水稻品種秈粳屬性的鑒定方法研究

戚華雄　查中萍

摘要：水稻秈粳亞種間雜種優(yōu)勢的利用是提高水稻單產(chǎn)的重要途徑之一，正確鑒別育種材料的秈粳屬性是有效利用亞種間雜種優(yōu)勢的先決條件。多種方法可以檢測秈粳分類，目前常用的有依賴于秈粳間形態(tài)性狀變異的程氏指數(shù)法和基于DNA 序列差異進行分類的分子標(biāo)記檢測法。程氏指數(shù)法具有簡便、易于觀測和受環(huán)境條件影響大等特點，而分子標(biāo)記檢測法具有準(zhǔn)確、可定量及對試驗條件的要求相對較高等特點。在多數(shù)情況下，在秈粳亞種水平上程氏指數(shù)和分子標(biāo)記檢測分類結(jié)果趨于一致。

關(guān)鍵詞：水稻（Oryza sativa L.）；秈粳鑒定；程氏指數(shù)；分子標(biāo)記

中圖分類號：S32；Q943；S511.032 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）24-6130-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.24.006

Abstract： Utilizing inter-subspecies heterosis of indica-japonica rice hybrids has been regarded as an important solution to further improve rice production. Correctly identifying the classification of indica-japonica of breeding materials is a prerequisite for taking advantage of inter-subspecies heterosis. There are a variety of technical methods to determine the classification of indica-japonica. Currently， the Chengs index and the molecular markers detection are two methods widely employed in the study. The former makes use of indica-japonicas variation of morphological features， and it is simple to operate and observe， but susceptible to environment； while the latter is based on the sequence difference of DNA， and it is accurate and quantifiable， but requires strict experimental conditions. In most cases， the classification results of the two methods are consistent with each other at subspecies level of Indica-Japonica.

Key words： rice； Indica-Japonica identification；Cheng′s index； Molecular marker

水稻（Oryza sativa L.）是中國最重要的糧食作物之一，水稻生產(chǎn)在中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)民增收和農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展中起著極其重要的作用。水稻單產(chǎn)的兩次大的飛躍都是建立在突破性種質(zhì)資源的發(fā)現(xiàn)和利用上，水稻矮化育種使稻谷單產(chǎn)增加20%～30%，雜交稻又使稻谷單產(chǎn)在矮化育種的基礎(chǔ)上再次增產(chǎn)20%。進一步提高稻谷單產(chǎn)并實現(xiàn)水稻育種研究的全面突破，是保障國家糧食安全的重要舉措。

目前生產(chǎn)上推廣的雜交稻主要是利用品種間雜種優(yōu)勢和部分亞種間雜種優(yōu)勢。研究表明，亞種內(nèi)品種間遺傳多態(tài)性小，進一步利用的局限性較大。就提高雜種優(yōu)勢的程度而言，袁隆平[1]將雜交稻的發(fā)展分品種間雜種優(yōu)勢利用、亞種間雜種優(yōu)勢利用和遠(yuǎn)緣雜種優(yōu)勢利用三個階段。程式華等[2]提出，實現(xiàn)“中國超級稻研究”目標(biāo)的重要途徑在于加大雙親的遺傳差距，進行亞種間（秈稻與粳稻）、種間（栽培稻與野生稻）甚至屬間（C 3與C 4植物）的基因交流。肖國櫻等[3]對水稻秈爪交和粳爪交雜種優(yōu)勢的研究結(jié)果表明，亞種間雜種優(yōu)勢具有秈粳交>秈爪交>粳爪交>秈秈交>粳粳交的趨勢。亞種間的雜種一代具有強大的雜種優(yōu)勢，但雜種的一般結(jié)實率偏低、子粒充實度差，這些問題制約了亞種間雜交稻的利用。經(jīng)過多年不斷的努力，近年來亞種間雜種優(yōu)勢利用的技術(shù)瓶頸獲得重要突破，育種家通過選育特殊配合力晚粳型核質(zhì)互作雄性不育和粳型不育系強恢的中秈型恢復(fù)系[4]，育成了甬優(yōu)12、浙優(yōu)18、春優(yōu)84等一批綜合性狀優(yōu)良的秈粳亞種間組合，為進一步提高水稻單產(chǎn)奠定了良好的基礎(chǔ)。

目前國內(nèi)外很多科研單位都在開展秈粳雜交育種，產(chǎn)生了大量的秈粳中間型材料。在實際育種工作中，要預(yù)先正確判別育種親本的秈、粳屬性，了解親本的遺傳信息，才能有效利用秈粳亞種間雜種優(yōu)勢。因此，將育種材料進行恰如其分的分類是秈粳亞種間雜種優(yōu)勢利用的基礎(chǔ)，對合理和有效利用種質(zhì)資源及品種改良具有重要的理論和實踐意義。由于秈粳兩亞種在形態(tài)、同工酶和DNA的多態(tài)性等都存在較大的差異，秈粳分類可采用形態(tài)變異、同工酶以及DNA分子標(biāo)記等多種方法。本研究擬對常用的程氏指數(shù)法和分子標(biāo)記檢測法等進行介紹。

1 形態(tài)鑒定

鑒定秈、粳屬性的傳統(tǒng)方法主要是依賴于秈粳間形態(tài)性狀的變異（如株高、粒型等），Kato（1928）最早提出用稃毛、粒形和雜交親和性等進行秈粳稻的鑒別。此后，Oka（1958）評價了根據(jù)粒形、稃毛和葉毛的有無，以及對苯酚、次氯酸鉀的反應(yīng)來進行秈粳劃分的可靠性，確定采用差別函數(shù)判別秈粳特性。程侃聲等（1984）提出了以形態(tài)鑒定為基礎(chǔ)的“程氏指數(shù)法”，即對稃毛、酚反應(yīng)、第一、第二穗節(jié)間長、抽穗時殼色、葉毛及谷粒長寬比6個性狀分別按0、1、2、3、4共5級進行評分，以綜合評分作為分類的尺度（表1）[5]。程氏指數(shù)分4級，0-8為秈（H）、9-13為偏秈（H-）、14-17為偏粳（K-）、18-24為粳（K）。形態(tài)指數(shù)分類法具有以下重要特點，該法簡便快速，所使用的6項分類指標(biāo)易于觀測鑒別，能在現(xiàn)場對單個樣本的歸屬作出較準(zhǔn)確的判斷，重演率較高；采用綜合性狀來鑒別秈粳，基本上解決了中間類型的分類難題。該方法的缺點是，主要形態(tài)特征受環(huán)境影響較大，形態(tài)學(xué)指標(biāo)的判別需要操作者具有一定的經(jīng)驗；被測水稻樣品，從播種到成熟種植周期較長；該方法只能定性，而不能定量。程氏指數(shù)法長期以來廣泛應(yīng)用于秈粳分類上，是育種實踐中用于鑒定秈、粳品種的主要方法。

吳建利等[6]對13個不同類型的親本和48個亞種間組合按程氏指數(shù)法進行分類，結(jié)果表明，12個親本的分類結(jié)果與選材時劃分是一致的，亞種間F1可以劃分為4類，即粳、偏粳、秈和偏秈，但主要以偏粳和偏秈為主，親本細(xì)胞質(zhì)對分類的影響非常明顯。于亞輝等[7]利用程氏指數(shù)法對北方粳型兩系雜交水稻骨干親本（7個光溫敏核不育系以及對應(yīng)的7個恢復(fù)系）及其配制的49個雜交組合為材料進行分類，光溫敏核不育系程氏指數(shù)分布為13.5～19.0，平均值為15.8，不育系的程氏指數(shù)變異系數(shù)相對較小，不育系秈粳成分主要集中體現(xiàn)為偏粳和粳型；恢復(fù)系的程氏指數(shù)分布為13～22，平均值為18，主要表現(xiàn)為偏粳和粳型；雜種的程氏指數(shù)分布為9～22，平均值為16，雜種秈粳成分主要偏粳，但變異系數(shù)較大，組合間秈粳成分差異比較明顯。根據(jù)程氏指數(shù)法分析甬優(yōu)6號等8個雜交水稻組合及其親本的秈粳屬性的結(jié)果表明，甬優(yōu)系列雜交水稻的母本都屬于粳稻，其父本均屬于秈稻或偏秈，所配組的組合本身則分別屬于偏秈或偏粳[8]，可以明確甬優(yōu)系列雜交稻組合屬秈粳亞種間雜交稻。程氏指數(shù)法在秈粳分類上得到眾多學(xué)者的認(rèn)可，多數(shù)國內(nèi)學(xué)者認(rèn)為程氏指數(shù)分類法對秈粳進行分類是科學(xué)合理的。

2 分子標(biāo)記分類

水稻全基因組序列特別是秈稻品種（93-11）和粳稻品種（日本晴）全基因組DNA序列測定的完成，為水稻遺傳育種研究提供了大量的生物信息，也為水稻育種材料秈粳屬性鑒定方法的建立提供了重要的工具。分子標(biāo)記分類法是基于DNA序列差異進行分類，它不受環(huán)境條件影響，分類結(jié)果可靠性較高。上世紀(jì)80年代中期限制性片段長度多態(tài)性（RFLP）標(biāo)記開始應(yīng)用于水稻遺傳研究，錢惠榮等[9]應(yīng)用160個RFLP標(biāo)記分析了21個水稻廣親和品種和6個秈粳測驗種，得到了24個秈粳特異性RFLP標(biāo)記。目前被用于水稻秈粳分類研究較多的分子標(biāo)記是簡單重復(fù)序列（SSR）標(biāo)記和插入/缺失片段（InDel）標(biāo)記。

朱作峰等[10]用20對SSR引物對4個不育系和55份來自不同生態(tài)型的恢復(fù)系進行分類研究，結(jié)果表明，供試材料DNA秈粳分化明顯，聚類分析結(jié)果和用RFLP對供試材料的秈粳分類結(jié)果基本一致，而且二者與形態(tài)分類的結(jié)果也基本一致，并篩選出5個秈粳特異的分子標(biāo)記。陸永法等[11]用22個SSR分子標(biāo)記對13份甬優(yōu)系列雜交水稻組合及其親本材料和6份秈粳對照種進行聚類分析，分子標(biāo)記分析結(jié)果與形態(tài)分類結(jié)果基本一致，從分子水平上進一步確認(rèn)了雜交水稻甬優(yōu)6號和甬優(yōu)4號為秈粳亞種間雜交稻。王彩紅等[12]選取具有代表性的100份亞洲栽培稻品種，應(yīng)用程氏指數(shù)和109個SSR分子標(biāo)記對它們進行分類，結(jié)果表明，程氏指數(shù)與SSR分子標(biāo)記進行栽培稻分類存在明顯的正相關(guān)，兩種方法各個材料間遺傳距離的相關(guān)達(dá)極顯著水平，表明利用一定數(shù)量的秈粳特異性較高的形態(tài)性狀能夠有效鑒別秈稻和粳稻亞種。遺傳結(jié)構(gòu)和聚類分析表明，在秈粳亞種水平上，程氏指數(shù)和SSR標(biāo)記分類結(jié)果趨于一致，但在亞種內(nèi)亞結(jié)構(gòu)分析中，程氏指數(shù)偏差較大，SSR標(biāo)記具有更高的準(zhǔn)確性。

蔡星星等[13]基于秈稻9311和粳稻日本晴全基因組序列比對獲得的InDel差異片段設(shè)計了45對引物，對來自亞洲10個國家的49份秈稻、43份粳稻品種和24份野生稻進行了檢驗，結(jié)果表明，其中41對InDel引物可用于鑒定秈稻或粳稻品種，準(zhǔn)確率高于80%。盧寶榮等[14]用44個經(jīng)過程氏指數(shù)法鑒定的秈稻和粳稻品種作為實驗群體，確定了與栽培稻的秈、粳遺傳分化密切相關(guān)的34個InDel位點，提出了鑒定秈粳屬性的InDel分子指數(shù)法（表2）。與基于形態(tài)特征鑒定秈、粳特性的程氏指數(shù)法相比，該方法不僅能夠準(zhǔn)確鑒定秈稻和粳稻，而且還具有更快捷、簡便和高效的特點。

夏士健等[15]利用與栽培稻秈、粳遺傳分化密切相關(guān)的34個InDel標(biāo)記，鑒定了部分水稻不育系的秈粳屬性，結(jié)果表明目前廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)的不育系培矮64S、廣占63S、Y58S等的秈型基因頻率均為0.75～0.90，據(jù)此認(rèn)為具有10%～25%左右粳稻血緣的秈型不育系可能更有利于亞種間雜種優(yōu)勢利用。姚國新等[16]利用734對SSR標(biāo)記和34對InDel標(biāo)記分別對秈粳雜交后代材料進行秈粳成分鑒定，結(jié)果2套標(biāo)記鑒定結(jié)果較為吻合，證明該套InDel標(biāo)記完全可以用于水稻秈粳成分的快速準(zhǔn)確鑒定。王林友等[17]利用19對InDel標(biāo)記對48份育種上常用的秈稻、粳稻和中間型材料（品種）進行了秈粳屬性分析。結(jié)果表明，InDel分子標(biāo)記法與傳統(tǒng)的程氏指數(shù)法的總體吻合率為89.58%，在典型秈稻或典型粳稻材料上兩者的吻合率為100.00%；在具有復(fù)雜遺傳背景的中間型材料上，InDel分子標(biāo)記法比程氏指數(shù)法具有更高的準(zhǔn)確性。陳萍萍等[18]利用形態(tài)指數(shù)法和分子標(biāo)記法秈粳屬性鑒定了通過秈粳雜交培育的9個水稻品系，結(jié)果表明形態(tài)指數(shù)法的鑒定結(jié)果與分子標(biāo)記的遺傳距離聚類分析結(jié)果一致。多數(shù)研究結(jié)果表明，InDel標(biāo)記法對復(fù)雜材料的秈粳鑒定具有更高的分辨力和準(zhǔn)確度，但也有研究證明InDel標(biāo)記在亞種內(nèi)多態(tài)性較低。

育種材料的屬性分類應(yīng)根據(jù)其遺傳背景的復(fù)雜程度及研究目的而采用不同的方法，程氏指數(shù)法適用于遺傳背景相對簡單的典型秈或粳型材料秈粳屬性的分類，InDel分子指數(shù)法適用于遺傳背景復(fù)雜的亞種間秈粳材料的分類，而對亞種內(nèi)育種材料的秈粳比例的定量分析，則適宜用SSR標(biāo)記進行分析。

3 水稻秈粳分類與雜種優(yōu)勢的關(guān)系

對雜種優(yōu)勢與雙親秈粳分化的相關(guān)關(guān)系分析表明[19]，超親優(yōu)勢與雙親的秈粳分化關(guān)系明顯，且DNA水平上的差異與超親優(yōu)勢的相關(guān)系數(shù)明顯大于形態(tài)指數(shù)的差異與超親優(yōu)勢間的相關(guān)系數(shù)，說明以雙親在基因組上的差異來研究或預(yù)測雜種優(yōu)勢要優(yōu)于表型性狀。分析優(yōu)勢組合類型和強優(yōu)勢組合雙親的形態(tài)指數(shù)的差異發(fā)現(xiàn)，雙親要么在形態(tài)上秈粳分化差異較大，要么是在DNA上的秈粳分化的差異較大，要么是在形態(tài)和DNA上差異均大，說明無論是形態(tài)上秈粳分化的差異，還是基因組上秈粳分化的差異，都是雜種優(yōu)勢產(chǎn)生的重要基礎(chǔ)。王林友等[20]研究了InDel遺傳距離與雜種優(yōu)勢的相關(guān)性，結(jié)果表明，在以粳粳交、秈粳交組合整體作為分析對象時，InDel遺傳距離與稻谷產(chǎn)量、每穗總粒數(shù)、單穗重呈極顯著正相關(guān)，與結(jié)實率呈顯著負(fù)相關(guān)；僅以秈粳交組合為研究對象時，InDel遺傳距離僅與單穗重和千粒重呈顯著正相關(guān)。說明InDel遺傳距離在不同類型品種間具有較好的雜種優(yōu)勢預(yù)測能力，可用于單穗重的優(yōu)勢預(yù)測，即隨著InDel遺傳距離的擴大，雜種優(yōu)勢主要體現(xiàn)在單穗重的增加上。

因此，對水稻品種進行秈粳成分分析，能夠準(zhǔn)確判別品種的秈粳屬性，明確雜種優(yōu)勢利用中秈粳分化配比問題，分析雙親遺傳差異對主要性狀雜種優(yōu)勢的影響，對水稻雜種優(yōu)勢的遺傳研究以及育種工作都具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 袁隆平.雜交水稻的育種戰(zhàn)略設(shè)想[J].雜交水稻，1987（1）：1-3.

[2] 程式華，廖西元，閔紹楷.中國超級稻研究：背景、目標(biāo)和有關(guān)問題的思考.中國稻米，1998（1）：3-5.

[3] 肖國櫻，袁隆平，唐 俐，等.水稻秈爪交和粳爪交雜種優(yōu)勢的研究I.雜種農(nóng)藝性狀的表現(xiàn)[J].作物學(xué)報，2003，29（2）：169-174.

[4] 馬榮榮，王曉燕，陸永法，等.晚粳不育系甬粳2號A及其秈粳雜交晚稻組合的選育及應(yīng)用[J].雜交水稻，2010（S1）：185-189.

[5] 王象坤，程侃聲，黃迺威，等.亞洲栽培稻起源、演化中兩個重要稻種類型的研究[J].遺傳學(xué)報，1987，14（4）：262-270.

[6] 吳建利，李振宇.水稻亞種間雜種的分類與利用[J].雜交水稻，1993（5）：33-35.

[7] 于亞輝，孫 濱，夏 明，等.利用程氏指數(shù)分析兩系雜交粳稻親本秈粳成分與產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的關(guān)系[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（1）：61-63.

[8] 陸永法.甬優(yōu)系列秈粳雜交水稻新組合特征特性與配套技術(shù)研究[D].杭州：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所，2012.

[9] 錢惠榮，沈 波，林鴻宣，等.水稻釉粳特異性RFLP標(biāo)記及廣親和品種親緣關(guān)系分析[J].中國水稻科學(xué)，1994，8（2）：65-71.

[10] 朱作峰，孫傳清，李自超，等.用SSR標(biāo)記對水稻品種的分類研究[J].農(nóng)業(yè)生物技術(shù)學(xué)報，2001，9（1）：58-61.

[11] 陸永法，馬榮榮，王曉燕，等.甬優(yōu)系列雜交水稻SSR標(biāo)記指紋圖譜和秈粳屬性[J].中國水稻科學(xué)，2007，21（4）：443-446.

[12] 王彩紅，徐 群，于 萍，等.亞洲栽培稻程氏指數(shù)與SSR標(biāo)記分類的比較分析[J].中國水稻科學(xué)，2012，26（2）：165-172.

[13] 蔡星星，劉 晶，仇吟秋，等.秈稻93-11和粳稻日本晴DNA插入缺失差異片段揭示的水稻秈-粳分化[J].復(fù)旦學(xué)報（自然科學(xué)版），2006，45（3）：309-315.

[14] 盧寶榮，蔡星星，金 鑫.秈稻和粳稻的高效分子鑒定方法及其在水稻育種和進化研究中的意義[J].自然科學(xué)進展，2009， 19（6）：628-638.

[15]夏士健，張啟軍，楊 杰，等.水稻不育系的廣親和基因檢測及秈粳型分析[J].江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報，2011，27（4）：698-703.

[16] 姚國新，黃文超.InDel指數(shù)法評價水稻秈粳成分的驗證[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，42（4）：24-27.

[17] 王林友，張禮霞，勾曉霞，等.利用InDel標(biāo)記鑒定水稻育種材料的秈粳屬性[J].核農(nóng)學(xué)報，2013，27（7）：913-921.

[18] 陳萍萍，游月華，黃水明，等.利用InDel標(biāo)記鑒定水稻秈粳交衍生株系的秈粳屬性[J].福建農(nóng)業(yè)學(xué)報，2014，29（6）：519-523.

[19] 孫傳清，姜廷波，陳 亮，等.水稻雜種優(yōu)勢與遺傳分化關(guān)系的研究[J].作物學(xué)報，2000，26（6）：641-649.

[20] 王林友，張禮霞，勾曉霞，等.利用InDel標(biāo)記鑒定浙優(yōu)系列雜交稻秈粳屬性和預(yù)測雜種優(yōu)勢[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，47（7）：1243-1255.