性状方差均达到了显著水平,说明这9个稻米品质性状均存在显著的遗传差异。除了碱消值影响的父本一般配合力方差外,其余各性状的父本和母本的一般配合力方差和亲本的特殊配合力方差均存在显著性差异,表明父本和母本的基因加性效应以及父母本间的基因互作效应对于稻米品质性状起着关键的作用。所有性状的一般配合力方差均大于组合的特殊配合力方差,表明基因的加性效应对于稻米品质的影响更大。各种性状的环境配合力方差结果显示,只有整精米率、长宽比和直链淀粉含量的配合力方差未达到显著水平,说明这3个性状主要受遗传因素的影响,环境对于它们的影响较小;垩白度和胶稠度的环境配合力方差均大于一般配合力方差和特殊配合力方差,说明环境对这两个性状的影响较大。

2.3 亲本的一般配合力效应分析

在三亚地区,根据各亲本的稻米品质性状的一般配合力(GCA)分析可知,相同性状的不同亲本和同一亲本不同性状间的一般配合力存在较大差异,如表2所示。在不育系中,五乡A的糙米率GCA效应值较好,为0.02。精米率表现较好的为泰乡1209A、武广S和五乡A,GCA效应值均为0.02。原香39A、野香A和荃9311A的整精米率GCA效应值最高，均为0.02。万象A的长宽比GCA效应值最高，为0.25。垩白粒率最低的为华1165S,GCA效应值为-0.09；其次为万象A,效应值为-0.07。垩白度最低的是华1165S，其次为昌盛843A,效应值分别为-3.27、-3.08。碱消值的GCA效应值较好的有野香A、泰乡1209A和武广S,分别为0.67、0.57和0.57。胶稠度的GCA效应值适中的亲本主要有野香A和荃9311A,分别为0.86和0.04。直链淀粉含量的GCA效应值较好的是原香39A，为-1.22。在恢复系中,昌恢T025T在糙米率上的GCA效应值最好，为0.01；其次为昌恢871T、昌恢881T、昌恢121T，均为0.01；糙米率最低的是昌恢891T。昌恢891T和昌恢T025T在精米率上的GCA效应值最好，为0.01；其次为昌恢881T、昌恢121T，均为0.01；精米率最低的是昌恢871T。昌恢891T、昌恢121T在整精米率上的GCA效应值最好，均为0.01；其他从高到低依次为昌恢121T、昌恢871T、昌恢881T。稻米长宽比的GCA效应值最高的是昌恢881T,最低的是昌恢891T。垩白粒率和垩白度是评价稻米外观品质的两个最重要的指标,垩白粒率和垩白度的GCA效应值最低的是昌恢871T,分别为-0.05和-3.55。昌恢121T的碱消值GCA效应值最高，为0.42；昌恢871T的碱消值效应值最低，为-0.49。胶稠度和直链淀粉含量对于稻米蒸煮品质及软硬度最为重要,胶稠度的GCA效应值以昌恢891T最高,达到了2.97；胶稠度的GCA效应值以昌恢T025T最低，只有-3.20；昌恢871T的胶稠度效应值最为适中，为2.45。直链淀粉含量的GCA效应值以昌恢881T最高,达到1.35；以昌恢891T最低，只有-1.82。综合产量相关性状的GCA效应值可知,昌恢871T表现最好,其次为昌恢891、昌恢T025、昌恢121,而昌恢881表现最差。

表1 9个稻米品质性状的配合力方差分析结果

综上所述,恢复系的垩白粒率和垩白度的一般配合力普遍较低,胶稠度普遍较高,直链淀粉含量普遍适中。在转Bt基因抗虫恢复系的选育过程中,垩白粒率、垩白度、胶稠度和直链淀粉含量是主要的考核指标。

表2 在三亚地区各亲本品质性状的一般配合力(GCA)效应值

在南昌地区,相同性状的不同亲本和同一亲本不同性状间的一般配合力存在较大差异,如表3所示。在不育系中,五乡A的糙米率GCA效应值最高，为0.02;精米率表现较好的为万象A,其GCA效应值为0.02。原香39A的整精米率GCA效应值最高，为0.03。万象A的长宽比GCA效应值最高，为0.28。垩白粒率GCA效应值最低的为华1165S,为-0.09；其次为万象A,效应值为-0.04。垩白度GCA效应值最低的是昌盛843A,为-2.53；其次为昌盛843A,效应值为-2.40。碱消值GCA效应值较好的有原香39A、野香A和荃9311A,分别为0.65、0.42和0.37。胶稠度的GCA效应值以昌盛843A和野香A较好,分别为3.54和1.07。直链淀粉含量的GCA效应值较好的是原香39A，为-1.18。在恢复系中,昌恢T025T在糙米率上的GCA效应值为0.00；糙米率GCA效应值最低的是昌恢121T。昌恢871T和昌恢891T在精米率上的GCA效应值最高，均为0.01；最低的是昌恢T025T和昌恢121T，均为-0.01。昌恢891T在整精米率上的GCA效应值最高，为0.03。稻米长宽比GCA效应值最高的是昌恢881T，为0.17。垩白粒率和垩白度的GCA效应值最低的分别是昌恢871T和昌恢121T,分别为-0.06和-0.97。昌恢871T的碱消值效应值最高，为0.39。胶稠度的GCA效应值以昌恢891T最高,达到7.54；以昌恢871T最低，只有-5.64；昌恢881T的胶稠度效应值最为适中，为1.38。直链淀粉含量的GCA效应值以昌恢881T最高,达到1.04；最低为昌恢891T，只有-1.74。

综合评价三亚地区和南昌地区各稻米品质性状的GCA效应值,昌恢871T和昌恢891T表现较好,但昌恢871T的胶稠度GCA效应值受环境影响大,昌恢891T的垩白粒率和垩白度GCA效应值均偏高。

表3 在南昌地区各亲本品质性状的一般配合力(GCA)效应值

2.4 组合的特殊配合力比较

在三亚地区,对60个组合的各稻米品质性状进行特殊配合力(SCA)效应值分析。由表4可知,在大米研磨品质性状上,糙米率SCA效应值最高的组合为万象A/昌恢T025T,SCA效应值为0.04。精米率SCA效应值最高的组合为红莲A/昌恢T025T,SCA效应值为0.07；其次为华1165S/昌恢891T,SCA效应值为0.05。整精米率SCA效应值最高的组合为武广S/昌恢T025T,SCA效应值为0.10；最低的组合为五乡A/昌恢121T,SCA效应值为-0.11。在大米外观品质性状上,长宽比的SCA效应值变异范围在-0.54～0.60,表现为负的共有35个组合,其中原香39A/昌恢871T、泰乡1209A/昌恢T025T的长宽比效应值最低,均为-0.54。垩白粒率和垩白度以泰乡1209A/昌恢T025T表现最好,SCA效应值分别为-0.10和-7.06；以武广S/昌恢T025T表现最差,SCA效应值分别为0.10和8.12。在大米蒸煮品质性状上,碱消值SCA效应值最高的为昌盛843A/昌恢T025T,效应值为1.84；最低的为泰乡1209A/昌恢T025T,效应值为-2.20。胶稠度的SCA效应值以原香39A/昌恢891T最高,达到22.58；以昌盛843A/昌恢871T最低，只有-28.25。直链淀粉含量的SCA效应值以沪旱7A/昌恢891T最高,达到4.17；以原香39A/昌恢891T最低，只有-3.56。综合稻米品质性状的SCA效应值可知,原香39A/昌恢891T表现最好,其次为泰乡1209A/昌恢T025T、昌盛843A/昌恢T025T。

表4 在三亚地区各组合稻米品质性状的特殊配合力(SCA)效应值

续表4:

在南昌地区,对60个组合的各稻米品质性状进行SCA效应值分析,由表5可知,在大米研磨品质性状上,糙米率SCA效应值最高的组合为万象A/昌恢891T,SCA效应值为0.03。精米率SCA效应值最高的组合为万象A/昌恢891T,SCA效应值为0.06。整精米率SCA效应值最高的组合为原香39A/昌恢871T,SCA效应值为0.12；最低的组合为五乡A/昌恢121T,SCA效应值为-0.11。在大米外观品质上,长宽比的SCA效应值受遗传背景的影响较大,其中武广S/昌恢891T、荃9311A/昌恢871T的长宽比效应值较高,分别为0.68和0.60。垩白粒率和垩白度SCA效应值以原香39A/昌恢891T表现最好,SCA效应值分别为0.03和-7.11；以武广S/昌恢T025T表现最差,SCA效应值分别为-0.09和7.17。在大米蒸煮品质上,碱消值SCA效应值最高的为昌盛843A/昌恢891T,效应值为1.74；SCA效应值最低的为昌盛843A/昌恢121T,效应值为-3.18。胶稠度的SCA效应值以荃9311A/昌恢T025T最高,达到29.89；以昌盛843A/昌恢T025T最低，只有-24.48。直链淀粉含量的SCA效应值以沪旱7A/昌恢891T最高,达到3.76；最低为昌盛843A/昌恢891T，其SCA效应值只有-3.70。

综合三亚地区和南昌地区稻米品质性状的SCA效应值可知,原香39A/昌恢891T、昌盛843A/昌恢891T表现较好,原香39A/昌恢891T各性状的SCA效应值较稳定,受环境影响小;昌盛843A/昌恢891T的胶稠度SCA效应值在不同环境下变幅特别大,说明受环境影响较大。

表5 在南昌地区各组合稻米品质性状的特殊配合力(SCA)效应值

续表5:

2.5 杂交组合遗传参数分析

利用遗传模型算式对9个稻米品质性状进行基因型方差遗传分量的估算,结果如表6所示。精米率的GCA基因型方差贡献率在40%以上,说明其主要受基因加性效应的影响,在选育时应更多地关注亲本一般配合力的大小;糙米率、整精米率、垩白粒率、碱消值和胶稠度的SCA基因型方差贡献率达80%以上,说明它们主要受基因非加性效应互作的影响,在选育时应更多地关注组合特殊配合力的大小;长宽比的GCA、SCA基因型方差贡献率相差不大,说明其主要受基因加性效应和基因非加性效应互作的共同影响。

母本在碱消值、胶稠度的基因型方差远高于父本,而在垩白粒率、垩白度、直链淀粉含量上远低于父本；双亲在糙米率、精米率、整精米率和长宽比上的基因型方差相近,表明杂交组合的碱消值、胶稠度的表现更多地由不育系决定,垩白粒率、垩白度、直链淀粉含量主要由恢复系决定,而糙米率、精米率、整精米率和长宽比要综合考虑双亲的表现。

遗传率是各性状遗传变异占总变异的百分比。表6中的遗传率结果表明：垩白粒率、垩白度、胶稠度和直链淀粉含量的广义遗传率均较高,说明这些性状主要受基因遗传的影响,可在早代进行选择；糙米率、精米率和碱消值的狭义遗传率均较低,说明在加代过程中这些性状的稳定性较差,易受环境和基因非加性效应的影响,对这些性状较好的亲本进行配组后,往往表现为性状传代过程中传递能力较差,故尽可能在晚代选择或者间接选择。

表6 杂交组合遗传参数分析结果

3 讨论

品质性状是农作物的重要性状,分析稻米品质性状有利于优质水稻组合的筛选。在本研究中，稻米的外观品质和蒸煮品质与季节互作明显,表明其配合力的大小与不同生态环境密切相关,这与前人[22,23]的研究结果“配合力在不同的生态区表现不一致”相似。就本试验的碱消值、胶稠度等性状而言,不育系的一般配合力方差贡献率高,该研究结果与胶稠度的选择侧重于不育系的结果[24]一致。在垩白粒率、垩白度、直链淀粉含量性状上,恢复系的一般配合力方差贡献率高,前人的研究结果也表明垩白粒率、垩白度的选择侧重于恢复系的表型[25]。糙米率、精米率和碱消值受环境影响较大,而前人通过狭义遗传率计算模型研究表明垩白度和直链淀粉含量受环境影响较大,说明不同品种稻米品质性状的遗传力也不同[26,27]。前人的研究表明稻米品质性状的一般配合力与特殊配合力没有较高的相关性[28,29]；本研究也发现亲本的一般配合力与其所配组合的特殊配合力相互独立,这与前人的研究结果相符。稻米品质性状表现更多地受基因非加性效应互作的影响,因而应该更多地观测杂交后代的特殊配合力效应值。

4 结论

通过分析17个亲本间的配合力效应和遗传特点,在恢复系中,昌恢871T和昌恢891T表现较好,但昌恢871T的胶稠度GCA效应值受环境影响大,昌恢891T的垩白粒率和垩白度GCA效应值均偏高;在不育系中,华1165S的垩白粒率和垩白度较低,野香A的碱消值和胶稠度较好,而原香39A的直链淀粉含量最低。在杂交组合中，原香39A/昌恢891T、昌盛843A/昌恢891T的综合表现最好,其中原香39A/昌恢891T 的各性状受环境影响小,而昌盛843A/昌恢891T的胶稠度受环境影响较大。精米率主要受基因加性效应的影响,糙米率、整精米率、垩白粒率、碱消值和胶稠度主要受基因非加性效应互作的影响。本试验中杂交组合的碱消值、胶稠度的表现更多地依赖于母本,垩白粒率、垩白度、直链淀粉含量主要受父本的影响,糙米率、精米率、整精米率和长宽比取决于双亲的综合表现。垩白粒率、垩白度、胶稠度和直链淀粉含量主要受基因遗传的影响,糙米率、精米率和碱消值在后代遗传中的稳定性较差,易受环境和基因非加性效应的影响。

综上所述,优质杂交稻的选育应采用高精米率的亲本,同时侧重于碱消值、胶稠度较高的母本,垩白粒率、垩白度、直链淀粉含量为低表型值的父本；在选用糙米率和碱消值较高的亲本选育优质杂交稻时,要注重F1代的特殊配合力，以及生态环境、病虫害发生和栽培环境的影响,同时结合分子标记辅助选择降低基因cry1C在传代过程中丢失的概率,筛选出优良抗虫杂交组合。因此,在本试验中配制高产组合的最佳不育系为华1165S,最佳恢复系为昌恢891T。稻米品质性状最优的组合为原香39A/昌恢891T,其垩白粒率和垩白度均为最优,胶稠度和直链淀粉含量也较好,且受环境影响小;泰乡1209A/昌恢T025T、昌盛843A/昌恢T025T和昌盛843A/昌恢891T在垩白度、胶稠度及直链淀粉含量上的表现也较好。