早秈稻重組自交系群體休眠性的遺傳模型分析

郝明，王玉博，曹志，肖應(yīng)輝

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

早秈稻重組自交系群體休眠性的遺傳模型分析

郝明，王玉博，曹志，肖應(yīng)輝

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

利用弱休眠水稻品系‘996’和強(qiáng)休眠性品系‘4628’雜交，構(gòu)建包含 286個(gè)株系的重組自交系(recombinant inbred lines, RIL)群體，連續(xù)2年(2011、2012年)以當(dāng)年收獲的該群體種子的發(fā)芽率為指標(biāo)，進(jìn)行種子休眠性檢測(cè)，并采用主基因+多基因混合遺傳模型對(duì)早秈稻休眠性進(jìn)行遺傳分析。結(jié)果表明，在 2011年試驗(yàn)中，‘996’ב4628’的重組自交系群體休眠性符合4對(duì)主基因(其中3對(duì)基因加性效應(yīng)相等)–多基因加性上位性模型；在2012年試驗(yàn)中符合4對(duì)主基因(其中2對(duì)基因加性效應(yīng)相等)–多基因加性上位性模型。2年試驗(yàn)結(jié)果均表明，該群體種子休眠性遺傳符合4對(duì)主基因+多基因遺傳模式，并且以主基因遺傳為主。

早秈稻；休眠；遺傳模型；重組自交系

種子的休眠特性是植物經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期演化而獲得的對(duì)環(huán)境條件及季節(jié)性變化的生物學(xué)適應(yīng)性。胚的生理機(jī)能和胚乳、種皮或者果皮等形態(tài)特性均是誘發(fā)水稻種子休眠的因素(這些因素受種子本身的遺傳調(diào)控)[1–4]。種子生長(zhǎng)、發(fā)育和儲(chǔ)藏期間的環(huán)境因子等也影響種子休眠[5–8]。這些因素的綜合作用，決定了種子休眠性表現(xiàn)為典型的多基因控制的數(shù)量遺傳性狀。國(guó)內(nèi)外研究者以不同來(lái)源的遺傳群體為材料，采用分子標(biāo)記技術(shù)對(duì)種子休眠性進(jìn)行QTL分析，迄今已檢測(cè)到100多個(gè)與水稻種子休眠相關(guān)的QTL，這些QTL在水稻基因組12條染色體上均有分布，其中在第1、3、5、6、7、11染色體上分布較多[9–12]。由于不同研究的遺傳群體、休眠性檢測(cè)方法及環(huán)境條件不同，所以，關(guān)于控制種子休眠性的QTL數(shù)目、QTL在染色體上的分布以及QTL的遺傳效應(yīng)等方面的研究結(jié)果差異很大。這反映出水稻種子休眠性遺傳的復(fù)雜性，也反映出通過(guò)分子標(biāo)記輔助選擇育種技術(shù)選育適度休眠性的水稻品種尚有較大難度。

早秈稻是中國(guó)南方雙季稻種植模式中的重要生態(tài)型，其種植面積約占中國(guó)水稻種植面積的 20%，其產(chǎn)量占稻谷總產(chǎn)的17.1%，對(duì)保證中國(guó)糧食生產(chǎn)安全發(fā)揮了重要作用[13]。由于長(zhǎng)江中、下游流域雙季稻區(qū)早稻成熟期正值梅雨季節(jié), 所以品種休眠性弱造成的穗發(fā)芽現(xiàn)象廣泛存在，嚴(yán)重影響早稻稻谷的產(chǎn)量和品質(zhì)[14]。筆者以生產(chǎn)上大面積應(yīng)用的弱休眠性早稻恢復(fù)系‘996’[15]與強(qiáng)休眠性水稻品系‘4628’構(gòu)建早秈型重組自交系群體，連續(xù)2年以當(dāng)年收獲的該群體種子發(fā)芽率為指標(biāo)評(píng)價(jià)其休眠性，對(duì)控制該群體休眠性基因的遺傳模式進(jìn)行分析，旨在為進(jìn)一步開(kāi)展休眠性QTL定位研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)材料包括2個(gè)早秈型水稻品系‘996’( 休眠性弱)和‘4628’( 休眠性強(qiáng))，以及利用‘996’和‘4628’雜交，采用單粒傳法構(gòu)建的包含286個(gè)株系的重組自交系群體。

1.2 休眠性鑒定方法

所有試驗(yàn)材料均種植在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)耘園試驗(yàn)基地。2011年和2012年分別種植重組自交系群體F12和F13代，同時(shí)種植親本‘996’和‘4628’。親本及重組自交系各株系均種1行，單本栽植，每行植10株，株行間距約為13 cm，株系間距為15 cm。田間管理和病蟲(chóng)防治措施按照當(dāng)?shù)厮驹耘嗉夹g(shù)進(jìn)行。水稻整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中無(wú)鳥(niǎo)、鼠和病蟲(chóng)為害。

以單株為單位逐株進(jìn)行調(diào)查，記錄抽穗日期，即記錄當(dāng)單株有2～3個(gè)穗的穗尖露出葉鞘2～3 cm時(shí)的日期。抽穗后30 d分單株脫粒，種子隨后貯存于4 ℃冰箱，以保持其休眠性。待所有株系都收種后，于每株系中挑選出100粒成熟飽滿(mǎn)種子，將其置于墊有濾紙的培養(yǎng)皿中，放入人工氣候箱30 ℃恒溫濕潤(rùn)發(fā)芽。以胚根和胚芽超過(guò)半粒種子長(zhǎng)為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)芽7 d后記錄發(fā)芽的種子數(shù)，計(jì)算發(fā)芽率(發(fā)芽率為每培養(yǎng)皿中發(fā)芽種子數(shù)與所有種子數(shù)(100 粒)的比值)。取3次重復(fù)發(fā)芽試驗(yàn)的平均值作為評(píng)價(jià)休眠性的表型值(發(fā)芽率高的株系休眠性弱，發(fā)芽率低的休眠性強(qiáng))。

1.3 遺傳模型分析方法

基于群體的休眠性鑒定結(jié)果，對(duì)控制該群體種子休眠性遺傳因子的主基因情況遺傳模型進(jìn)行分析。應(yīng)用蓋鈞鎰等[16–17]提出的植物數(shù)量性狀主基因+多基因混合遺傳模型分析方法，對(duì)休眠性進(jìn)行遺傳分析。計(jì)算1對(duì)主基因(A)、2對(duì)主基因(B)、多基因(C)、1對(duì)主基因+多基因(D)、2對(duì)主基因+多基因(E)、3對(duì)主基因(F)、3對(duì)主基因+多基因(G)、4對(duì)主基因(H)、4對(duì)主基因+多基因(I)共9類(lèi)64種遺傳模型的AIC(akaike’s information criterion)值。取AIC值由小至大的前3種模型為備選模型。通過(guò)極大似然法和 IECM(iterated expectation and conditional maximizetion)算法對(duì)混合分布中的有關(guān)成分分布參數(shù)作出估計(jì)，然后通過(guò)對(duì)AIC值的判別和均勻性檢驗(yàn)(U12、U22、U32)、Smirnov檢驗(yàn) (nW2)和Kolmogorov檢驗(yàn)(Dn) 等適應(yīng)性檢驗(yàn)，選取AIC值小的，且在適合性檢驗(yàn)中達(dá)顯著水平的統(tǒng)計(jì)量數(shù)值最少的模型為最優(yōu)遺傳模型。在最優(yōu)模型下估計(jì)主基因和多基因效應(yīng)值、方差和遺傳率等遺傳參數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；用南京農(nóng)業(yè)大學(xué)蓋鈞鎰提供的計(jì)算軟件進(jìn)行遺傳分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 親本‘996’與‘4628’及RIL群體的休眠性表現(xiàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明，親本‘996’ב4628’種子的休眠性存在較大差異，‘4628’具有較強(qiáng)的休眠性，發(fā)芽率僅有56%，而‘996’的休眠性較弱，發(fā)芽率達(dá)92%。因?yàn)?011年和2012年‘996’ב4628’RIL群體種子發(fā)芽率的試驗(yàn)結(jié)果大體相似，所以本文僅列出2012年群體發(fā)芽率的次數(shù)分布情況。RIL群體286個(gè)株系的種子發(fā)芽率呈連續(xù)分布特征，并出現(xiàn)了明顯的超親分離現(xiàn)象，變異幅度為 0～100%，表現(xiàn)為數(shù)量性狀遺傳特征(表1)。

表1 2012年RIL群體的種子發(fā)芽率分布Table 1 Frequency distribution of seed germination rate from RILs in 2012

2.2 遺傳模型的選擇及其適合性分析

由表2可見(jiàn)，在2011年的試驗(yàn)中，AIC值從小到大的模型依次為I–6、I–9、I–10(AIC值分別為3 617.53、3 650.91、3 655.26)。在2012年的試驗(yàn)中，AIC值從小到大的模型依次為 I–7、I–9、I–10(AIC值分別為3 589.16、3 593.21、3 608.31)，因此，2011年試驗(yàn)的備選模型為I–6、I–9和I–10，而2012年試驗(yàn)的備選模型分別為I–7、I–9和I–10。

表2 2011年和2012年重組自交系群體休眠性不同遺傳模型的AIC值Table 2 AIC values of candidate genetic models for the trait of seed dormancy from RIL in 2011 and 2012

在此基礎(chǔ)上對(duì)每一性狀的不同備選模型進(jìn)行適合性檢驗(yàn)，選擇統(tǒng)計(jì)量達(dá)到顯著水平的且個(gè)數(shù)較少的模型作為最優(yōu)模型(表3)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在2011年試驗(yàn)的備選模型中，模型I–6、I–9和I–10中達(dá)顯著水平的分別為8、6和9個(gè)。模型I–6的AIC值雖最小，但其統(tǒng)計(jì)量達(dá)到顯著水平的較多，表明I–6模型與調(diào)查性狀的遺傳吻合度較差。模型I–9 的AIC值與最小AIC值差別不大，且統(tǒng)計(jì)量達(dá)到顯著水平的最少，被選為最優(yōu)模型，即休眠性遺傳符合4對(duì)主基因(3對(duì)基因加性效應(yīng)相等)–多基因加性上位性模型。在 2012年試驗(yàn)的備選模型中，各模型的顯著水平統(tǒng)計(jì)量差別很小，但I(xiàn)–7模型的AIC值最小，被選為最優(yōu)模型，即休眠性遺傳符合4對(duì)主基因(2對(duì)基因加性效應(yīng)相等)–多基因加性上位性模型。遺傳模型分析結(jié)果表明，2011年和2012年田間試驗(yàn)結(jié)果均顯示‘996’ב4628’重組自交系群體休眠性符合4對(duì)主基因–多基因的遺傳模型。

表3 2011年和2012年休眠性遺傳備選模型的適合性檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 Goodness-of-fit of the candidate genetic models for the trait of seed dormancy in 2011 and 2012

2.3 休眠性狀遺傳模型的參數(shù)估計(jì)

根據(jù)2011年和2012年選出的休眠性狀最優(yōu)遺傳模型，通過(guò)極大似然法和IECM算法得出RIL群體遺傳參數(shù)(表4)。2011年試驗(yàn)的最優(yōu)模型I–9的主基因遺傳率為99.43%，4對(duì)主基因的加性效應(yīng)有3對(duì)相等，且均為負(fù)向效應(yīng)，說(shuō)明主基因的負(fù)向效應(yīng)較大，使發(fā)芽率下降了11.75%，增強(qiáng)種子的休眠性。多基因的加性效應(yīng)為正向，起減弱休眠性的作用。2012年試驗(yàn)的最優(yōu)模型I–7的主基因遺傳率達(dá)99.04%，4對(duì)主基因的加性效應(yīng)均為負(fù)向效應(yīng)，增強(qiáng)種子休眠性，其中效應(yīng)較大的2對(duì)等效基因分別使發(fā)芽率下降了10.84%；多基因表現(xiàn)為發(fā)芽率正向加性效應(yīng)，即減弱種子休眠性?？梢?jiàn)，2011年和2012年試驗(yàn)的主基因和多基因的遺傳效應(yīng)是一致的，均表現(xiàn)為主基因起增強(qiáng)種子休眠性的作用，而多基因起減弱種子休眠性的作用。

表4 2011年和2012年休眠性狀最優(yōu)模型的遺傳參數(shù)估計(jì)值Table 4 Estimated val ue of ge netic par ameters fr om optimal genetic model of dormancy in 2011 and 2012

3 結(jié)論與討論

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的人工選擇，在氣候條件正常的生長(zhǎng)季節(jié)，現(xiàn)代常規(guī)水稻品種種子的休眠性基本被控制在合理的范圍內(nèi)，而當(dāng)前生產(chǎn)上應(yīng)用面積約 60%的雜交水稻，因其雜交制種過(guò)程需噴施“九二○”而造成種子穗發(fā)芽，致使發(fā)芽率降低，從而喪失種用價(jià)值[18]，所以，與常規(guī)水稻品種不同，適當(dāng)增強(qiáng)水稻不育系的休眠性，是提高雜交水稻制種安全性的重要途徑。此外，隨著現(xiàn)代育種對(duì)種質(zhì)資源需求的不斷擴(kuò)大，野生稻、栽培稻等遠(yuǎn)緣雜交育種方式的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，野生稻中的強(qiáng)休眠性基因?qū)⒈恢匦乱氲皆耘嗟局校瑢?duì)滿(mǎn)足不同類(lèi)型水稻品種的應(yīng)用要求和對(duì)水稻品種的休眠性進(jìn)行遺傳調(diào)控是必要的。

本研究中采用主基因+多基因混合遺傳模型分析方法，對(duì)‘996’ב4628’重組自交系群體休眠性的遺傳行為進(jìn)行初步研究。連續(xù)2年試驗(yàn)的結(jié)果表明，休眠性由 4對(duì)主基因+多基因控制，并且均以主基因遺傳為主，但其主效基因的等效基因數(shù)存在差異。2011年的試驗(yàn)中有3對(duì)主效基因等效，而2012年的試驗(yàn)中僅有2對(duì)主效基因等效。該結(jié)果反映該群體控制休眠性的主基因在不同環(huán)境中表達(dá)穩(wěn)定，通過(guò)合理選擇和重組，有可能從不同休眠性基因中選育出符合人類(lèi)需求的休眠性水稻新品種。

水稻種子休眠性鑒定通常以收獲后種子的發(fā)芽率為指標(biāo)進(jìn)行鑒定，在育種實(shí)踐中這一鑒定方法的操作性不強(qiáng)，因此，有必要進(jìn)一步對(duì)控制休眠性的 QTL進(jìn)行精細(xì)分解，以明確各基因的染色體位置和遺傳效應(yīng)，從而通過(guò)分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)休眠性水稻品種的定向培育。

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責(zé)任編輯：王賽群

英文編輯：王 庫(kù)

Analysis of genetic model on seed dormancy of recombinant inbred lines derived from an early season indica rice cross

HAO Ming, WANG Yu-bo, CAO Zhi, XIAO Ying-hui
(College of Agronomy, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)

Analysis of genetic model on seed dormancy (SD) was conducted with a set of recombinant inbred lines (RILs) derived from a rice cross of a variety named ‘996’ with weaker SD and a variety named ‘4628’ with stronger SD. The seed dormancy in two consecutive years was measured with the germination rate from the population seed harvested in that respective period. Genetic analysis showed that seed dormancy in the crossed generation of ‘996’ and ‘4628’ was controlled by four major genes, three equal additive-polygenes additive-epistasis model in 2011, while it was controlled by two of major genes equal additive-polygenes additive epistasis model in 2012. The test results in two consecutive years showed that the heredity of seed dormancy was controlled by four major genes plus polygenes, which mainly governed by major genes.

early season indica rice; seed dormancy; genetic model; recombinant inbred lines

S511.3+1

A

1007?1032(2014)03?0231?05

10.13331/j.cnki.jhau.2014.03.002

投稿網(wǎng)址：http://www.hunau.net/qks

2013–12–09

教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(IRT1239)；湖南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃項(xiàng)目

郝明(1988—)，男，湖南永州人，碩士研究生，主要從事水稻遺傳育種研究, haoming0@qq.com；*通信作者，xiao_yh@ 163.com