杂交水稻中超显性效应的分析.pdf

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1、杂交水稻 中超显性效应 的分析 庄杰云，樊叶杨 ，吴建利，夏英武 ，郑康乐 中国水稻研究所国家水|f；政良中心 杭州 3 1 0 0 0 6，2 浙江大学棱农业科学研究所，杭州 3 1 0 0 2 9 Ssi I。擅翼：本文提 出亚群体 分析法，在二个衍生于杂交稻推广组 合的 F 群体 中，挑选 均匀分布于连锁 图谱 的 D N A标记 作为固定园子，分别根据每个 固定因子的基因型将 F 群体 分成 三类亚群体：母本型(I 型)、父 本型(I I 型)和杂合型(m 型)。在大量 型亚群体 中 杂合度 与产量和穗数呈显 著正相关。在表现这种相关性的 I n型亚群体内分析产量 r L和 穗数 Q

2、T L，发现超显性作用是研究组 合杂种优势的主要遗传 基础。美羹词：奎整 挚；p N A t ；数量性 状基固 座位()；超星丝墼 蜜；!中田分类号：s 5 1 1 文献标识码：A 文章编号：0 2 5 3 9 7 7 2(2 0 0 0)0 4 0 2 0 5 0 4 I d e n t i fi c a t i o n o f Ov e r d o mi n a n c e QT L i n Hy b rid Ri c e Co m b i n a t i o n s Z H UA N G J i e y u n”，F A N Ye y a n g1，WU J i a n-l i ，X I

3、 A Yi n g-w u ，Z H EN G K a n g-l e r，N a t i o m d c 机打 r R i c e，呷 L 朋?a t i o m d R i c e R e s e a r c h n s t i mm，舶；“3 1 0 0 0 6；2 t mt i t me A g g o d r a l 5 e i e a c e s z g U m x e r s ，m，咖 3 1 0 0 2 9，j AWt l r l Kt：T wo F 2 p o p u l a t i o n s we l e e a c h d e riv e d f r o m a c o

4、 r mn e r c i al h y b rid a n d u s e d f o r i d e n ti fic ati o n o f g e n e t i c f a c t o r s c o n t r i b u t i n g t o h e t e ms i s o f ric e DNA ma r k e r s d i s t rib u t i n g e v e n l y i n t h e l i n k a g e ma p s we r e s e l e e t e d a s fi x i n gf a c t o r s Th e F2 po p

5、 u l a t i o n s we l e d i v i d e di n t ot h r e et y po s o f s u b-p o p u l a t i o n s b a s e d o nt h e g e n o t y p e s o fe a c hfi x i n g f a c t o r：m a t e ma l t y p e(po I)，p a t e rnal t y p e(T y p e I I)a n d h e t e m z y g o u s t y pe(T ype I l 1)I n a l ac g e n u m b e r o

6、f T y p e I I I s u b-p o p u l a t i o n s，s i g n i fi c a n t c o r r e lat i o n s we r e o b s e r v e d b e t we e n h e t e mz y g o s i t y a n d a i n y i e l d，an d be-t w e e n h e t e r o z y ges i t y and n u m b e r o f p a n i c l e Q T L a n a l y s i s i n T ype I l l s u b-p o p u

7、l at i o n s s h o w i n g s u c h cor r e l a t i o n s i n d i c a t e d t h a t o v e r-d o mi n a n c e w a 富t h e ma i 0 g e n e ti c b asi s o f h e t e r o s i s i n t h e t w o c r c 目 8 e s Ke y w o r d s：h e t e ms i s；D N A m a r k e r；q u a n ti t a t i v e t r a i t l o c i(Q T L)：o v e

8、 r Mo n a n c e：r i c e 两个遗传组成不同的个体杂交产生的杂种一代 优 于双 亲的现象 称 为杂种 优势，它普 遍 存在 于生物 界。杂种 优势 的利 用 已为农作 物 的增 产 发挥 了重要 的作用 早在 2 0 世纪初就提出了两种代表性理论学 说显性假说和超显性假说 但杂种优势的遗传 机理一直未能得到合理的解释 近年来，虽然 D N A 标记 的应用促进 了杂种优势遗传机理的研究，但其 结果 尚缺乏普遍意义。在玉米 中，同样的群体应用 不同的统计分析方法，可得出不同结论。；在水稻 中，不同研究组报道 了不同的结果 由此可见，对 于杂种优势 这样一个复杂问题，需要拓宽分

9、析思 路。本文报道了我们采用亚群体分析法，在水稻杂 种优势遗传机理研究方面的主要进展。l 材 料 与 方 法 1 1 水稻材料和性状考察 应用杂交稻推广组合汕优 1 O号(珍汕 9 7 A 密 阳 4 6)和协优 4 6号(伽青早 A 密阳 4 6)，以相应 的保 持系与恢复系配制组合建立了珍汕 9 7 B 密 阳 4 6 (Z M群体)和协青早 B 密阳 4 6(x M群体)F 群体。收一 日期：2 o o o一0 3 0 2；棒国 日期：2 o o 0 0 60 2 基毒珥 宦：国家水稻基 因组项 目(1 0 1 0 90 6)；农 部重点项 目(9 5农 一1 5 0l 一0 1-0 2

10、)；洛克菲勒基金台 国际水稻生物技术项 目(R F 9 7 0 0 1#5 2 6)作奢前 介；庄杰云(1 9 6 5 一)，男，双族，副研究员 硬 上学位；专业方向：遗传育种。郑康乐(1 9 4 4一)，男，双蕨，研究员 博导；专 业方 向 遗传学 致膏：意太利米兰太学 生物菜 S A L A F r 蚰c 。0 教授 和李强先 生承担 A F L P和 R A M P检测，谨 致谢忱 维普资讯 http:/ 2 0 6 遗传H E R E D I T A S B e i g)2 O O O 2 2卷 于 1 9 9 5年在 中国水稻研究所实验基地种植父母本 和 F 各 6株、Z M群体 1

11、 7 1 株、X M群体 1 6 6 株。在各 单株成熟时分别收获，考取 6 个性状的数据：单株产 量(G Y D)、单株穗数(N P)、每穗 总粒数(T N S P)、每穗 实粒 数(N F G P)、结 实率(s F)和千粒 重(T G WT)。杂交 优势的指标衡量仅采用超亲优势，即针对同一性状，杂种一代表现型值超过最高亲本数值的比例。1 2 D N A标记 分析 按以前介绍 的方法提取各单株的总 D N A 0：应 用 的 D N A标 记包 括 R F L P(限制性 片段 长 度多 态 性)、s s (简单序列长度多态性)、A F L P(扩增片段 长度多态性)和 R A M P(随

12、机扩增微卫 星多态性)。R F L P分析主要参照 M c C o u c h等人的方法，采用 B C L系统(A m e r s h a m P h a r m a c i a B i o t e c h)检测信号，所用 探针由美国康乃尔大学 T a n k s l e y实验室提供。S S L P 分 析 中 的微 卫 星 引 物 对 购 自 R e s e a r c h C ,n e t i c s I n c，反应体系参 照厂商提供的方法，扩增产物在 3 O 的 Me t a P h o r 琼脂糖凝胶(F MC)上电淋 A F L P和 RA MP分析参照前人的方法，扩增产物在 6

13、 聚 丙 烯 酰 胺 变 性 胶 上 电 泳 后，采 用 银 染 检 测(P r o me g a)。1 3数 据分 析 应用 M A P M A K E R E X P 3 0 构 建连锁图，遗传 图距以 K o s a m b i e M表示，根据前人发表的图谱确定 各 连 锁 群 的 染 色 体 号 0 。应 用 M A P M A K E R Q T I 1 1 b“J 分析数量性状基因(Q T L)，以 L O D2 0 为阈值，Q T L命 名采用 Mc C o u c h等人“提出的规 则。应用 S A S P R O C G L M J在双因子水平上分析基 因型 基 因型 互作

14、 后，除 了剔 除异 常 分离(P 0 0 5)的标记对外，在一对区间仅保留显著性水平 最高的一对标 记。最后，按 u 等人介绍的方法分析 显著互作中各基 因型组合的效应及其显著性。以杂合型基 因座 占检测总基 因座的比例表示各 个体的杂合度。除了根据定位的所有共显性标记计 算了杂合度外，还从中挑选了均匀分布的标记(Z M 群体 6 o个、X M群体 6 3个)，重新计算了各个 F：个 体的杂合度。然后，分别分析杂合度与各个性状的 相关 性。为分析杂合度与性状表现是否在特定的遗传背 景下表现较强的相关性，分别 以挑选的均匀分布标 记为固定因子，将 F：群体分成三个亚群体：固定 因 子为纯合母本

15、型的构成亚群体 I，为纯合父本型的 构成亚群体，为杂合型的构成亚群体 I I I。在各个 亚群体中分析杂合度与性状的相关性。由于杂合度 与产量和穗数在大量的 型亚群体中呈正相关，为 了分析其原因，应用表现出这种相关性的 I 型亚群 体，检测产量和穗数 Q T L。2结 果 与 分 析 2 1 性 状表 现和 图谱构 建 在分析的 6个性状中，只有单株产量和单株穗 数表现出强杂种优势，前者在 Z M和 X M组合中的超 亲优势分别为 3 2 9 和 2 5 2，后者分别为 2 3 7 和 1 3 6 。在 Z M和 X M F 群体，分别获得了 1 2 4和 2 0 7 个 多态性标记的分离数据

16、，由此构建 了连锁图。Z M图 谱 由 1 0 9个标记组成，总图距 1 3 5 4 4 c M，其中 1 0 7 个 标记为共显性标 记(1 0 7 个 R F L P、2 个 s s L P)；X M图 谱 由 1 6 0个标记组成，总图距 1 9 4 5 2 c M，其中 1 1 6 个 为共 显性标 记(9 4 个 R F L P、1 1 个 S S L P、9 个 A F L P、2 个 R A MP)。2 2 完整群 体 中的分析 在单因子水平上，在Z M和 X M群体分别检测到 一个单株产量 Q T L和一个单株穗数 Q T L：产量 Q T L 位于 6 号染色体 的同一区域，

17、均不表现超显性；穗数 Q T L位于不同染色体，均表现超显性。在其他性状上 共分别检测到 1 4和 1 2 个 Q T L，但超显性 Q T L仅各 有 3个。在双因子水平上，在 Z M和 X M群体分别检 测到 2 9和 1 9 对显著互作，以加性互作为主，未检测 到任何显著的显性 显性互作(表 1)。这些结果表 明，研究群体 中产量及其构成因子的遗传控制以加 性作用和加性 加性互作为主，这显然难以解释这 二个组合中实际存在的产量超亲优势。以定位的所有共显性标 记为基础，二个 F：群 体 中各个性状与杂合度的相关性均较低，相关系数 为 一0 0 2 60 1 9 3。以挑选的均匀分布标记为基

18、础，各个性状与杂合度的相关系数几乎未 发生变化，其 原 因是各单株根据两种方法获得 的杂合度数值具有 极高的相关性(z M群体，r=0 9 4；X M群体，r=0 8 8)。这说明杂合性水平亦难以解释研究组合的产 量超亲优势。2 3亚 群体 分析 应用亚群体分析，普遍观察到性状表型值与杂 合度的正相关性(表 2)。产量和穗数与杂合度分别 在 Z M群体的 2 8个和 1 7 个 I 型亚群体中星显著正 相关，其 中 I 5个亚群体相同；产量和穗数与杂合度 维普资讯 http:/ 4期 庄杰云等：杂交水稻 中超显性效应的分析 裹 1 璋汕 9 7 B m 4 6(z M)和协青早 B 密阳 4

19、6(x M)F；群体 中控倒产量性状的基因互作 T a b e I 印m c a n t d i i o l e nc ti o f o r y i e L d仃 d e t e c t e d L n e h n 9 M L y a n g 4 6(删)山U d x i“g B Mi3 y g 4 6(x M)P 0 p I ll|d 0 I l E 产 量(G Y D)穗数(N P)宴粒散 穗 N F G P 总粒数 穗(T N S V)结实事(s F)千 粒重(亿 wT)总数(T h )G YD=c 日y l d di NP=N u mb e r p 卸Ic k，NF G I；Nb e

20、r n H e d I M P|k k T NS p=T h n b e f s p t k e L e t s p s ru e；S F=s P i k H q-T C-WT；0 0 0一 n 州 g h；h A A为加性 x 性互作 D为 性 x显性互作或 生x加性互作 从 d x d ；AD d d i l i x d o T nL i na nc e d di l i v e 裹 2 性状裹型僵与杂台麈呈显著正相关 的亚群体数 7 s ide 2 T h e n u mb e 0 f s u E-p o p u l a ti o n s t n wh i c h s ig n ifi

21、c a n t p o s i tiv e c o r r e l a t ic q t b e t w e e n h e t e r o z y g o e i ty a n d t r a i t p e r f o r t n a l l c c眦 H o b s e,e d 分别在 X M群体的 l 8个和 3 4个 I I I 型 群体中呈显 著正相关，其中 l 6个亚群体相同 虽然在 I 型和 型亚群体也观察到这二个 性状与杂台度的正相关 性，但其数 目大大小于 I I I 型亚群体。比较这二个性 和其它性状，也可 以看到，其主要差别也是表现在 I I I 型亚群体 这与产量和穗

22、数的超亲优势一致。在产量和(或)穗数表现正相关的 Z M和 X M 1 1 I 型亚群体中，分别检测到 1 5和 l 3 个产量 Q T L 其中 1 O个在两个群体都检测到；分别检测到 1 3和 1 8个 穗数 Q T L，其 中 1 1 个在两个群体都检测到。虽然大 部分 Q T L在两个群体 同时得到检测，但同一个 Q T L 在不同群体 中、不同 Q T L在同一个群体中得到检测 的稳定性差异很大。表 2列出了在最多的 I I I 型亚群 体中检测到的 l 5 个 Q T L在两个群体中的结果 除了 P一6一j、q GY D一62、q NP一62和 q G Y D一 门 外 其余 1

23、1 个 qr L主要表现正向超显性作用，其 中 口 G Y D一5在两个群体同时得到稳定检测。这个结 果说明，超显性 Q T L广泛存在于水稻基 因组，但其 检测有赖于特定 的遗传背景。从亚群体方面看，在应用于 Q T L分析 的 3 O个 Z M I I I 型亚群体和 3 6个 X M I I I 型亚群体 中，分别有 2 8 个和 3 4个检测到超显性 Q T L，但不同亚群体 中检 测到的超显性 Q T L数差异较大。例如，以 R z 3 l 8(染 色体 2)和 R Z 8 6 1(染色体 l O)为固定因子的 Z M I I 1 型 亚群体 中，各检测到 7个超显性 Q T L。可

24、见水稻基因 组中存在一些与杂种优势有关的背景因子，其本身 表 3 在 H I 型亚群体得 到一定检测的 Q 一 T a b l e 3 q T L m日 d d e te c te d i n T y p e I I I 0 P I _l 且 l _帆B a括号前的敷字代表拉 捌弭对应 0 的 型亚群体总敷括号中的矗 字代表谣 0 表现 出越显性作用的 m 基亚群体敷 0 0 51 2 0 0 2 4 07 3 4 6 3 2 1 0 0 1 1 1 4 2 2 4 9 1 0 维普资讯 http:/ 2 0：8 遗传 H E R E D ffA S(B e i j i )2 0 0 0 2

25、2卷 在太部分遗恃背景下不表现明显效应，但其基因型与其他 Q T L自 作用密切相关。3 讨论 Q T L的超显性作用和显性类互作，与杂种优势 的遗传控制密切相关。本研究 中，在二个由强优势 杂交稻组合衍生的 F 群体中，常规的分析表明加性 作用和加性 加性互作是产量性状遗传控制的主要 基础，虽然其他研究者应用另一个强优势推广组合 也获得了类似的结果，这些结果无法解释研究组 合实际存在的强超亲优势。应用亚群体分析法，结果表明 Q T L的超显性作 用对研究群体 的产量控制具有重要作用，但这种作 用只有在一些特定基因座位处于杂合型时才能充分 发挥。亚群体分析法，即分析不是以整个群体为基 础，而是

26、分析每个染色体区域的杂合性对杂种优势 的影响，避免 了整个群体分析中，基因作用相互抵消 而导致这类 因子难以检测到。由于 F 中双亲具差异 的基因座位均为杂合型，本研究结果说 明超显性作 用是原始组合汕优 l O号和协优 4 6杂种优势的主要 基础。从另一方 面看，在杂合型亚群体中稳定检测到 的 l 5 个 Q T L中，仍有 4 个主要表现加性作用。这个 结果证实我们原来设计的标记辅助高产 育种的方案 是可行的 I I l,即根据各个基 因的作用模式，改 良恢 复系，最大程度地累积加性效应和超显性效应。参 考 文 献：【1 J S mb C W l n l 0 n 0 f g e n e t

27、 i cf a l o c o n t r i b u t i n g1 0 h e r-i n a h y b r i d hnt wo e l i te rI z e in b r e d l i n e s u sin mo e c u hr m a e 【J J G e n e l ic a，1 9 9 2，1 3 2：8 2 3 8 3 9 【2 l C o c k e r h C C g 日 D e I p l m w Lm m m e r l o c iG e n e t i c s 1 4 3：1 4 3 7 1 4 【3 I X i a o J#D o m i n a n c

28、 e】B t h em o r g e n e t i c b 酗ls r h e t e ms i s n 6 e e 1 日 r e v e a l e d h y Q T L咖a t B u s i n g m o e c u l m a e 【J】G e n e t ic s 1 9 9 5，1 4 0：7 4 5 7 5 4 【4 J 余 四斌，等 上位性效应是水稻 杂种优势的重 坚遗传基础 中国科学 c辑)，I 9 9 7 2 8(4)2 3 43 4 1【5 卢扬江，邦康乐提琅 水稻 D N A的一种简易打法 中国水 稻科学，1 9 9 2，6(1)：4 74 8 【6】M c

29、C o h S Re c M e c a l a r ma p p i n g o f ri c e h【J l 1 Ap p Ge n e t 1 9 B B 7 6：8 1 58 2 9 【7】V P a t A F L P：te c h n iq u ef o r D N Afi n g e r p ri n t i n g Nu c hi ce i 1 9 9 5 2 3：4 4 O 74 4I 4 【8 J A mn e i b l a，a 胍 e c u k a l y s i s o f t h e g 呷 o f t mn s g e n i e 槐 n n；啪 L )p l

30、B p r edu dW p a r d e l e b 帅 m e 日 t o r h a t a e t e e c a o p o r a i 4 t【J】M B we e d，1 9 9 8，4 9 91 0 9 【9 l L i o l n S，e t C o t mc d n g g e t t i e m M A P MA K E R E X P 3 0【A】Wh i te h e a d I n i t u t e T o e b n i e a l R e p o r t【Rl，3 n t e d -t i o n Wh i t e h e a d I n s ti t u

31、t e，c 峥 M a s s，1 9 9 2 【1 0 l C a u s eMA，a S a t u r a t e dm o he u l a rmp o f t h e ri c e o m e b a s e d n l e r B p。c】c b k p o l a d a t i o n Ge n e ti c s，I 9 9 4，I 3 8：1 2 51 一 I 2 7 4 【】1 l l h c o l n S，e c a n g n e t mt l i n g q u a n t i t a ti v e t r a i t s w i t h M A P MA K E

32、R y r L 1 I【A】Wh i t e h e a d I r s fi t m e T a e lmi e a l R e o e r t 【R】，3 r d e d i ti o n Wh i t e h e a d I n s t i u t te，C a m b r i，M脯B，1 9 9 2 【1 2 l M e C o a e h S R，a t R e p o a o n I=叽n 0 m e,te l a ta m【P l R ie e C,e n N e 1 9 9 7 1 4：1 11 3 【1 3】S A S I n s ti t u t e l 口 c S A S

33、 S T A T(B g a M e Rl，e n o n 6，4 I I I ed i ti o n 1 9 9 4 【1 4】L i z，e c E#s t *i s f o r t h e e r s i a)q e l d c。叫 n e b i n r ic e f 嘶 4 L)【J】G e n e t i c B 1 9 9 7 1 4 5：4 5 3：4 6 5 【1 5 庄燕云，邦康乐水稻产量性状遗传机理及分子标记辅助高 产育种【J 1 生物技术通报 1 9 9 8，1)：1 9 安徽农业科学 征订启事 安徽农业科学是由安徽省农业科学院主办的综合性 的农业学术刊物，全国农业核心

34、期刊、安徽省优秀科技期刊、中国科技论文统计用刊和中国学术期刊光盘版收录期刊。主 要刊登全国范围的农、林、牧、副、渔业基础理论和应用研究 的学术论文，追踪报道各学科的最新实用的农业科技成果。近年来还相继登载有关高新发展动态，并及时报道最新技术 及边缘科学在农业领域应用的专题报告。安徽农业科学 设有“作物育种与栽培、新品种 、植 物保护”、“土壤肥料”、“蚕桑-烟草”、蔬菜园艺”、农业气 象”、畜牧水产”、“林业”、“贮藏加工”等专栏。刊登内容坚持 研究提高和新技术、新产品推广相结合，以适合不同层次读 者的需要 本刊适合农业科研人员、农业院校师生及农村科 技工作者阅读 安徽农业科学 承办广告业务 竭诚为广大生产者、经 营者、消费者服务。安徽农业科学 双月刊，大 1 6 开，9 6 页，国内统一刊号 C N 3 4 1 0 7 6 S，国际标准刊号 I S S N 0 5 1 7 6 6 1 1。创刊于 1 9 6 1 年。每期定价8 元，全年定价4 8 元。请您莫失照机，速到当地 邮局订阅。漏订者可直接与编辑部联系补购。地址：合肥市安徽省农业科学院 安徽农业科学 编辑部 邮编：2 3 0 0 3 1 电话：(0 5 5 l】5 1 4 5 9 7 3 联系人：袁又红 维普资讯 http:/