CMS-FA 胞質雜交稻不育細胞質和核質互作的遺傳效應分析

仇秀麗，王洪飛，王乃元，李 毓，梁康逕

(1.福建農林大學作物遺傳育種與綜合利用教育部重點實驗室，福建福州350002;2.福建省農業(yè)科學院水稻研究所，福建福州350018)

水稻細胞質雄性不育材料的利用為雜交稻大面積推廣應用奠定了堅實基礎.細胞質不僅可以引起水稻的雄性不育，而且還關系到雜交稻產(chǎn)量相關性狀的優(yōu)劣和雜種優(yōu)勢利用的前景［1］.因此，對水稻不育細胞質遺傳效應的研究受到普遍關注.自1973年我國實現(xiàn)水稻三系配套以來，已育成許多種細胞質來源的水稻雄性不育系，但目前在生產(chǎn)上被廣泛應用的不育系細胞質僅為少數(shù)幾種，雜交秈稻中G型、D型和印尼水田谷型雖有一定的比重，但仍以野敗型胞質為主，而雜交粳稻以BT型較多［2，3］，不育胞質類型單一、遺傳基礎狹窄是我國雜交稻生產(chǎn)面臨的嚴峻問題.以擴大雜交稻遺傳基礎為目的，創(chuàng)造和挖掘可恢復性穩(wěn)定且無不良細胞質效應的新細胞質源雄性不育遺傳資源己成為水稻雄性不育育種的重要方向之一.

福建農林大學新質源雜交稻育種技術研究課題組歷經(jīng)20多年的嘗試和探索，成功研究出一種胞質來源于普通野生稻的雄性不育的新材料，定名為CMS-FA［4］.研究表明該胞質類型的細胞質育性基因和細胞核育性基因與野敗型(CMS-WA)和紅蓮型(CMS-HL)相互不等位，其恢保關系與CMS-WA和CMS-HL型也不同，是一種全新的雄性不育細胞質類型［4－8］.在此基礎上育成系列不育系、保持系和恢復系，實現(xiàn)了水稻CMS-FA三系配套.王洪飛等［9］研究表明，CMS-FA胞質雜交稻親本配合力好，雜種優(yōu)勢明顯.為進一步研究CMS-FA胞質雜交稻不育細胞質對其雜種F1產(chǎn)量等相關性狀的影響，本研究選用4個CMS-FA胞質不育系、相應保持系和3個恢復系為材料，分析CMS-FA胞質雜交稻不育細胞質對雜種F1產(chǎn)量相關性狀的細胞質效應和核質互作效應，為開發(fā)利用該胞質類型的雜交稻提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用CMS-FA胞質不育系金農1A、金農2A、金農3A和新源7A及其相應的保持系為母本，CMS-FA胞質恢復系金恢1號、金恢2號和金恢4號為父本，按NCⅡ雜交方式配制了12對不育胞質雜種(AF1)和可育胞質雜種(BF1).試驗材料均由福建農林大學新質源雜交稻育種技術研究課題組提供.

1.2 試驗方法

將供試親本和所有F1于2008年6月5日播種于福建農林大學教學科研基地(沙縣)試驗田，秧齡均為27 d;試驗采用隨機區(qū)組排列，3次重復.單本栽插，株行距18 cm×18 cm.各小區(qū)均種植33株，每區(qū)3行，每行11株.試驗地前茬水稻，冬季和春季空閑，肥力中等偏上，地力較均勻，施肥和管理參照當?shù)刂猩纤綄嵤?水稻成熟后，從各小區(qū)取5株，考察其株高、單株穗數(shù)、穗長、劍葉長、穗頸長、每穗總粒數(shù)、每穗實粒數(shù)、結實率、千粒重和單株產(chǎn)量等性狀.

1.3 統(tǒng)計分析

試驗以不育胞質雜種與可育胞質雜種的相對差值(AF1－BF1)/BF1×100%表示不育細胞質的相對效應［10］，并進行差異顯著性測驗.

采用數(shù)量性狀核基因加性、顯性與細胞質互作混合線性模型及其統(tǒng)計分析方法［11－16］，檢測和分析CMSFA胞質雜交稻核質互作效應及其它們對雜種產(chǎn)量相關性狀的影響.用MINQUE(1)法估算CMS-FA胞質雜交稻親本和雜種F1產(chǎn)量相關性狀的核基因加性方差、顯性方差、加性或顯性與細胞質互作方差分量，并計算各遺傳方差分量占表現(xiàn)型方差的比率.利用調整無偏預測法(AUP法)估測CMS-FA胞質雜交稻親本和雜種F1的核基因加性效應值、顯性效應值、加性或顯性與細胞質互作效應值.利用群體平均數(shù)和各項遺傳效應值(核基因加性、顯性效應和核質互作效應)預測有關雜種F1產(chǎn)量等相關性狀的平均基因型值以及群體雜種優(yōu)勢值.采用Jackknife抽樣方法，估算上述各項遺傳參數(shù)的標準誤，用t測驗(自由度=2)進行顯著性檢驗.

2 結果與分析

2.1 CMS-FA胞質雜交稻不育細胞質對產(chǎn)量相關性狀的影響

兩種不同胞質類型雜種的產(chǎn)量相關性狀有一定的差異，除株高、穗長和穗頸長3性狀外，其他性狀是不育胞質雜種的表型值大于可育胞質雜種(表1).不育胞質雜種和可育胞質雜種的平均結實率都大于80%，表明CMS-FA胞質不育系具有良好的可恢復性，展示了CMS-FA胞質雜交稻雜種優(yōu)勢利用的前景.

2.2 CMS-FA胞質雜交稻不育細胞質對產(chǎn)量相關性狀的遺傳效應

利用細胞質優(yōu)勢率判別細胞質效應，細胞質優(yōu)勢率/%=(AF1－BF1)/BF1×100［10］.根據(jù)圖1可知，不育細胞質對千粒重和生育期表現(xiàn)出顯著或極顯著的正效應，對穗頸長表現(xiàn)出極顯著的負效應，說明細胞質對千粒重、生育期和穗頸長有顯著影響.細胞質效應對穗頸長的影響最大(－5.97%)，其次是千粒重(1.33%)和生育期(0.52%)，CMS-FA細胞質使水稻植株穗頸長顯著縮短，千粒重顯著提高，生育期顯著延長.雖然CMSFA細胞質對單株產(chǎn)量、單株穗數(shù)、每穗總粒數(shù)、每穗實粒數(shù)、結實率、劍葉長等6個性狀表現(xiàn)出正效應，對株高和穗長表現(xiàn)出負效應，但相對效應值不顯著，表明CMS-F A細胞質對這8個性狀影響不明顯.

表1 不育胞質雜種(AF1)和可育胞質雜種(BF1)產(chǎn)量相關性狀的平均表現(xiàn)1)Table 1 Phenotype means of yield-related traits in two cross types

圖1 不育胞質雜種與可育胞質雜種在產(chǎn)量相關性狀上的相對效應Fig.1 Relative effect of yield-related traits between sterile cytoplasm and maintainer cytoplasm

2.3 CMS-FA胞質雜交稻產(chǎn)量相關性狀的核質互作效應

CMS-FA胞質雜交稻遺傳群體中，單株產(chǎn)量和穗頸長的加性方差比率為0，單株穗數(shù)的顯性方差比率不顯著，其他性狀的加性方差比率與顯性方差比率均達顯著或極顯著水平，并且在多數(shù)性狀上加性×細胞質或顯性×細胞質互作效應方差比率亦達顯著或極顯著水平，表明該類遺傳群體的各性狀核基因×細胞質互作效應是存在的(表2).除穗頸長外，其他性狀的VAC/VP和VDC/VP明顯小于VA/VP和VD/VP，因此，在CMS-FA胞質雜交稻配組中，上述性狀雖然存在明顯的核質互作效應，但仍以加性效應和顯性效應控制為主.

表2 CMS-FA雜交稻產(chǎn)量相關性狀遺傳方差估算值1)Table 2 Genetic variance estimates for yield-related traits CMS-FA hybrid rice

根據(jù)遺傳主效應的方差比率分析，單株穗數(shù)、千粒重、每穗總粒數(shù)、毎穗實粒數(shù)、結實率、穗長和劍葉長等性狀主要受基因的加性效應控制，而單株產(chǎn)量、株高和生育期則以顯性效應控制為主，這與王洪飛等的研究結果基本一致［9］.通過比較核基因×細胞質互作效應的方差比率，株高和穗頸長均存在顯著或極顯著的加性×細胞質與顯性×細胞質互作效應，而單株穗數(shù)、千粒重、每穗總粒數(shù)、結實率、穗長和生育期只存在顯著或極顯著的顯性×細胞質互作效應，說明CMS-FA胞質雜交稻及其后代在這些性狀上的表現(xiàn)，除受父母本核基因的作用外，還較為明顯地受其核質互作效應的影響.其中，穗頸長受影響的程度最大，其次為生育期和株高，然后依次為單株穗數(shù)、結實率、穗長、每穗總粒數(shù)和千粒重.試驗還表明單株產(chǎn)量、每穗實粒數(shù)和劍葉長等性狀的核質互作效應不明顯.

2.4 不育細胞質的核質互作對CMS-FA胞質雜交稻F1產(chǎn)量相關性狀的平均基因型值的影響

通過對上述各項遺傳效應值的預測，并以此估算CMS-FA不育胞質雜種(AF1)和可育胞質雜種(BF1)的平均基因型值，根據(jù)核基因效應(加性和顯性)與核質互作效應進行分解(表3).結果表明，由于不育胞質和可育胞質與核基因互作效應(GC)的影響，使兩類水稻新質源雜種的平均基因型值在多數(shù)產(chǎn)量相關性狀上存在一些差異.核質互作表現(xiàn)為不育系胞質×核基因的互作效應導致雜種F1的千粒重增加和單株產(chǎn)量降低，但程度相對較小，但導致植株增高和穗頸長增長明顯.可育胞質×核基因的互作效應導致CMS-FA胞質雜種F1穗長顯著增長和穗頸長顯著縮短.

表3 不育胞質雜種(AR)和可育胞質雜種(BR)的F1平均基因型值的預測1)Table 3 Mean prediction of F1genotype value of traits in two cross types

2.5 不育細胞質的核質互作效應對CMS-FA胞質雜交稻F1產(chǎn)量相關性狀的雜種優(yōu)勢的影響

由表4可知，CMS-FA胞質雜種除單株穗數(shù)和生育期外的其他所有性狀，核基因效應(G)所產(chǎn)生的正向群體平均優(yōu)勢均達顯著或極顯著的水平，表明水稻新質源(CMS-FA)遺傳群體F1在這些性狀上具有明顯的群體平均優(yōu)勢，且以穗頸長最高(1.062)，其次為單株產(chǎn)量(0.289)、每穗實粒數(shù)(0.149)、株高(0.133)、千粒重(0.088)、每穗總粒數(shù)(0.077)、結實率(0.056)和穗長(0.044)，劍葉長最小(0.038).核質互作基因效應(GC)所產(chǎn)生的群體平均優(yōu)勢，除穗頸長外其他性狀總的程度均明顯小于核基因(G)的作用，但在單株產(chǎn)量、千粒重、每穗實粒數(shù)、株高、穗長和穗頸長等方面仍顯著存在.不育胞質和可育胞質與核基因的互作，均使千粒重表現(xiàn)為顯著的正向優(yōu)勢，而單株產(chǎn)量表現(xiàn)為極顯著的負向優(yōu)勢;不育胞質×核基因互作使每穗實粒數(shù)、株高和穗頸長產(chǎn)生顯著的正向優(yōu)勢，而可育胞質×核基因互作使穗長顯著增長以及穗頸長顯著縮短.

表4 不育胞質雜種(AR)和可育胞質雜種(BR)的群體雜種優(yōu)勢表現(xiàn)1)Table 4 Heterosis based on population of traits in two cross types

核基因效應(G)在單株產(chǎn)量、每穗實粒數(shù)、株高和穗頸長等4個性狀上所產(chǎn)生的群體超親優(yōu)勢(HBP)表現(xiàn)為極顯著的正向優(yōu)勢，且以穗頸長最高(0.987)，其次為單株產(chǎn)量(0.246)、株高(0.077)和每穗實粒數(shù)(0.051).在單株穗數(shù)、千粒重、每穗總粒數(shù)、劍葉長和生育期等5個性狀上表現(xiàn)為顯著或極顯著負向優(yōu)勢，以單株穗數(shù)最大(－0.078)，其次為每穗總粒數(shù)(－0.071)，千粒重最小(－0.018).不育胞質×核基因互作所產(chǎn)生的群體超親優(yōu)勢(HBP)使千粒重、株高和穗頸長表現(xiàn)為顯著的正向優(yōu)勢，但卻使單株產(chǎn)量顯著降低;可育胞質×核基因互作使單株產(chǎn)量顯著降低、株高、劍葉長和穗頸長縮短.

3 討論

福建農林大學新質源雜交稻育種技術研究課題組研發(fā)出的新型CMS-FA胞質雜交稻［4－9］，對增加我國水稻秈型三系不育系胞質類型和豐富雜交稻細胞質的遺傳多樣性有重要意義.水稻不育細胞質對雜種F1產(chǎn)量相關性狀有一定影響［17－22］，通過對不育胞質遺傳效應的研究，可以評價現(xiàn)有和新發(fā)現(xiàn)的不育系細胞質效應的優(yōu)劣，選擇可恢復性好的細胞質不育系，或者選育恢復力強的恢復系與之配組，均可達到基本克服或最大限度減輕不育細胞質對雜交稻產(chǎn)量等相關性狀的負效應［1，23］.因此，評價CMS-FA胞質雜交稻不育胞質的遺傳效應及其對雜種F1產(chǎn)量相關性狀的影響，對CMS-FA胞質雜交稻應用有重要作用.

國內外已有較多關于水稻雄性不育細胞質對秈型雜交稻或粳型雜交稻遺傳效應的研究報道［1，16－30］，但結果不完全相同.有較多研究結果表明，不育細胞質在雜交稻F1的株高、每穗實粒數(shù)、結實率和單株產(chǎn)量等性狀上表現(xiàn)出明顯的負效應［1，17－20，23－26］，但不同研究在抽穗期、單株穗數(shù)、每穗總粒數(shù)及千粒重等性狀上的結果存在較大差異［1，18－21，23，26］.本研究結果表明，CMS-FA 胞質雜交稻不育細胞質效應主要表現(xiàn)在穗頸長、千粒重和生育期等性狀上，對其它8個性狀的影響不明顯，并且多數(shù)性狀對提高產(chǎn)量有增強效應的趨勢.這與前人的研究結果不完全相同，可能是因為CMS-FA胞質雜交稻不育系可恢復性好，選育的恢復系恢復力強，在一定程度上消除了不育胞質中不育性的影響.

在本研究中，雖然細胞質對穗頸長的負效應達到極顯著水平，但對CMS-FA胞質雜交稻產(chǎn)量沒有明顯影響，不會成為CMS-FA胞質雜交稻雜種優(yōu)勢利用的主要障礙.因此，CMS-FA胞質雜交稻不育細胞質沒有不良的細胞質效應.2010年通過福建省審定的CMS-FA胞質雜交稻組合金農2優(yōu)3號在區(qū)試中的表現(xiàn)好、產(chǎn)量高，兩年區(qū)試平均產(chǎn)量達到488.74 kg，比對照汕優(yōu)63平均增產(chǎn)9.025%，均達極顯著水平，米質達部頒三等優(yōu)質食用稻品種標準，這一結果也證實了CMS-FA胞質雜交稻不育細胞質可作為雜交稻育種的優(yōu)良不育胞質利用.

本研究根據(jù)盛孝邦介紹的方法［10］分析CMS-FA胞質雜交稻不育細胞質的遺傳效應，但此方法無法估算核質互作效應［28，30］.因此采用數(shù)量性狀的加性、顯性(核基因)與核質互作模型及其統(tǒng)計分析方法［11－16］，檢測和分析CMS-FA胞質雜交稻核質互作效應及其對雜種產(chǎn)量相關性狀的影響.結果表明，核質互作效應對CMS-FA胞質雜交稻F1的單株穗數(shù)、千粒重、每穗總粒數(shù)、結實率、株高、穗長、穗頸長和生育期等性狀有明顯的作用，但與核基因效應相比，其影響程度較小.不育胞質與核基因互作的結果會導致一定程度的株高增加和穗頸長增長，但對CMS-FA胞質雜交稻雜種優(yōu)勢利用的影響較小.

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