秈型雜交水稻莖腭數的加性-隱性遺傳分析

種植習性是水稻植物的重要組成部分，包括：角和種植力。第一種反映了主要莖和的分布，影響了植物之間以及光、氣等因素之間的競爭。后者顯示了莖和葉的數量，決定了穗數、光面積和成穗率的數量，并直接影響產量。因此,分蘗習性備受國內外稻作研究者重視,并進行了廣泛的研究。主要包括:莖蘗消長指標、模型、與群體質量的關系、分蘗性狀的遺傳和分子標記等方面。但是,由于水稻莖蘗數的最終表現,決定于其生長發育過程中眾多基因的表達、調控和相互作用。前人的研究只是從表觀上說明了水稻莖蘗數是個體(群體)發育過程中光合作用產物不斷積累的結果,不能解釋莖蘗數在發育過程中不同時期基因的表達和調控情況。應用現代發育遺傳學的理論和方法,對莖蘗數在不同發育階段基因表達的差異以及各種基因效應對莖蘗數發育動態的影響進行研究,深化對水稻莖蘗數遺傳規律的了解,對于21世紀的水稻超高產育種栽培,豐富水稻產量形成的理論均具有重要意義。本研究采用數量性狀不同發育時刻(0→t)和不同發育時間段(t-1→t)的加性—顯性遺傳模型和統計分析方法,研究秈型三系雜交水稻莖蘗數性狀在發育過程中基因表達的遺傳規律,明確不同發育時期基因表達產生的各遺傳效應對莖蘗數的影響和莖蘗數在不同發育時期對有效穗數的影響,為水稻遺傳育種、雜種優勢利用及群體質量栽培提供有價值的信息,期望能對不同基因型雜交水稻的遺傳表達,進行人為調控。1材料和方法1.1恢復系的選擇選用珍汕97A(A1)、龍特甫A(A2)、D297A(A3)、岡46A(A4)4個秈型三系不育系和IR24(R1)、6078(R2)、R669(R3)、WJ413(R4)、明恢63(R5)、IR26(R6)、桂33(R7)、CDR22(R8)、明恢86(R9)9個秈型恢復系為研究材料。供試材料均為我國自三系配套以來在生產上已大面積推廣應用或近年來育成組合的優良親本,由其配制的多數雜交稻組合不僅應用時間長,而且覆蓋面廣,具有較好的代表性。1.2恢復系的種植與管理用上述的4個不育系和9個恢復系按NCⅡ交配設計配制2套的雜交組合(4×5):1998年用4個不育系和R1、R2、R3、R4、R55個恢復系配制20個雜種;1999年用4個不育系和R5、R6、R7、R8、R95個恢復系配制20個雜種。2年均收獲親本(不育系用同型保持系代替用于考察產量性狀)和F1種子,分別于相應的第2年晚季在福建農林大學教學農場種植。2年均于6月24日播種,7月23日移栽。采用隨機區組設計,2次重復。小區面積6.67m2,株行距20cm×20cm,單本植。按豐產田管理,力求均勻一致,及時防治病、蟲、鼠、鳥為害。2年試驗期間均未出現異常的可危及試驗的氣候條件,但2年的氣候特點有差異,1999年晚季的光溫條件充足,屬于豐收年份,2000年晚季較之1999年晚季的氣溫偏低,光照較弱,屬于正常偏差的年份。1.3莖哌數的測定2年的供試材料移栽后,每小區在非邊行處(第3行)定點6株,于7月29日至8月22日,每隔3d記載各單株的莖蘗數;于成熟期在每小區隨機取生長正常的植株5株(邊行除外),調查單株有效穗后,整株挖起,切除根系部分,置于105℃烘干箱中殺青60min,再在85℃條件下烘干至恒重,獲得單株生物產量和稻谷產量。1.4年齡、性別、年齡分布的遺傳參數采用加性—顯性發育遺傳模型和統計分析方法,對2年的秈型三系雜交稻親本、F12個世代不同時期的莖蘗平均數進行如下估算和分析:用MINQUE(1)法估算加性方差(VA)、顯性方差(VD);不同時期莖蘗數與有效穗數之間的遺傳相關性。同時預測F1在不同時期的群體平均優勢(HMP)和群體超親優勢(HBP)。進一步估算莖蘗數在(t-1→t)期間內的條件方差分量(條件加性方差VA(t/t-1)、條件顯性方差VD(t/t-1))和條件雜種優勢。利用Jackknife數據抽樣技術,對各世代平均數進行抽樣,計算各項遺傳參數的標準誤,并用t測驗對參數進行顯著性測驗。有關運算和分析均采用朱軍教授提供的統計軟件在PC586微機上完成。2結果與分析2.1年生物固質模型的生長方程表中數據表明,供試材料間的群體莖蘗動態、有效穗數、成穗率、生物產量和稻谷產量存在較大差異,變異范圍較大。在觀察時期(7月29日至8月22日)內,莖蘗數呈增加趨勢,至8月22日增加緩慢,已值分蘗高峰期。對莖蘗數性狀表型值隨發育進程的變化情況用Logistic生長方程Y=K/(1+Ae-bx)擬合及參數估算,2年中的擬合程度均較高,經F測驗均達極顯著差異水平(F1999=3426.85**,F2000=1435.20**),決定系數(R2)均達0.99,進一步對Logistic函數求一階、二階和三階導數,分別得到莖蘗數的最大生長速率的時間為返青后的11.9d(1999)和12.1d(2000),生長速率曲線的第1突變點為返青后4.4d,第2突變點為返青后19.5d(1999)和19.9d(2000)。同時,從表中的數據和生長方程參數又可看出,2年莖蘗數表現有所不同,說明不同的氣候環境和不同的恢復系所測配的雜交組合均會影響莖蘗數的發育進程。從莖蘗數的總體表現看,有必要深入分析其形成發育過程中基因的表達差異以及不同基因效應對莖蘗數形成的動態影響。2.2不同發育階段莖數的遺傳散射分析2.2.1環境條件與基因型對莖哌數加性效應的影響在水稻栽培中,一般要求品種本身有較強的分蘗力和適中的莖蘗數。莖蘗數的非條件遺傳方差分析表明(圖1),2年加性方差分量的表現趨勢不太一致,1999年加性方差在整個觀察時期均達顯著或極顯著水平,且從返青后即7月29日開始,加性方差分量逐漸上升,至分蘗高峰期(8月22日)達最高值,占總遺傳方差(VA+VD)的44.79%。2000年只在8月1日、8月4日、8月16日至8月22日的時期具有顯著或極顯著的加性效應,而在其余各觀察時期加性方差為0或未達顯著水平,在分蘗高峰期(8月22日)達最高值,占總遺傳方差(VA+VD)的28.90%。2年莖蘗數顯性方差在大部分時期均達顯著或極顯著水平,且從返青后至分蘗高峰期有2個高峰,即自返青后的7月29日開始上升,至8月13日達最大,2年的顯性方差(VD)分別占該時刻總遺傳方差(VA+VD)的84.30%和92.57%,而后顯性方差下降,在8月19日(1999年)和8月22日(2000年)分別形成第2個高峰,2年顯性方差分別占相應時刻總遺傳方差(VA+VD)的61.78%和71.10%。上述結果表明,環境條件與基因型的互作會影響莖蘗數加性效應的表現,而不影響顯性效應表現的趨勢。從遺傳主效應來看,2年均是以顯性效應為主,表明對莖蘗數這一性狀進行選擇,其效果不太理想,但其雜種優勢利用潛力較大。因此,在栽培中應注意分蘗期的肥水管理,使分蘗前期具有較多的莖蘗數,且葉面積迅速擴大,減少漏光,同時控制分蘗后期無效分蘗的發生,創造最佳的有效分蘗生態環境,緩解穗數與穗大的矛盾。2.2.2加性效應基因表達非條件遺傳分析方法給出的是檢測時刻之前所有基因活動的累加結果,但無法將這些效應分解成前期效應和檢測間隔的額外效應,條件遺傳分析方法可獲得連續發育時間段之間的凈效應,在排除前期干擾的條件下,對某時間段內的動態遺傳表現進行探討,并能進一步解釋非條件分析方法的檢測結果。不同發育時期莖蘗數條件遺傳方差分析表明(圖1),2年加性效應基因的表達略有不同,在8月13日至8月22日之間,均具有顯著或極顯著的條件加性效應,且加性效應基因的表達量波幅不大;在8月13日之前,2000年加性效應基因是關閉的,但1999年則有間斷的加性效應基因的表達(8月1日至8月4日)。2年條件顯性效應在7月29日至8月1日之間為零或未達顯著水平,而插后1周即8月1日開始至分蘗高峰期,均檢測到顯著或極顯著的條件顯性效應,表明其顯性效應基因在此發育過程中的表達是連續的,且表現明顯的一個高峰期,即自8月1日開始,顯性效應基因的表達開始逐漸活躍,到8月7日至8月10日時段達最活躍狀態,之后顯性效應基因的表達開始逐漸減弱,到分蘗高峰期降至最低谷。2年在整個觀察時期均是以顯性效應基因的表達為主,這與傳統的遺傳分析方法檢測到的以非條件顯性效應為主的結果是一致的,所不同的是顯性效應基因在8月7日至8月10日表達最活躍,而用傳統的遺傳分析方法直到8月13日才檢測到最大的顯性效應值。2.3不同發育階段莖的不同優勢分析2.3.1年中莖蝌蚪數的變化莖蘗數在不同發育時期的雜種優勢分析表明(圖2),2年莖蘗數非條件群體平均優勢(HMP)在不同發育時期呈兩頭低中間高的趨勢,且均達正的顯著或極顯著水平,即從返青后的7月29日開始上升,至8月7日達最高值,2年分別為55.2%和53.4%,之后開始下降,在分蘗高峰期(8月22日)降至最低,2年分別為17.6%和18.6%。2年莖蘗數在不同發育時期的非條件群體超親優勢(HBP)的變化趨勢與之一致。這啟示我們在有效分蘗期要充分發揮秈型三系雜交稻莖蘗數的雜種優勢,在無效分蘗期卻要控制其優勢的發揮,達到提高成穗率的目的。2.3.2年中2年各不同品種、不同超親優勢對比2年度不同發育時期莖蘗數的條件雜種優勢分析表明(圖2),在8月1日至8月22日之間,條件群體平均優勢大部分為負向顯著或極顯著水平,而相應的非條件群體平均優勢在8月1日至8月7日是上升的,直到8月7日之后才呈下降趨勢,其中2年均于8月10日至8月13日條件群體平均優勢為負的最低值,而非條件群體平均優勢降幅最大時間段分別為8月10日至8月13日(1999年)和8月7日至8月10日(2000年)。就條件群體超親優勢而言,其2年莖蘗數在大部分時期均具有負向顯著或極顯著的條件群體超親優勢,而非條件群體超親優勢在7月29日至8月7日是上升的,直到8月7日之后才呈下降趨勢,且條件群體超親優勢預測值較小的時段亦不是非條件群體超親優勢出現的時段。上述結果表明,不同發育時期莖蘗數條件雜種優勢比非條件雜種優勢更真實地反映雜種優勢的表現。2.4莖蝽數與有效穗數的相關性不同發育時期莖蘗數與有效穗數的遺傳相關分析表明(圖3),2年加性相關的結果差異較大,說明不同氣候環境和組合均會影響莖蘗數和有效穗數加性效應間的相互關系。就顯性相關而言,在大部分發育時期2年莖蘗數與有效穗數均具有顯著或極顯著的正向相關,但相關程度和趨勢有所不同,1999年的較優環境莖蘗數與有效穗數顯性效應間的相關程度最大的在8月4日和8月16日,而2000年較差環境相關程度最大的卻在8月16日之后。這一結果提示我們不同長勢群體的莖蘗數發育狀況與有效穗數間的相關性是不同的,長勢優的群體,緊密相關的時期提早,反之,則推遲。3環境對水稻莖蝽生長和產莖的影響作物數量性狀的表現是一個動態過程,從分化發育到完全建成的全過程中,不僅有遺傳與環境的互作,也還需要一個遺傳信息的表達過程。研究作物數量性狀的發育遺傳有助于確定數量性狀遺傳變異表達的特定時期,為QTL定位、分子標記輔助選擇提供理論依據。Zhu首次提出了可用于分析數量性狀發育遺傳和估算特定發育階段基因表達和關閉的遺傳規律的遺傳模型和統計方法,已在水稻、棉花等作物的有關數量性狀分析上得到了很好的應用。本研究運用該方法對秈型三系雜交水稻莖蘗數的發育遺傳做了初步的分析,深入地揭示了莖蘗數性狀在發育遺傳過程中加性和顯性效應基因表達行為的動態信息,旨在達到人為調控不同基因型雜交水稻莖蘗數性狀遺傳表達的目的。栽培生理研究者對水稻群體莖蘗動態與成穗率和產量形成以及成穗率與群體質量的關系及其影響因素做了大量的研究,認為水稻前中期群體結構的數量和個體質量及其動態變化決定了成穗率的高低,影響著最終產量。目前,生產上多數水稻品種(組合)在有效分蘗期莖蘗數偏多,高峰期苗數過多,人為控制困難,導致成穗率不高。本研究結果表明,秈型三系雜交水稻莖蘗數的加性效應表現趨勢不一致,顯性效應在大部分發育時期均達顯著或極顯著水平,環境與基因型互作會影響莖蘗數加性效應的表現,而不影響顯性效應的變化趨勢。在生長速率曲線的第2突變點(8月16日)之后至分蘗高峰期均有加性效應基因的表達,其表達量波幅不大,而顯性效應基因在插后1周即8月1日開始至分蘗高峰期之間的表達是連續的,且在稻株莖蘗生長速率最大的時期(8月7日)表達最為活躍,其雜種優勢達最高值,故在有效分蘗期內要充分發揮莖蘗數的雜種優勢,在無效分蘗期卻要控制其雜種優勢,使分蘗前期迅速擴大葉面積,減少光照損失。同時,在分蘗后期應減少無效分蘗的發生,創造最佳的有效分蘗生態環境,緩解穗數與穗大的矛盾。不同環境和品種(組合)對莖蘗數和有效穗數加性效應間的相關影響較大,且顯性相關程度和趨勢亦有所不同,在較優的環境條件下,高產群體顯性相關密切的時期提早。反之,則推遲。利用秈型三系雜交稻分蘗中