SSR标记遗传距离与水稻籼粳衍生系杂种优势的相关性分析

杨旺兴，卓 伟，马彬林，邹文广，韦新宇，张受刚，祁建民，许旭明*

(1. 三明市农业科学研究院，福建 沙县 365059；2. 福建农林大学生命科学院， 福建 福州 350002)



SSR标记遗传距离与水稻籼粳衍生系杂种优势的相关性分析

杨旺兴1，卓 伟1，马彬林1，邹文广1，韦新宇1，张受刚1，祁建民2*，许旭明1*

(1. 三明市农业科学研究院，福建 沙县 365059；2. 福建农林大学生命科学院， 福建 福州 350002)

【目的】探讨分子标记遗传距离与杂种优势的相关性。【方法】利用SSR标记分析8个水稻不育系和12个籼粳亚种间杂交衍生系的遗传多样性，按照不完全双列杂交(NCII)获得96个杂交组合，分析亲本间遗传距离与其主要产量性状杂种优势表现。【结果】①籼粳衍生系杂种后代株高、穗长和千粒重表现为正向优势，变异幅度较小；每穗实粒数和结实率虽表现相对不平衡，但均为较强正向优势；有效穗数表现较弱，为负向中亲优势。②籼粳衍生系杂种F1在SSR标记遗传距离0.2547～0.5660，穗长、株高、每穗实粒数、每穗总粒数、单株产量超亲优势与遗传距离极显著相关，与F1结实率、千粒重、有效穗数的杂种优势相关不显著。【结论】在一定遗传距离范围内，SSR标记亲本遗传距离与杂种优势之间有一定的相关性。

水稻;籼粳杂交;衍生系;SSR标记;杂种优势

【研究意义】水稻是我国主产粮食作物之一，我国稻米产量约占世界总产量的40 %，提高水稻的产量水平对保障我国粮食安全具有重要的作用。水稻产量构成诸多因素中，优良品种的贡献率约达40 %，因此新的基因和种质资源的发掘、创造，以及杂种优势利用和研究是今后粮食增产的重要途径和方向。【前人研究进展】水稻籼粳亚种间杂交由于亲本遗传距离较大，因此超亲优势明显，后代变异丰富。育种家门认为在结合株型育种的基础上，研究籼粳杂种优势利用是提高水稻单产主要途径之一。袁隆平[1]在杂交水稻超高产育种战略中提出利用籼粳亚种间杂种优势利用的构思，认为利用籼粳亚种间杂种优势亦成为杂交稻育种的主攻方向。程式华等[2]认为提高亲本间的遗传差距，开展籼稻与粳稻亚种间杂交，是我国超级稻育种核心技术之一。可见利用好亚种内不同生态间杂种优势和亚种间杂种优势，已成为广大育种工作者的共识，是提高我国杂交稻产量主要方法之一。【本研究切入点】亲本的遗传多样性是作物杂种优势产生的基础。常规育种，亲本的杂种优势需通过长时间的、大量的田间测交来评价；生物技术的快速发展和应用，育种家们可以通过分子标记揭示亲本遗传差异，为预测作物杂种优势提供方法。其中SSR标记具有操作快速简便、多态性高、成本低、稳定性好等优点，已被国内外学者用于各物种亲本遗传差异检测[3-7]、遗传多样性分析[8-11]和杂种优势预测。赵庆勇等[12]认为利用SSR分子标记可以有效鉴定杂交水稻亲本的亲缘关系。何风华等[13]利用SSR标记对41份材料进行遗传多样性分析，发现在品种分类和遗传多样性研究方面SSR标记是非常有效的，并可以用来指导亲本选配和改良。Xiao等[14]应用SSR标记计算遗传距离发现,亚种内分子标记间遗传距离能够较好地预测杂种优势。【拟解决的关键问题】本研究利用SSR标记分析12个籼粳衍生系与8个水稻不育系遗传多样性并按NCII法配组，分析遗传距离与所配组合主要产量等相关性状杂种优势的相关性，为籼粳杂种优势利用提供选择性建议。

1 材料与方法

1.1 供试材料

8个水稻不育系(培矮64S、广占63S、SE21S、中九A、K17A、广抗13A、II-32A、金23A)，12个水稻籼粳亚种间杂交衍生系[15-18](明恢118、明恢398、明恢413、明恢417、明恢502、明恢503、明恢509、明恢512、92gk729、97gk1019、97gk1037、97gk419)以及配制的96个杂交稻组合。

1.2 试验方法

1.2.1 农艺性状调查 在三明市农科院水稻试验田种植。随机区组排列，3次重复，6月20日播种，7月20日移栽，每小区5行，每行8株，单本栽插规格为20 cm×20 cm。田间统一管理，选取有代表性的5株，收获时考查株高、穗长、每穗总粒数、每穗实粒数、单株有效穗、千粒重、结实率共7个性状。

1.2.2 DNA提取及SSR产物扩增 每份材料分别取2～3片新鲜幼嫩的叶片，用剪刀剪碎后经液氮磨碎，采用SDS法提取DNA冷冻保存。

1.2.3 电泳检测 筛选108对SSR引物用于PCR扩增。PCR反应体系为20 μl，含1×Buffer(10 mmol·L-1Tris-HCl(pH 8.0)， 50 mmol·L-1NaCl，2.5 mmol·L-1MgCl2，0.08 %NonidetP40)，25 μmol·L-1dNTP，40 μmol·L-1的正、反向SSR引物各2 μl，Taq聚合酶1.5 U，20 ng模板DNA(Taq聚合酶、1×Buffer、SSR引物和dNTP均购自上海生工生物工程技术服务有限公司)。使用基因公司MG96G型PCR仪进行扩增，反应程序为：94 ℃模板DNA预变性5 min后，94 ℃变性45 s，55 ℃退火45 s，72 ℃延伸60 s，34个循环，最后72 ℃延伸10 min；10 ℃保存。

采用DYCZ-30型电泳仪进行电泳。凝胶成分包括30 %丙烯酰胺，10 %过硫酸铵，0.1 % TEMED；电泳缓冲液为1×TBE，电泳电压250 V，电泳约1.5 h，银染检测结果。

1.2.4 数据记录与分析 SSR是共显性标记。数据采取人工读带，只记录主要带型、忽略弱杂带型。记录为“1” 时表示有带，记录为“0” 时表示为无带。用PIC_CALC(Version0.6)计算位点的多态性信息量值(PIC)。数据采用NTSYS 2.10e计算相似系数，按UPGMA法聚类分析，绘制品种间的遗传聚类树状图。杂种优势[19]包括中亲优势、超亲优势及竞争优势。所有数据统计在excel电子表格上进行，相关性分析在DPS7.05上进行。

2 结果与分析

2.1 SSR分子标记的多态性

多态信息含量指数反映了某一对SSR引物对品种的区分能力，可用来衡量某个基因位点等位变异程度的高低。本研究从108对SSR引物中筛选出分布于水稻12条染色体上的80对引物，其扩增产物具有明显多态性，带型稳定(表1)。每对引物检测到的多态性片段为2～5条，共检测到206条多态性片段，平均每个位点有2.6个等位基因。80对引物的平均多态性信息量为0.439，位点RM559的PIC值最小，为0.095；位点RM410的PIC值最大，为0.775；位点RM307的PIC值次之，为0.720；可以看出RM410、RM307是很好的标记位点，能很好的区分品种。表明本研究选用的引物合理且所用的籼粳材料等位基因变异幅度大，有着丰富的遗传多样性。

表1 SSR引物、染色体位置、等位基因数目及多态性信息含量指数

2.2 SSR标记揭示的亲本间遗传关系分析

利用206条SSR 标记多态性片段，计算20个亲本间的遗传相似性系数，遗传距离变幅为0.2547～0.5660，平均遗传距离为0.3859。不育系与恢复系的平均遗传距离分别为0.2934、0.3096，可见不育系的遗传差异小于恢复系。不育系广占63S与恢复系明恢417遗传距离最小，为0.2547；不育系K17A(同型保持系K17B)与恢复系gk729遗传距离最大，为0.5660。恢复系平均遗传距离与两系不育系广占63S距离最小，为0.3596；与三系不育系K17A (同型保持系K17B)遗传距离最大，为0.4060。供试不育系平均遗传距离与恢复系明恢398最小，为0.3142；与恢复系gk729最大，为0.5037。

20份材料利用ntsys2.10e软件计算出相似性数进行聚类(图1)，在相似性数0.674处，可将亲本分为5类，第一类为SE21S，广占63S、金23B、中九B、II-32B、K17B和广抗13B；第二类为光温敏核不育系培矮64S；第三类为偏籼型籼粳衍生系，包括明恢118、明恢417、97gk1037和明恢512，其粳稻成份指数[18]均低于15.38 %；第四类为偏粳型籼粳衍生系，包括97gk419、明恢413、明恢509、明恢398、97gk1019、明恢503和明恢502，其粳稻成份指数在19.23 %～42.31 %；第五类为籼粳衍生系祖先亲本92gk729，其粳稻成份指数为46.15 %，所含籼稻和粳稻成份几乎相当。由此可见供相对于光温敏核不育系培矮64S，其他供试不育系遗传变异均较小；而遗传变异大的籼粳衍生系，遗传背景相应也较复杂，因此需要合理配组，以降低籼粳亚种间杂交后代分蘖偏少、结实率偏低、甚至株高偏高等问题。

图1 20份供试材料SSR聚类图 Fig.1 Dendrogram for 20 materials based on SSR markers

参数Parameter株高Plantheight有效穗数Effectivepanicle穗长Paniclelength每穗总粒数Totalgrainsperpanicle每穗实粒数Filledgrainsperpanicle结实率Seedsettingrate千粒重1000-grainweight单株产量Yieldofperplant中亲优势MH超亲优势OH中亲优势MH超亲优势OH中亲优势MH超亲优势OH中亲优势MH超亲优势OH中亲优势MH超亲优势OH中亲优势MH超亲优势OH中亲优势MH超亲优势OH中亲优势MH超亲优势OH竞争优势CA平均值(%)Mean23.9310.92-6.51-16.2514.637.9324.33-0.8058.2710.9834.091.735.23-1.8269.1728.407.03标准差STD11.7511.1622.2822.967.517.8119.7919.8244.7926.9844.4419.785.687.5063.0237.0022.71变幅(%)Range-1.14-7.3-55.64-68.95-1.49-11.23-5.38-44.04-7.69-40.95-31.38-33.92-7.76-15.33-8.51-33.04-35.0759.8545.5656.2547.3137.3434.6596.5752.66257.79105.5164.7375.9420.6316.73248.66200.3361.56正向优势组合数NCPH9580311995849044916374387735907653

Note：STD：standard deviation；NCPH：Number of combinations showing positive heterosis；MH：Mid-parent heterosis ；OH：Over-parent heterosis.

表3 亲本遗传距离与杂种F1相关农艺性状超亲优势的相关系数

注：*显著相关；**极显著相关。

Note：*means that the difference is significant at the 0.05 level；** mean that the difference is significant at the 0.01 level.

2.3 F1主要农艺性状杂种优势表现

分析籼粳衍生系所配组合F1主要产量性状及株高的杂种优势(表2)。表现为超亲优势的有株高、穗长、每穗实粒数和单株产量；表现为正向中亲优势有每穗总粒数、结实率和千粒重；有效穗数即杂种F1的分蘖力表现较弱，为负向中亲优势。供试组合中，株高、穗长的优势组合率均为98.96 %，其变异幅度也较小，这样就可以在配组前，利用双亲的株高和穗长对杂种F1株高和穗长作出相应预判。从表2也可以看出，供试籼粳衍生系配组F1在结实率和每穗实粒数方面均有较好的杂种优势表现，但结实率中亲优势、超亲优势标准差分别为44.44 %、19.78 %，每穗实粒数中亲优势、超亲优势标准差分别为44.49 %、26.89 %。可见由于品种间有差异，结实率和每穗实粒数的组合优势率变幅相对较大，部分材料还是有籼粳亚种间杂交后代结实率低下的遗传特征。单株产量方面正向超亲优势组合76个，超亲优势率为(28.40±37.00)%；正向竞争优势组合53个，竞争优势率为(7.03±22.71) %。可见籼粳衍生系组合由于个别主要产量性状差异幅度较大，组合产量优势不明显，因此，在配组的时候，可以利用性状互补原则，选用性状互补不育系与籼粳衍生系进行配组，从选育的角度，以最大限度降低籼粳衍生系杂种F1有效穗数、每穗实粒数和结实率对产量的影响。

2.4 F1主要农艺性状杂种优势与SSR标记遗传距离的相关性

从表3可以看出，96个组合在0.2547～0.5660遗传范围内，遗传距离对F1结实率、千粒重、有效穗数杂种优势相关性不显著；株高超亲优势与遗传距离表现出极显著相关(r=0.45**)，穗长超亲优势与遗传距离呈极显著正相关(r=0.29**)，每穗总粒数超亲优势与遗传距离呈极显著正相关(r=0.32**)，每穗实粒数超亲优势与遗传距离极显著正相关(r=0.37**)，单株产量超亲优势与遗传极显著正相关(r=0.34**)。因此，在SSR标记0.2547～0.5660遗传范围内，亲本间遗传距离与杂种相关农艺性状超亲优势之间有一定的相关性。

3 讨 论

利用DNA分子标记计算亲本间遗传距离进而预测杂种优势，前人做了大量研究，多从籼稻或粳稻入手[20-22]，张礼霞等[23]研究发现杂交籼稻的遗传距离与杂种优势相关不显著，而杂交粳稻却表现显著相关性。罗小金等[24]研究表明F1单株产量与遗传距离的相关程度普遍高于其超亲优势与遗传距离的相关程度。蔡健等[25]研究结果表明杂种产量优势、F1产量、特殊配合力与遗传距离都呈显著正相关。张培江等[26]利用RAPD标记研究水稻杂种优势与遗传距离的相关性, 认为在水稻亲本遗传距离增大的同时，选育强优势组合的概率随之增大。赵庆勇等[27]研究表明除每穗总粒数外，分子标记遗传距离与杂种性状平均值的相关均达到显著或极显著水平，与杂种优势的相关均达到极显著水平。可见，前人以籼粳亚种间杂交衍生系为对象研究遗传距离与杂种优势相关性较为少见，也未能得出一致的结论。

4 结 论

本研究是以籼粳亚种间杂交衍生系为研究对象，分析SSR标记遗传距离与杂种优势相关性，在0.2547～0.5660遗传范围内96个组合，遗传距离对F1结实率、千粒重、有效穗数的杂种优势均未达到显著水平；株高、穗长、每穗总粒数、每穗实粒数、单株产量超亲优势与遗传距离表现出极显著相关，单株产量竞争优势与遗传距离也表现不显著相关。因此，当在一定的遗传距离范围时，遗传距离与杂种F1个别农艺性状杂种优势之间有一定的相关性，不足以对杂种F1产量优势进行预测，这也和研究样本的多样性、环境的互作以及全基因组遗传距离与单一产量关联性大小[28]等因素有一定关系。因此，在利用籼粳衍生系进行杂交配组时，应注意亲本间的遗传距离，但当遗传距离过大时，由于遗传差异过大容易使亲本间产生不亲和性，反而会使杂种优势与遗传距离的相关性减弱, 甚至没有相关性。

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(责任编辑 李山云)

Analysis on Correlation between Heterosis and Genetic Distance Based on Simple Sequence Repeat Markers inIndica-japonicaCross Derived Lines

YANG Wang-xing1, ZHUO Wei1, MA Bin-lin1, ZOU Wen-guang1, WEI Xin-yu1,ZHANG Shou-gang1, QI Jian-min2*, XU Xu-ming1*

(1.Sanming Academy of Agricultural Sciences，Fujian Shaxian 365059，China;2.College of Life Sciences, Fujian Agriculture & Forestry University, Fujian Fuzhou 350002, China)

【Objective】The study was used to analyze on correlation between heterosis and genetic distance based on Simple Sequence Repeat Markers.【Method】Genetic diversity among 20 derived lines ofindica-japonicahybrid rice was studied using the simple sequence repeat (SSR) markers, and relationship between genetic distance based on SSR markers and yield heterosis was analyzed using the materials consisted of 20 parents and 96 F1hybrids with a 12*8 diallel crossing design.【Result】(i)The plant height, panicle length and 1000-grain weight showed positive heterosis with less variation range; The grain number per panicle and the seed setting rate showed positive heterosis with relatively larger variation range, and the unbalance existed in theIndica-japonicacross derived lines；The effective panicle number showed negative mid-parent heterosis. (ii)The parental of 96 F1hybrid at the genetic distance for 0.2547-0.5660, the correlation between heterosis of F1seed setting rate,1000-grain weight and GD has negligible effect, the correlation between heterosis of effective panicles and GD has no significant correlation；However, the correlation between heterosis of plant height, heterosis of panicle length, heterosis of total spikelets per panicle, heterosis of spikelets per panicle, yield per plant of spikelets per panicle and GD appeared to be significant atP<0.01.【Conclusion】At the parental genetic distance for certain range, heterosis and genetic distance has significant correlation.

Rice (OryzaSativaL); Hybrids betweenIndicaandJaponica; Derived lines; Simple sequence-repeat; Heterosis

1001-4829(2017)6-1251-06

10.16213/j.cnki.scjas.2017.6.002

2016-08-03

国家水稻产业技术体系专项(CARS-01)；福建省科技重大专项(2012NZ0003)；福建省科技计划项目(2015S0065)；三明市科技计划项目(2014-N-2)

杨旺兴(1979-)，男，硕士，副研究员，主要从事水稻遗传育种研究，E-mail：yyy99425@163.com，*为通讯作者，E-mail：fj63xxm@sina.com。

S511.2

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