水稻單片段代換聚合系的產量比較試驗

水稻單片段代換聚合系的產量比較試驗

朱海濤，劉桂富，曾瑞珍，劉自強，傅雪琳，代資舉，王少奎，張桂權

(廣東省植物分子育種重點實驗室/華南農業大學農學院，廣東廣州510642)

摘要:【目的】基于水稻單片段代換系聚合而成的品系，是分子設計育種過程中的中間材料，通過評價其優劣，為育種和生產實踐提供有益的參考.【方法】以25個聚合系為材料，在2013年早、晚兩季采用隨機區組試驗測驗它們與華粳秈74主要農藝性狀的差異顯著性，并探討所考察性狀的表型和相關的遺傳基礎.【結果和結論】5個聚合系P05、P08、P14、P15和P21的產量顯著地高于華粳秈74，適于早、晚季種植;另2個高產聚合系P07和P12則僅適于晚季種植.所有考察性狀的遺傳率變動在0. 885 9～0. 993 7之間，其中，普通遺傳率為0. 554 7～0. 968 8，互作遺傳率為0. 024 9～0. 331 2.著粒密度降低產量，貢獻率為15. 5%;而千粒質量增加產量，貢獻率達36. 6%.試驗結果為這些性狀的遺傳改良和育種上的間接選擇提供了依據.

關鍵詞:單片段代換系;聚合系;農藝性狀;產量;水稻;遺傳率

朱海濤，劉桂富，曾瑞珍，等.水稻單片段代換聚合系的產量比較試驗［J］.華南農業大學學報，2015，36(4):43-49.

優先出版網址: http: / /www.cnki.net/kcms/detail/44.1110.s.20150610.1541.003.html

水稻Oryza sativa L.是世界上最重要的糧食作物之一.一方面，隨著人口的不斷增長，預計到2030年糧食產量需要再增加40%才能滿足人們對糧食的需求［1］;另一方面，隨著生活水平的不斷提高，人們對大米品質的要求愈來愈高，因而水稻高產、優質已成為重要的育種目標.矮化育種、雜種優勢利用和超級稻育種，使水稻單產持續上升到一個較高的平臺［2-4］，但近10年來已停滯不前、難有進一步的突破，且稻米品質較差，無法滿足人們的需求［5］.Peleman等［6］提出了設計育種的新思路，包括定位相關性狀的QTL、評價這些位點的等位性變異和開展設計育種，有望突破水稻高產、優質等方面的瓶頸.

廣東省植物分子育種重點實驗室(本實驗室)培育了1 600多份水稻單片段代換系［7-8］，用這些材料鑒定了許多重要農藝性狀的QTLs及其等位基因［9-13］，并廣泛開展了分子設計育種［14-15］.用帶有產量、品質和抗性等優良基因的單片段代換系聚合，獲得了一批高產、優質、多抗的多片段聚合品系或品種，該項工作仍在緊張地進行中，新的聚合系不斷呈現.然而，由于設計育種的理論和方法尚不夠完善，對單個優良基因被聚合后的綜合表現尚不甚了解，因此許多聚合系并不盡如人意，有必要經過評比試驗挑選出有潛力的聚合系以參加后續的品比試驗，供生產上推廣應用.

本研究擬對本實驗室新近培育的25個聚合系進行品比試驗，對照采用單片段代換系的受體親本華粳秈74(本實驗室培育的高產優質多抗秈稻品種).一方面，通過對一些重要農藝性狀的遺傳和相關分析，探索這些性狀的遺傳基礎，以便為它們的遺傳改良和相關選擇提供依據;另一方面，通過對比，挑選出綜合性狀優良的聚合系，為后續的品比試驗提供參試材料和依據.

1　材料與方法

1.1材料

選用25份新近培育的聚合系為試驗材料，以華粳秈74為對照，進行品比試驗.這些聚合系材料來源于受體親本華粳秈74不同單片段代換系的聚合，有關聚合基因及其對應表現型見表1.

1.2方法

1.2.1田間試驗試驗在華南農業大學教學試驗農場進行，于2013年早、晚兩季分別品比.

早季于2月22日播種、3月24日移栽;晚季于7 月19日播種、8月6日移栽.采用3次重復的田間隨機區組設計;每個小區長6. 33 m、寬2. 20 m，小區面積14. 96 m2;行株距為20. 00 cm×16. 67 cm，每個小區種植418穴，每穴插1株苗.

1.2.2性狀考察田間考察包括如下性狀:分糵數，移栽后5周調查每穴分蘗總數(含主莖) ;抽穗期，統計單株從播種至始穗的天數;株高，成熟期測量單株從地面到主穗頂(不連芒)的長度;穗數，有5粒以上實粒的穗數.每小區均調查對角20個單株的目標性狀.為考察穗部性狀，在每小區的對角處根據穗數分別選擇2個單株，共4個單株，從穗頸節之下剪取全部稻穗，晾干后用于室內考種.分別考察以下性狀:穗長、實粒數、空粒數、結實率、著粒密度、千粒質量.每小區內的植株全部收割、曬干風凈后稱產.

1.2.3統計方法按隨機區組設計試驗資料進行相關的統計分析，方差分析的線性模型為:

式中，yhij、μ、Eh、Gi、Fhi、ehij分別為表型值、平均值、環境效應、基因型效應、基因型與環境互作效應、區組效應和試驗誤差，下標h、i、j分別為對應的序號.用最小顯著差數法(Least significant difference，LSD 法)測驗各聚合系與對照間的差異顯著性;普通遺傳率估計為:，互作遺傳率估計為:，其中遺傳方差，互作遺傳方差，表型方差，式中的MSG、MSG×E、MSe分別為基因型、基因型與環境互作、誤差均方，k，r分別為環境數和區組數;成對性狀間的表型相關系數估算為:，遺傳相關系數估算為:其中，式中，CMS和COV分別為遺GP傳協方差和表型協方差，CMSG、CMSG×E、CMSe分別為基因型、基因型與環境互作、誤差協均方.所有分析用統計軟件SAS進行.

表1　聚合系聚合的優良基因及其對應表型Tab.1 The target genes and their corresponding phenotypes of the pyramiding lines

2　結果與分析

2.1性狀的遺傳分析

將參試的25個聚合系和華粳秈74共26個材料，按2個環境3次重復的隨機區組設計試驗資料作方差分析，結果列于表2.表2的結果表明，在整個試驗群體中，分蘗數、實粒數、結實率和千粒質量4個性狀早、晚季間差異不顯著，其余性狀則表現出顯著的差異.不同的聚合系材料間成穗率和結實率沒有顯著的差異，但有些聚合系在早、晚季會有不同的結實率;其余性狀則表現出顯著的差異，且有些聚合系的抽穗期、株高、穗長、著粒密度、千粒質量和產量在早、晚季表現不同.總的來看，4個性狀(抽穗期、株高、著粒密度和產量)的變異主要來源于環境、基因型及其互作，穗數主要來源于環境和基因型，千粒質量主要來源于基因型及其與環境的互作，其余性狀(分蘗數、成穗率、實粒數和結實率)的表現則主要取決于某一因素(或環境或基因型或基因型與環境互作).

表2　單個性狀的方差和遺傳率分量1)Tab.2 The estimations of variance and heritability components for each of observed traits

為了說明各遺傳因素(基因型及其與環境互作)對性狀影響的重要性，普通遺傳率和互作遺傳率分別被估算(表2).前者是穩定的，適用于所有基因型和環境;后者則隨基因型和環境的不同而異，僅適用于特定的基因型和環境.遺傳率的高低常作為性狀選擇的一個參考指標，用以判斷性狀的變異傳遞給后代能力的強弱.遺傳率高，表明性狀的變異主要來源于遺傳因素，對這種性狀選擇有效;遺傳率低，則表明性狀的變異主要由非遺傳因素所引起，對這種性狀的選擇效果差.本研究所考察性狀的廣義遺傳率變動在0. 885 9～0. 993 7之間，表明性狀的變異絕大多數源于不同的基因型，試驗誤差較小.其中普通遺傳率在0. 554 7～0. 968 8之間，是不受環境影響的分量，適用于早、晚季;互作遺傳率在0. 024 9～0. 331 2之間，是受到環境影響的分量，僅適用于特定的環境(早季或晚季).

2.2性狀間的相關分析

相關系數(r)是指雙變量的協方差除以它們各自標準差的乘積，用來度量2個變量間的相關性和密切程度.利用78對(26×3)數據可估得各考察性狀間的表型和遺傳型相關關系(表3).前者描述的是表型值間的相關，后者則是基因型值間的相關.

結果表明，考察性狀間的66個表型相關系數(右上角數據)變動在－0. 938～0. 929之間，其中46 個(占69. 7%)達到顯著或極顯著水平;分別有37個(占56. 0%)呈正相關，29個呈負相關.進一步將相關系數平方得到決定系數(r2)，用以度量相關的密切程度，其值變動在0～0. 880之間，表明某一性狀的變異對另一性狀的貢獻不超過88. 0%.然而，由于表型值受到許多非遺傳因素的影響，因此表型相關并不能真實反映2個性狀間的關聯是緣于基因型還是其他非遺傳因素.遺傳相關系數反映了2個性狀基因型值間的相關.結果表明，在估得的66個遺傳相關系數(左下角數據)中，其值在－0. 840～0. 937之間變動，有27個達5%或1%顯著水平，36個為正相關，遺傳決定系數在0～0. 878之間變動.

產量是重要的育種目標，是多種因素綜合影響的結果，與許多性狀包括株形和穗部性狀等關系密切.本研究表明，產量與分蘗數、實粒數、千粒質量的表型相關不顯著，但與其他性狀間的相關則達顯著或極顯著水平，其中與穗長、空粒數呈負相關，其余為正相關;表型決定系數在0～0. 863之間變動.然而，與產量遺傳相關顯著的則僅有著粒密度和千粒質量2個性狀，前者為負相關，決定系數為0. 155，貢獻率為15. 5%;后者為正相關，決定系數0. 366，貢獻率為36. 6%.

表3性狀間表型(右上)和遺傳型(左下)相關系數1)Tab.3　 The estimations of phenotypic (upper right data) and genotypic (lower left data) correlation coefficients of the evaluated traits

2.3聚合系的評價

將聚合系各性狀平均數分別與對照華粳秈74比較，并用LSD法作顯著性檢驗，結果列于表4.表4表明，3個聚合系P05、P18和P22比對照顯著提高了分蘗數，僅P05能提高有效穗數;沒有檢測到有聚合系能顯著地改良成穗率、實粒數和株高;共有12個聚合系比對照顯著地提早0. 8～3. 7 d抽穗，聚合系P18使主穗增長0. 8 cm，4個聚合系顯著地降低單株空粒數6. 4～9. 4粒，聚合系P03提高結實率4. 5%，聚合系P13主穗著粒密度每10 cm增加了6. 4粒，18個聚合系增加千粒質量達1. 0～5. 0 g，5個聚合系P05、P08、P14、P15和P21比對照的產量顯著地提高了388. 5～454. 5 kg·hm－2.

2. 4聚合系效應早、晚季的差異

為評價早、晚兩季各聚合系的表現，它們各季與對照的差值及其顯著性列于表5.表5的結果表明，早、晚季之間一些聚合系對某些性狀表現出較大的差異，而對另一些性狀則比較穩定.如P05除千粒質量外，其他性狀的效應早、晚季間差異明顯.早、晚季產量效應間的差異較大，早季沒發現有顯著改變產量的聚合系，晚季顯著增產的聚合系有P05、P07、P08、P12、P14和P21.

表4　聚合系各性狀與對照華粳秈74的差值及顯著性1)Tab.4 The difference values and significances of the observed traits between the pyramiding lines evaluted and the contrast Huijingxian 74

表5　2013年早、晚兩季聚合系各性狀與對照華粳秈74的差值及其顯著性1)Tab.5 The difference values and significances of the observed traits between pyramiding lines evaluated and the contrast Huijingxian 74 in the early and late seasons in 2013，respectively

3　討論與結論

自設計育種概念提出以來，分子設計育種實踐已成為潮流［16-18］.利用分子標記技術可鑒定和分離優良基因(QTL)并將它們聚合到某一優良品種中.本實驗室一直致力于分子設計育種實踐，用華粳秈74的單片段代換系鑒定和分離了許多重要農藝性狀的優良基因(QTL)，并按照育種目標將不同的優良基因組裝到華粳秈74中，期望華粳秈74有進一步的改良［14-15］.本研究的25個試驗材料即是在華粳秈74中聚合了不同優良基因的聚合系，但它們大多數的表現卻與預期的不一致，許多重要農藝性狀，如成穗率、株高、穗長、實粒數和著粒密度等的表現反而與人們的意愿相違背，這也表明了分子聚合育種的難度.5個聚合系P05、P08、P14、P15和P21比華粳秈74的產量有顯著的提高，其原因可能是產量構成因素中的千粒質量增加，它們可作為后續品比試驗的候選品系.2個高產品系P07 和P12僅適用于晚季.

本試驗所考察的性狀，如株型性狀分蘗數、穗數、株高等，穗部性狀穗長、實粒數、千粒質量、產量等，均是水稻重要的農藝性狀，分析其在不同品系間性狀的差異對于了解水稻的特性及進一步培養理想品種具有重要意義［19］.本研究結果表明，一些性狀如成穗率、穗數、抽穗期、株高、穗長、空粒數、著粒密度和產量，是環境敏感性的，早、晚季會有不同的表現;而分蘗數、實粒數、結實率和千粒質量早、晚季差異不大.性狀的遺傳主要取決于基因型及其與環境的互作2個分量.一些性狀如分蘗數、穗數、空粒數和實粒數的遺傳主要由基因型決定，因而在早、晚季選擇均是有效的;另一些性狀如抽穗期、株高、穗長、結實率、著粒密度、千粒質量和產量，帶有顯著的基因型與環境互作方差，因而僅在早季或晚季選擇有效.

由于性狀的無限性和遺傳物質載體的有限性，必然導致遺傳連鎖現象，察覺、利用或打破連鎖是遺傳育種研究的重要課題［20］.性狀間的表型相關系數，反映了性狀表型值之間的相關性和密切程度，本研究表明，產量與成穗率、穗數、抽穗期、株高、結實率、著粒密度呈正的表型相關，貢獻率在4. 0%～86. 3%;而產量與穗長、空粒數呈負相關，貢獻率分別為61. 8%和4. 7%.表型相關系數包含非遺傳因素的干擾，而遺傳相關系數排除了非遺傳因素的干擾，可作為育種間接選擇的參考指標.本研究表明，產量與著粒密度和千粒質量有顯著的遺傳相關性，前者為負，貢獻率15. 5%;后者為正，貢獻率36. 6%.這2個性狀可作為今后育種的參考指標.

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【責任編輯周志紅】

Comparative trial on grain yield for pyramiding lines of single segment substitution lines in rice

ZHU Haitao，LIU Guifu，ZENG Ruizhen，LIU Ziqiang，FU Xuelin，DAI Ziju，WANG Shaokui，ZHANG Guiquan

(Guangdong Key Lab of Plant Molecular Breeding/College of Agriculture，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China)

Abstract:【Objective】Pyramiding lines derived from single segment substitution lines in rice are intermediate materials in the process of molecular design breeding，so it would provide helpful consults for breeding and production practice via evaluation of their phenotypes.【Method】Twenty-five pyramiding lines were applied as experimental materials，and planted in the field with randomized block design in early and late seasons in 2013 respectively to test the differences of important agronomic traits between each of them and Huajingxian 74.The genetic basis of phenotypes and correlations of all observed traits were explored.【Result and conclusion】The grain yields of 5 pyramiding lines P05，P08，P14，P15 and P21 were markedly higher than that of Huajingxian74，which were suitable for planting in early and late seasons.The high-yield lines P07 and P12 were merely suitable for planting in late season.The heritability ratios estimated for all observed traits varied from 0. 885 9 to 0. 993 7，of which the general heritability ratios were 0. 554 7－0. 968 8 and the interaction heritability ratios were 0. 024 9－0. 331 2.Two traits of seed density and thousand seed mass were detected to influence grain yield，with the former decreasing it by the contribution ratio of 15. 5% while the later increasing it by 36. 6%.The results provide a basisbook=44,ebook=176of genetic improvement and indirect selection in breeding practice for these investigated traits.

Key words:single segment substitution line; pyramiding line; agronomic trait; grain yield; rice; heritability ratio

基金項目:NSFC-廣東聯合基金重點項目(U1031002) ;廣東省自然科學基金(S2013010012939和S2013010013184) ;廣州市科技計劃項目(2014J4100241) ;亞熱帶農業生物資源保護與利用國家重點實驗室開放課題(SKL-CUSAb-2013-07)

作者簡介:朱海濤(1978—)，男，實驗師，碩士，E-mail: zhuht@ scau.edu.cn;通信作者:張桂權(1957—)，男，教授，博士，E-mail: gqzhang@ scau.edu.cn

收稿日期:2014-10-12優先出版時間:2015-06-10

文章編號:1001-411X(2015) 04-0043-07

文獻標志碼:A

中圖分類號:S511; S502