太湖流域粳稻杂种优势及品种资源遗传多样性研究

论文摘要

中国杂交粳稻经过30多年的研究，在杂种优势、品质、抗性等方面已经实现了关键技术的突破，杂交粳稻通过审定的组合达100多个。尽管如此，到目前为止，杂交粳稻的种植面积仍不到25万hm2，仅占粳稻面积的3％。与杂交籼稻相比，杂交粳稻还有很大的发展空间，是近期内最有可能取得跨越式发展，成为对粮食总产贡献最大的粮食作物之一。太湖流域是我国经济最发达地区之一，也是著名的“鱼米之乡”，水稻单产居全国前列。自20世纪90年代开始大面积推广杂交粳稻以来，该地区已经成为杂交粳稻育种和生产应用最活跃的地区之一。为了进一步发展该地区的杂交粳稻，本论文从太湖流域粳稻杂种优势及其亲本配合力分析、粳稻地方品种的遗传多样性和不同生态型粳稻种子贮藏蛋白多态性3个不同角度的研究，以期为该地区杂交粳稻育种和生产提供理论依据。1．利用太湖流域育成的7个BT型晚粳不育系和该地区常用的7个粳稻恢复系按NCⅡ遗传设计配制49个杂交组合，研究10个重要农艺性状的杂种优势及其亲本的配合力。结果表明：（1）10个性状的优势有正有负，其中每穗总粒数的优势最为明显，竞争优势（纯系、杂粳）和高亲优势平均值分别为52.0％、22.6％和8.6％；单株产量性状的高亲优势最大，平均值为9.5％，变幅为-38.0％～43.9％，但与纯系和杂粳推广品种相比，竞争优势平均值仅为-7.0％和-10.0。单株有效穗的高亲优势和竞争优势最低。（2）在产量性状上配合力较优的不育系有852-77A、后36A和9522A，恢复系有3402、161-10、C166、C418，优良组合有9522A／161-10、9522A／C166、852-77A／3402。（3）单株有效穗、每穗实粒数、单株产量性状杂种优势主要是非加性效应作用，而播抽历期、株高、穗长、粒长、粒宽、每穗总粒数、千粒重等7个性状主要是由加性效应引起的；在加性效应为主的7个性状中千粒重性状不育系的一般配合力方差要大于恢复系，而其它6个性状恢复系的一般配合力方差要大于不育系。表明该地区杂交粳稻产量的高亲优势明显，但产量优势主要依靠亲本的特殊配合力。而其它农艺性状的优势主要来自于恢复系的一般配合力。因此，整体提高太湖流域杂交粳稻亲本一般配合力水平、特别是改良恢复系是该地区杂交粳稻选育下一步的重点。2．利用表型性状和SSR标记对太湖流域粳稻地方品种资源的遗传多样性进行研究，结果如下：（1）利用19个表型性状对823个太湖流域粳稻地方品种资源的遗传多样性进行了研究。结果表明，颖壳色、稃尖色、芒和粒型等4个形态性状分别有17、12、5和4种变异类型，其中颖壳色和稃尖色的变异较大。其它15个数量性状的变异系数值为4.6％～33.7％，其中单株产量、每穗实粒数和每穗总粒数变异较大，粒长和千粒重变异较小。性状的多样性指数值变化范围为0.757～1.930，平均为1.559。多样性指数值位于前列的是每穗实粒数、着粒密度和每穗总粒数，粒型的多样性指数值最小。主成分分析表明，株高、单株有效穗、每穗总粒数、每穗实粒数、着粒密度、千粒重、单株产量和穗颈长等8个性状是解释太湖流域粳稻地方品种多样性的重要性状。相关性分析显示，一个性状能够解释另一性状49％以上变异的成对性状为单株有效穗和单株产量、每穗总粒数和每穗实粒数、每穗总粒数和着粒密度，每穗实粒数和着粒密度。将总体资源按生育期分为：中粳亚群、早熟晚粳亚群和中、晚熟晚粳3个亚群，以性状的极差符合率、变异系数、表型方差和多样性指数为参数比较3个亚群的多样性，中、晚熟晚粳亚群的颖壳色与稃尖色表型最丰富，并且8个数量性状的表型方差、9个性状的变异系数、18个性状平均的H′值与中粳亚群和早熟晚粳亚群相比均最大，表明中、晚熟晚粳亚群的遗传多样性大于其它两个亚群。反之说明群体存在一定的遗传冗余，宜缩小群体规模，便于进一步研究。（2）以表型性状为依据，利用均值差异率（MD％）、极差符合率（CR％）、方差差异率（VD％）、变异系数变化率（VR％）、表型保留率（PR％）和多样性指数率（H′％）6个评价参数，通过对2种遗传距离（欧氏遗传距离、马氏遗传距离）、6种聚类法（最短距离法、最长距离法、中间距离法、重心法、类平均法、离差平方和）、3种核心种质抽样法（多次聚类随机法、多次聚类优先法和多次聚类偏离度法）和不同抽样比例（10～50％）的组合策略的比较研究，明确采用欧氏距离、类平均法聚类、优先取样法和10～20％为构建太湖流域粳稻地方品种资源核心种质的最佳策略，并以此策略构建的Core215-15群体为基础，形态性状遗失基因型为补充，构建了以129份资源材料组成的太湖流域粳稻地方品种核心种质，数量占总资源的15.7％。与初始群体相比，核心种质数量性状的均值差异率为0、极差符合率和方差差异率均为100％、变异系数变化率为123.4％、形态性状表型保留率为100％、多样性指数率为106.91％。表明构建的核心种质在保持初始群体性状平均数和方差不变的前提下，既保留了极端材料，同时又增加了表型性状的异质性和分布均度。（3）利用60对SSR引物对129个太湖流域粳稻地方品种资源核心种质进行了DNA分子水平的多态性分析，进一步研究太湖流域粳稻地方品种的遗传多样性。结果53个SSR位点共得到216个等位变异，多态性位点检出率为88.3％，每个多态性位点等位变异数的变化范围为2～7个，平均4.08个，PIC值的变幅为0.031（RM125）～0.773（RM349），平均0.413。71.7％的SSR位点具有3个以上等位变异，47.7％的等位变异的分布频率小于0.1，表明太湖流域粳稻地方品种核心种质不仅具有丰富的遗传变异，同时保留了大量的稀有等位变异。比较染色体间等位变异和位点PIC值的平均数，太湖流域粳稻地方品种在第5和第11染色体上的变异较其它染色体丰富。以群体多态性位点数、等位变异总数、平均PIC值、Nei基因多样性指数、品种间遗传距离和相似系数为比较参数，太湖流域粳稻地方品种核心种质的遗传多样性明显高于江浙现代育成品种。基于品种相似系数的UPGMA聚类分析比较好的反映了类型间以及类型内各品种的遗传相似程度和亲缘关系。在相似系数0.63处，可以明确将地方品种和江浙现代育成品种区分，表明太湖流域粳稻地方品种和江浙育成品种存在较大的遗传差异。研究还表明，太湖流域粳稻地方品种中的同名品种基因型并不相同，存在明显的遗传差异。3．利用十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳方法研究115个不同生态型粳稻品种间种子贮藏蛋白多态性。结果如下：（1）根据65×103Da带的有无，70×103Da、60×103Da、57×103Da、37×103Da～39×103Da（谷蛋白α亚基）、22×103Da～23×103Da（谷蛋白β亚基）、13×103Da（醇溶蛋白）、10×103Da（清蛋白）带染色的深浅，35×103Da（a-4）带迁移的速率，及57×103Da位置带的数量4种蛋白谱带变异，共鉴别出19种品种蛋白图谱类型。（2）直链淀粉含量和蛋白质含量测定结果表明，60×103Da带的深浅变化代表品种直链淀粉的高低，37×103Da～39×103Da、22×103Da～23×103Da、13×103Da带的同步的深浅表示品种蛋白含量的高低。此结果可以用于杂交粳稻低直链淀粉和高蛋白含量亲本的早代选择。（3）品种间蛋白谱带相似系数范围在0.75～1.00之间，采用类平均法进行聚类分析，在相似系数0.894处，明显地可以将供试品种分为3组：第1组高直链淀粉含量品种8个；第2组高贮藏蛋白含量的品种15个；其它92个品种为第3组，占供试材料的80％。除了高直链淀粉含量组与中熟中粳生态型有关联外，生态型与贮藏蛋白多态性间没有明确的关联。表明不同生态型粳稻品种间蛋白水平差异较小，利用种子贮藏蛋白作为鉴定杂交粳稻纯度的标记难度较大。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 缩略语
• 第一章 文献综述
• 第一节 杂交粳稻遗传育种研究进展
• 1 杂交粳稻的发展回顾
• 2 杂交粳稻的选育理论
• 3 杂交粳稻选育的实践
• 4 杂交粳稻存在的问题
• 5 杂交粳稻的发展对策
• 6 展望
• 第二节 水稻种质资源遗传多样性研究进展
• 1 遗传多样性研究的基本方法
• 2 核心种质的研究进展
• 3 我国水稻资源的遗传多样性
• 4 太湖流域水稻地方品种资源概述
• 第三节 本研究的目的和意义
• 第二章 太湖流域晚熟粳稻杂种优势及其亲本配合力分析
• 1 材料和方法
• 1.1 供试材料
• 1.2 试验方法
• 1.3 统计方法
• 2 结果与分析
• 2.1 49个杂交组合的主要农艺性状表现
• 2.2 35个杂交组合的主要农艺性状的杂种优势表现
• 2.3 配合力分析
• 2.4 主要农艺性状的基因效应
• 3 讨论
• 第三章 太湖流域粳稻地方品种资源表型多样性研究
• 1 材料和方法
• 1.1 供试材料
• 1.2 田间种植与性状考察
• 1.3 统计分析
• 2 结果与分析
• 2.1 太湖流域粳稻地方品种资源19个性状表现和多样性分析
• 2.2 太湖流域粳稻地方品种资源3个亚群间表型多样性比较
• 2.3 太湖流域粳稻地方品种的主成分分析
• 2.4 太湖流域粳稻地方品种数量性状相关性分析
• 3 讨论
• 第四章 太湖流域粳稻地方品种资源核心种质构建
• 1 材料和方法
• 1.1 试验材料与数据
• 1.2 构建策略
• 1.3 评价参数
• 2 结果与分析
• 2.1 核心种质构建策略比较
• 2.2 核心种质取样比例的确定
• 2.3 太湖流域粳稻地方品种资源核心种质的建立
• 3 讨论
• 第五章 太湖流域粳稻地方品种核心种质的SSR分析
• 1 材料和方法
• 1.1 供试材料
• 1.2 实验方法
• 1.3 统计分析
• 2 结果与分析
• 2.1 太湖流域粳稻地方品种核心种质的SSR多态性分析
• 2.2 太湖流域粳稻地方品种核心种质SSR等位片段分析
• 2.3 太湖流域粳稻地方品种核心种质遗传距离和同名异物现象
• 2.4 太湖流域粳稻地方品种核心种质聚类分析
• 3 讨论
• 第六章 不同生态型粳稻品种种子贮藏蛋白遗传多样性
• 1 材料和方法
• 1.1 试验材料
• 1.2 种子贮藏蛋白的提取
• 1.3 SDS-PAGE
• 1.4 蛋白质分子量标记
• 1.5 稻米直链淀粉含量和蛋白质含量测定
• 1.6 数据分析
• 2 结果与分析
• 2.1 3种不同提取液提取的种子贮藏蛋白效果比较
• 2.2 不同浓度分离胶分离种子贮藏蛋白的效果比较
• 2.3 粳稻品种种子贮藏蛋白谱带变异
• 2.4 粳稻品种种子贮藏蛋白多态性
• 2.5 聚类分析
• 2.6 杂交粳稻三系及组合种子贮藏蛋白标记
• 3 讨论
• 第七章 全文总结
• 1 全文结论
• 2 本研究创新点
• 参考文献
• 附录
• 一 杂种优势及其计算公式
• 二 pxq交配设计配合力分析线性数学模型
• 三 水稻种子贮藏蛋白SDS-PAGE实验程序及相关试剂
• 四 SSR实验程序及相关试剂
• 五 太湖流域粳稻地方品种核心种质SSR基础数据
• 六 太湖流域粳稻地方品种核心种质品种间遗传距离
• 致谢
• 在读期间发表的论文