水稻资源不育胞质恢复力鉴定研究

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水稻是世界上最重要的粮食作物之一。优异的水稻种质资源作为开展水稻育种的工作的物质基础，一直以来都受到育种家的重视。1973年三系杂交籼稻的配套成功与引进国外优异的恢复种质是分不开的。通过测交发现了如‘IR24’、‘IR26’、‘IR28’、‘IR30’、‘IR36’、‘密阳46’、‘泰引1号’、‘古154’等一大批强恢复系。近年来，‘华占’是生产上广泛应用的对两系、三系皆恢的恢复系，它是以马来西亚‘SC02-S6’为基础材料选育而成。尽管中国的水稻种质丰富，但是仅依靠中国现存的资源不能满足中国的水稻育种需求[1]。三系杂交稻是水稻杂种优势利用的主要方式，而籼型三系不育系主要利用CMS-WA不育胞质。目前，中国杂交籼稻的遗传背景狭窄，遗传单一化的趋势越来越明显。三系杂交稻的大部分不育系都含有相同的线粒体基因WA352c[2]。三系杂交稻的强恢复系主要来自中国的华南地区以及低纬度的东南亚国家。因此，当前急需扩大中国恢复系和不育系的遗传多样性。鉴定引进水稻资源恢保特性，对中国三系杂交水稻的持续发展具有积极意义。研究表明，许多优异的外引种质直接或间接被利用于水稻育种和基础研究，具有外引细胞质雄性不育和国外恢复种质，年种植面积超过600万亩的杂交稻组合达33个[3]。钟秉强等[4]对33份美国稻的恢保关系进行了测定，结果表明，在美国稻种中存在着对野败雄性不育育性恢复程度不同的品种，鉴定出了2份具有高恢复力以及10份具有保持能力种质。郑灵等[5]对从美国农业部戴尔帮佩国家水稻研究中心引进197份水稻资源在中国的抗病性以及对野败型、冈型、印尼水田谷型、红莲型、万88型、D型等6个不同细胞质不育系的恢保关系进行研究，发现对野败型不育胞质恢复的资源有25份，保持资源110份，对6种不育系都恢复的资源2份，保持资源22份，同时鉴定出3份高抗稻瘟病水稻种质资源。李存龙等[6]对236份云南软米水稻种资源进行恢保关系测定，结果表明，云南软米水稻种质资源中有恢复能力的种质资源占12.0%，保持种质占6.3%，而大部分属半恢半保类型。黄富等[7]对97份水稻种质资源对稻瘟病的抗性和恢保特性进行系统的研究，结果表明37份种质资源对三系不育系具有恢复性，9份种质资源对三系不育系具有保持性。谢戎等[8]对引进广东的72份水稻品种的恢保关系进行了研究。鉴定出定出恢复型品种45份，保持型品种8份，半恢半保型品种19份。苏泽胜等[9]、陆贤军等[10]、阮仁超等[11]分别利用安徽、四川、贵州水稻地方种质与野败型不育系测交皆筛选部分强恢或保持类型种质。明确外引资源对野败型不育系的恢保关系和强恢种质的分布地区，为高效的选育新的水稻雄性不育系、保持系和恢复系提供理论依据。本研究以国际水稻所引进的441份水稻种质为待测种，与野败型雄性不育系‘明218A’配制441份测验种(F1)，考察测验种的自然结实率，明确外引种质的恢保关系和强恢种质的分布地区，为进一步利用这些资源，高效的选育新的恢复系、保持系提供依据。

1材料与方法

1.1供试材料供试材料为50个国家的441份水稻种质资源以及利用野败型不育系‘明218A’（引自福建三明市农业科学研究所），与引进种质配制的441份测验种(F1)。种质资源是2017年引自国际水稻所。该资源在五大洲分布为：亚洲296份，非洲46份，欧洲40份，南美洲34份，北美洲25份。1.2田间种植与恢保关系鉴定1.2.1田间种植2018年在连云港市农业科学院东辛基地种植441份F1以及441份引进种质，测验种F1与相应的父本成对相邻种植，不设重复，5月10日播种，6月12日移栽，行株距23cm×17cm，每个测验种（父本）种植4行，每行8株。田间管理如一般大田管理。1.2.2恢保关系鉴定所有测验种及其父本材料成熟后，取中间5株，考察其自然结实率。取中间10株考察株高、有效穗、穗长等农艺性状。根据F1小穗结实率，参照陆贤军等[10]提出的育性分类方法，将测交父本分成了4种类型：强恢类型：F1结实率在75%以上；半恢半保型：F1结实率在5.1%~75%之间；保持类型：F1结实率在5.0%以下。

2结果与分析

2.1测交F1的自然结实率的表现考察441份外引种质与野败型不育系‘明218A’测交F1的自然结实率，结果表明F1结实率在0%~94.2%之间。由图1可见，大多数品种的结实率在10%~30%之间，在此出现峰值。同时在80%~90%之间，又形成1个分布小峰。由此可见，在外引水稻资源中既可筛选出恢复系，又可筛选出保持系。2.2测交父本的类型分类以供试441份外引水稻种质与野败型不育系‘明218A’测交F1自然结实率为依据，对外引种质资源恢保关系进行测定，结果表明（表1），多数品种的测交F1结实率在5.1%~74.9%之间，属于半恢半保型；53个品种的测交F1自然结实率在75%以上，对野败型不育系的恢复能力较强，可作为选育恢复系的亲本；43个品种的测交F1自然结实率在5%以下，对野败型不育系保持力强，可作为选育野败型保持系的材料；由于水稻的感光感温性，12份种质测交F1未安全抽穗。2.3测交组合F1与其父本的性状表现差异通过分析测交F1结实率在75%以上的53个组合以及相应父本的株高、有效穗、穗长、穗总粒数、实粒数、自然结实率和千粒重等7个性状（表2）。从表中可以看出，43个测交父本的株高在140cm以下，10个父本株高在144.4~166.5cm之间。所有测交F1的株高在150cm以下，绝大部分测验种株高在130cm以下，个别组合株高较高，如‘明218A/RACEPERUMAL’、‘明218A/LENKIBE-N’的株高分别达到了144cm和146.2cm。有效穗、穗长和千粒重有增加的趋势。F1的千粒重受父本影响较大，父本的千粒重较高，其后代的千粒重也较高，因此，选择千粒重高的恢复系可以提高F1的千粒重。一般情况下，相对恢复指数CR＜1，表明测验种的结实率小于父本的结实率。一般以相对恢复指数CR=0.8为恢复阈值，本试验中4个品种的CR＞1，超过了恢复阈值0.8，可能是这些种质对光温反应较为敏感，在连云港地区的结实率低于原产地的缘故。2.4强恢种质的地理分布依据测验种的小穗自然结实率，共筛选恢复种质53份（表2）。分析筛选恢复种质的来源地区，数据表明5大洲都筛选到强恢种质（图2）。来源于亚洲国家（地区）的种质最多，达到了33份，占恢复种质的比例为62.3%，占来源于亚洲种质的比例为11.1%。从亚洲地理方位来看，来源于东亚国家（地区）的种质共12份，其中中国7份，代表性品种有中国台湾‘NABESHI’、‘C662083’以及中国内地的‘SANGHAI’、‘NX3533’、‘MAOZHANUO’、‘NANERHAI5’、‘QINGZAO3’。来源于南亚国家的种质12份（其中孟加拉国5份）、东南亚国家的种质共9份，其中来自菲利宾种质较多，共有6份。总的来说亚洲的东亚、南亚、东南亚地区有较多的强恢种质。来源于北美洲国家的种质7份，其中美国的强恢种质6份，占来源美国种质31.6%，说明美国种质中含有较多的强恢资源。而来源于欧洲国家的种质仅2份，分别是来自意大利的‘GIOVANNIMARCHETTI’和保加利亚的‘RODINA’，占来源于欧洲种质的比例为5%，说明欧洲恢复种质相对较少。综上所述，对野败型不育系强恢的种质在5大洲都有分布，主要集中在亚洲的东亚、南亚、东南亚地区以及美国。2.5恢复种质测交F1与父本主要性状的相关与回归对53份强恢种质测交F1与测交父本7个重要性状均值进行相关和回归分析，结果表明（表3）7个性状都呈正相关，其中株高(r=0.97**)、穗长(r=0.747**)和千粒重(r=0.934**)3个性状达极显著相关，而其余的4个性状的相关不显著。从相关系数的大小看，F1代与父本性状的相关程度为：株高＞千粒重＞穗长＞有效穗＞穗总粒数＞穗实粒数＞自然结实率。从决定系数看，父本的株高、千粒重以及穗长对F1贡献率在55%以上。因此，恢复系的株高、千粒重以及穗长这3个性状对杂种F1的影响较大。

3讨论和结论

中国三系杂交水稻育种经过30多年的发展，已处于世界领先水平，但近10多年来进入了徘徊期。杂交水稻品种比常规水稻品种有更高的商业价值，利用已育成的不育系和恢复系选育新组合，比常规水稻品种选育时间短，加上新的审定渠道的开放（国家和省级联合体、绿色通道等），导致中国杂交籼稻新参试新组合井喷，但生产上大面积推广的不多，同质化严重。中国的三系杂交籼稻的恢复系主要来自东南亚、南亚中籼，而不育系（保持系）来源于中国华南早籼。三系亲本遗传基础窄、多样性贫乏，这可能是三系杂交水稻育种多年徘徊不前的原因[12]。本试验明确了外引种质对野败型不育系的恢保关系，发现了东亚、南亚、东南亚以及美国等地水稻种质中有较多的强恢种质，为扩大恢复系的遗传基础，提高杂交水稻的育种水平具有重要意义。研究外引种质的恢保关系，是资源利用的基础。本研究共鉴定出恢复型种质53份，保持型种质43份，半恢半保型种质333份。引进的种质绝大多数是半恢半保类型，这与前人的研究结果一致[4-7,9-11]。本试验采用自然结实率为筛选依据，没有考虑异交结实率，导致筛选的保持类型种质较少。由于水稻的感温感光性，其中12份测验种在连云港地区未安全齐穗，可能遗漏部分恢复或保持资源，但这部分资源只占待测资源的2.7%，对结论的影响不大。对53份强恢种质测交F1与测交父本7个重要性状均值进行相关和回归分析，株高的相关程度最高，千粒重和穗长等2个性状的次之，这与苏泽胜等[9]对安徽地方种质资源以及阮仁超等[10]对贵州地方稻种资源的研究结果类似，但与周根友等[21]的研究结果不同。由于野败型不育系因其不育性稳定，可恢复性较好，多年来其推广组合及面积在中国杂交稻中一直居于主导地位。从野败型恢复基因研定位结果来看，多数学者认为其恢复性受2对主效恢复基因Rf3和Rf4控制[13-14]，其中Rf4[15]已克隆，同时受微效恢复基因影响。此外不育系（保持系）中也存在恢复基因[16]。由此可见，WA型不育系育性恢复的遗传机理相当复杂。对本试验筛选到的强恢种质进行基因型分析，是否含有新的恢复基因，还需进一步研究。通过对强恢种质的来源国家（地区）分析，结果表明，强恢种质多数来自亚洲的东亚、南亚以及东南地区的国家，占比达62.3%，一方面，这一地区含有较多的强恢种质，野败型不育胞质的恢复基因一般来自国际稻品种和东南亚品种。另一方面可能与这一地区测试的种质较多有关。现代美国稻一般具有品质好、中等直链淀粉，品质和产量综合性状均衡，加上带有粳稻血缘，易于产生超亲优势[17]。利用美国稻‘Lemont’育成一系列恢复系，如‘成恢210’[18]、‘成恢425’[19]、‘成恢448’[20]等以及常规优质品种‘美香占2号’[17]等一批优异材料。本试验筛选出来自美国的强恢种质占美国种质31.6%，表明美国种质中含有较多的恢复资源，应加强对美国稻的研究。对美国种质的农艺性状、抗性等特征特性进行鉴定研究，选择综合性状优良的材料作为改良三系杂交稻产量和品质的亲本材料加以利用。结论本研究以自然结实率为指标，鉴别441份水稻资源恢保类型。鉴定出恢复型种质53份，保持型种质43份，半恢半保型种质333份。野败型不育系强恢的种质5大洲都有分布，主要集中在亚洲的东亚、南亚、东南亚地区以及美国，欧洲恢复种质相对较少。恢复系的株高、千粒重以及穗长对杂交种F1的影响较大。

作者:邢运高 陈庭木 杨波 孙志广 徐波 李健 刘艳 迟铭 卢百关 方兆伟 王宝祥 徐大勇 单位:江苏省连云港市农业科学院