低磷脅迫下云南粳稻主基因加多基因遺傳分析

低磷脅迫下云南粳稻主基因加多基因遺傳分析

水稻磷高效特性是對多基因控制的數(shù)量特征。國內(nèi)外水稻磷高效研究在QTL基因定位克隆等方面進展顯著，磷高效基因Pup1被定位于第12染色體上的S14025和S13126標(biāo)記3cM間，其主效基因與RG9連鎖。克隆了OsPTF1基因能顯著增強水稻耐低磷脅迫能力。但目前對植物的耐低磷能力評價還缺乏統(tǒng)一的指標(biāo),特別是對雜交后代群體的耐低磷能力缺乏直觀、簡便、高效的評價方法.。許多數(shù)量性狀研究發(fā)現(xiàn),控制數(shù)量性狀的多個基因在效應(yīng)上可以是不等的,效應(yīng)大的表現(xiàn)為主基因,效應(yīng)微小的表現(xiàn)為多基因,表現(xiàn)為主基因加多基因的混合遺傳模式。蓋鈞鎰、王建康及章元明等將混合分布理論與數(shù)量遺傳學(xué)有機結(jié)合起來,提出了一套完整的分析主基因與多基因的存在與效應(yīng)的方法。該方法目前已成功用于水稻的抗病性,大豆的抗蟲性,和棉花纖維等性狀分析,所分析性狀均存在主基因。而水稻耐低磷特性主基因加多基因的的遺傳分析尚未有人研究。云南是中國稻種最大的遺傳、生態(tài)多樣性中心和優(yōu)異種質(zhì)富集地區(qū)[8-10],嚴(yán)重缺磷酸性紅壤馴化出眾多的肥高效、高鐵稻米品種,擁有豐富的耐低磷種質(zhì)資源。548份云南地方稻核心種質(zhì)經(jīng)低磷鑒定,挖掘出早旱谷(Oryzasativa)耐低磷特性極強,而云南主栽粳稻品種合系35(Oryzasativa)耐低磷特性較弱,本研究選用合系35×早旱谷P1、F1、P2和F2或F3聯(lián)合世代進行主基因加多基因的遺傳分析,目的是明確耐低磷特性主基因的存在和對數(shù)及遺傳效應(yīng)的大小,摸清水稻耐低磷的遺傳特性以便更好地利用耐低磷資源具有積極意義,并為磷高效育種提供理論依據(jù)。我國土壤尤其南方酸性紅壤，強烈的化學(xué)固定作用使其中的磷極易被轉(zhuǎn)化為植物難以吸收利用的無效磷。在有效磷缺乏的情況下，水稻根系對無效磷的活化能力直接影響其生物產(chǎn)量。水稻生物學(xué)產(chǎn)量中成熟籽粒質(zhì)量作為一個植株整體評價的指標(biāo)，可以作為理想的耐低磷性狀評價的指標(biāo)。分蘗力是水稻重要的栽培特性，分蘗芽在低磷脅迫條件下受到抑制，相對分蘗力作為水稻耐低磷協(xié)迫參數(shù)已精細(xì)定位并克隆了磷高效基因，分蘗力和籽粒質(zhì)量集成了整個植株生長發(fā)育耐低磷的過程，是綜合權(quán)衡耐低磷的指數(shù),選取這兩個耐低磷指標(biāo)性狀進行主基因加多基因遺傳分析。1兩種處理對水稻生長發(fā)育指標(biāo)的影響合系35與早旱谷雜交，自交得F2群體。2004年在昆明省農(nóng)科院試驗田（18×3.5水泥池，海拔1916m）種植P1、P2和F1、F2群體，2005種植P1、P2和F1、F2、F3群體。以昆明阿子營20多年未施化肥的酸性紅壤20cm表層土為土培介質(zhì)，經(jīng)云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所測定:有效磷和總磷含量分別為6.26mg·kg-1和1050mg·kg-1，水解氮和總氮含量分別為146.99和1820mg·kg-1，有效鉀和總鉀含量分別為207.15和1232mg·kg-1,pH值為5.49。兩種處理種植群體進行耐低磷鑒定(有效磷含量6.26mg·kg-1，有效磷達40mg·kg-1)，不再施用其他化肥，常規(guī)管理。株行距為10cm×15cm,2次重復(fù)。考察分蘗、株穗產(chǎn)量等性狀。548份云南稻種核心種質(zhì)2003年2月25日于昆明播種，4月1日移栽，每盆4.0kg土壤栽3苗，每個材料栽2盆，設(shè)兩種處理(有效磷含量6.26mg·kg-1，有效磷達40mg·kg-1)，2次重復(fù)。苗期調(diào)查最高莖蘗數(shù)（為了消除不同品種間自身的基因型差異，采用相對值）采用公式T=T0/TP×100計算相對分蘗(T)，T0代表不施磷水稻分蘗，TP代表施磷的水稻分蘗。將植株地上部分和地下部分洗凈風(fēng)干后稱量，獲得地上干物質(zhì)量、地下干物質(zhì)量和總干物質(zhì)量，計算質(zhì)相對性狀指數(shù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差(SD)及變異系數(shù)(CV%)，用SPSS的LSD法檢驗差異顯著性。1.1計算模型篩選根據(jù)植物數(shù)量性狀混合模型主基因+多基因聯(lián)合分析方法，對合系35與早旱谷的P1、P2和F1、F2、F3的群體農(nóng)藝性狀利用TurboC++語言編寫IECM算法MG2.EXE程序聯(lián)合分析。通過極大似然法和IECM算法對混合分布中的有關(guān)成份分布參數(shù)做出估計，然后通過遺傳模型的AIC值以選最優(yōu)模型，并且進行遺傳模型的適合性檢驗。在選擇遺傳模型時，綜合考慮極大對數(shù)似然函數(shù)值、AIC值和適合性檢驗，并估計主基因和多基因效應(yīng)值、方差、遺傳率等遺傳參數(shù)。主基因遺傳率：hg2=σ2mg/σp2，多基因遺傳率：h2pg=σ2pg/σp2ㄢ2結(jié)果與分析2.1耐低磷相對性狀的變異方差分析表明，核心種質(zhì)相對耐低磷性狀均達到1%極顯著水平。表1列出了548份云南地方稻核心種質(zhì)的相對性狀平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)和變異幅度。（1）相對有效穗、地上干物質(zhì)量、地下干物質(zhì)量、總干物質(zhì)量、分蘗力、株穗產(chǎn)量的平均值為67.31、75.62、67.48、71.88、23.55、66.42，相對結(jié)實率、株高平均值為86.82、85.11。耐低磷相對性狀在品種間存在豐富的變異，變異系數(shù)為（12.64～119.83）。比較而言，相對分蘗力對低磷反應(yīng)最靈敏，其變異系數(shù)（119.81）比其他的變異系數(shù)（12.64～45.82）大，相對分蘗力可作為耐低磷篩選首選指標(biāo)，以上分析說明耐低磷相對性狀在品種間存在豐富的變異，從核心種質(zhì)中篩選適合于磷高效育種的特異種質(zhì)，對這些性狀進行遺傳改良是可能的。2.2抗低磷性能的主要基因與多基因的聯(lián)合遺傳分析2.2.1材料的磷特性表1合系35×早旱谷親本及F1及F2群體間的分蘗和株穗產(chǎn)量列于表2。由表2可知，在有效磷含量6.26mg·kg-1有效磷和有效磷40mg·kg-1環(huán)境下，合系35的分蘗為1.44(±0.55)、3.63(±0.63)，株穗產(chǎn)量為3.42(±0.75)g、11.77(±2.01)g；早旱谷的分蘗為4.3(±0.97)、7.14(±1.62)，株穗產(chǎn)量為11.01(±1.76)g、15.35(±370)g；早旱谷的耐低磷特性明顯強于合系35。雜交組合F1的分蘗和株穗產(chǎn)量介于兩親本之間或偏向高值親本，6.26mg·kg-1有效磷株穗產(chǎn)量為19.9(±3.85)g超親優(yōu)勢明顯。由圖1、2可知植株世代F2、F3群體分蘗和株穗產(chǎn)量其分布呈偏態(tài)分布均呈現(xiàn)明顯的分離，說明在F2中即可進行性狀選擇,通過雜交進行磷高效的高世代育種行之有效。方差分析表明差異均顯著，可以進行遺傳分析。2.2.2模型自身各基因最優(yōu)模型用植物數(shù)量性狀混合模型主基因+多基因聯(lián)合分析法對合系35×早旱谷F2群體、親本和F1同質(zhì)群體的分析結(jié)果，得1對主基因(A)，2對主基因(B)，多基因(C)，1對主基因+多基因(D)，2對主基因+多基因(E)等5類24個遺傳模型的AIC值(見表3、4)。由表3知用IECM算法估計分蘗力的各遺傳模型AIC值：在6.26mg·kg-1有效磷時2個模型的AIC值較小，為C-0(多基因)，E-1(2對加-顯-上位性主基因+加-顯性多基因)，分別為328.141、327.968。在40mg·kg-1有效磷時D-0(多基因)，E-1(2對加-顯-上位性主基因+加-顯性多基因)，AIC值分別為493.144、495.478。對2組合4模型進行適合性測驗結(jié)果表明，確定組合I、II的最適合最優(yōu)的遺傳模型均為E-1(2對加-顯-上位性主基因+加-顯性多基因)。同樣，由表4知，經(jīng)適合性測驗，株穗產(chǎn)量在6.26mg·kg-1有效磷時群體最優(yōu)遺傳模型為E-2(2對加-顯+加-顯性多基因)，40mg·kg-1有效磷時群體最優(yōu)遺傳模型為E-1(2對加-顯-上位性主基因+加-顯性多基因)。2.2.3環(huán)境對二次基因控制株穗產(chǎn)量的影響由表5可知：控制分蘗力表達的兩對主基因：在有效磷含量6.26mg·kg-1，第一對主基因的加性(da)效應(yīng)為0.512，大大高于第二對主基因的加性(db)效應(yīng)(0.03)，第二對主基因的加性效應(yīng)值只相當(dāng)于第一對的5.8%，均為正效主基因；基因間互作效應(yīng)明顯，加性×加性效應(yīng)(i)為0.810，顯性×顯性效應(yīng)(l)為1.144，第一對主基因的加性效應(yīng)×第二對主基因的顯性互作效應(yīng)(jab)為-0.498，第一對主基因的顯性效應(yīng)×第二對主基因的加性互作效應(yīng)(jba)為-0.497；分蘗力F2主基因遺傳率為58.82%，多基因遺傳率為17.99%；F3主基因遺傳率為45.88%，多基因遺傳率為30.93%；環(huán)境對分蘗力基因的影響較大，占23.19%。有效磷含量40mg·kg-1，第一對主基因的加性(da)效應(yīng)為0.647，大大高于第二對主基因的加性(db)效應(yīng)(-0.142)，第二對主基因的加性效應(yīng)值只相當(dāng)于第一對的21.9%；互作效應(yīng)明顯，加性×加性效應(yīng)(i)為1.772，顯性×顯性效應(yīng)(l)為1.972，第一對主基因的加性效應(yīng)×第二對主基因的顯性互作效應(yīng)(jab)為0.720，第一對主基因的顯性效應(yīng)×第二對主基因的加性互作效應(yīng)(jba)為0.647。F2主基因遺傳率為72.13%，多基因遺傳率11.60%；F3主基因遺傳率為57.96%%，多基因遺傳率為25.77%；環(huán)境遺傳率為16.27%。由表6可知：控制株穗產(chǎn)量表達的兩對主基因：在有效磷含量6.26mg·kg-1，第一對主基因的加性(da)效應(yīng)為1.202，高于第二對主基因的加性(db)效應(yīng)(-0.037)，只相當(dāng)于第一對主基因的的3.0%?；プ餍?yīng)明顯，加性×加性效應(yīng)(i)為2.304，顯性×顯性效應(yīng)(l)為1.76，第一對主基因的加性效應(yīng)×第二對主基因的顯性互作效應(yīng)(jab)為0.739，第一對主基因的顯性效應(yīng)×第二對主基因的加性互作效應(yīng)(jba)為0.0373。兩對主基因控制的株穗產(chǎn)量是不相等的。株穗產(chǎn)量F2基因的主基因遺傳率為60.94%，F(xiàn)2多基因遺傳率為23.82%；F3主基因遺傳率為62.20%，多基因遺傳率為22.56%；環(huán)境遺傳率15.24%。有效磷含量40mg·kg-1，控制株穗產(chǎn)量表達第一對主基因的加性(da)效應(yīng)為6.602，第二對主基因的加性(db)效應(yīng)(4.328)，均為正效；加性×加性效應(yīng)(i)為4.327，顯性×顯性效應(yīng)(l)為3.565，第一對主基因的加性效應(yīng)×第二對主基因的顯性互作效應(yīng)(jab)為-1.605，第一對主基因的顯性效應(yīng)×第二對主基因的加性互作效應(yīng)(jba)為-2.172。F2主基因遺傳率為83.08%，F(xiàn)2多基因遺傳率為8.42%，F(xiàn)3主基因遺傳率為75.80%，多基因遺傳率為15.70%；環(huán)境遺傳率8.5%。3基因加性效應(yīng)對水稻耐低磷性狀的影響施磷增產(chǎn)顯著卻導(dǎo)致多樣性喪失、磷源枯竭、環(huán)境污染、人類維營養(yǎng)危機、農(nóng)業(yè)成本增加等系列問題。近年來在國際上掀起了以低投入、將化肥使用保持較低的水平，保障食品安全和生態(tài)環(huán)境安全為中心的可持續(xù)農(nóng)業(yè)運動，提倡推廣以盡量低的化肥投入，盡量小的對環(huán)境的破壞與化肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的高效增產(chǎn)作用相結(jié)合為主要目的的“施肥制度”。但若單純地靠拒絕使用化肥來控制其影響是不現(xiàn)實的。磷高效水稻兼具自然增產(chǎn)較高和人為施肥后（少施肥）高產(chǎn)高效的雙重優(yōu)勢，是提高土壤潛在磷利用效率和保護生態(tài)環(huán)境的有效途徑。磷高效育種目標(biāo)是在不施或少施磷的條件下獲得與施磷相差不大的高產(chǎn)高效品種。利用遺傳育種手段培育磷高效水稻亦有成功報道。Wissuwa（2001）將現(xiàn)代品種Nipponbare與傳統(tǒng)品種Kasalath（耐低磷）雜交鑒定到一個QTL，回交將此QTL轉(zhuǎn)移至Nipponbare，改良系磷吸收增加了170%，籽粒產(chǎn)量增加250%。YiK克隆OsPTF1耐低磷基因經(jīng)轉(zhuǎn)化驗證轉(zhuǎn)基因稻株的分蘗力、穗重、植株磷含量明顯增強。早旱谷是從云南核心種質(zhì)中挖掘的耐低磷極強的粳稻地方品種，而云南主栽粳稻品種合系35耐低磷特性較弱，應(yīng)用主基因+多基因混合遺傳模型對合系35×早旱谷P1、F1、P2和F2、F3聯(lián)合世代分析表明：早旱谷的分蘗和株穗產(chǎn)量基因均受兩對主基因遺傳控制的，兩對主基因間存在上位性效應(yīng)，兩對主基因間效應(yīng)差異較大?？刂品痔Y力和株穗產(chǎn)量表達是主基因和多基因共同作用的結(jié)果，分蘗力F2主基因遺傳率分別為58.82%～72.13%、F3主基因遺傳率為45.88%～57.96%；株穗產(chǎn)量F2主基因遺傳率60.94%～83.08%，F(xiàn)3主基因遺傳率為62.20%～75.80%。株穗產(chǎn)量和分蘗力是水稻磷高效育種改良的主要目標(biāo)，F(xiàn)2和F3世代2個性狀的兩對主基因遺傳率均較大，親本材料主基因的存在可為雜交育種的親本選配和群體改良中的選擇方法提供依據(jù)，該組合具有較好的利用前景，進行磷高效水稻的選育應(yīng)用是可行的。國內(nèi)外學(xué)者對耐低磷遺傳機制研究報道甚少。Majumder認(rèn)為控制低磷脅迫下對磷吸收的基因具有加顯性和上位性作用，以顯性效應(yīng)占優(yōu)勢。Chaubey(1994）對7個水稻親本（4磷高效、1磷中效、2磷低效）進行雙列雜交表明耐性基因型具超隱性作用，中效及敏感基因型親本具有顯性作用，水稻的耐低磷基因受加性與顯性基因共同控制。前人研究均未明確報道耐低磷主基因的對數(shù)。而本實驗利用主基因+多基因混合遺傳模型聯(lián)合分析結(jié)果表明分蘗力、株穗產(chǎn)量均由主基因控制，且首次發(fā)現(xiàn)主基因?qū)?shù)為2對。生產(chǎn)性狀主基因的識別和利用，對提高遺傳進展的速度具有相當(dāng)大的潛力，因此育種中應(yīng)當(dāng)充分重視主基因的利用，對后代低磷特性的選擇應(yīng)從F2代開始。兩種環(huán)境引起分蘗力F2主基因遺傳率變幅為58.82%～72.13%；株穗產(chǎn)量變幅為60.94%～83.08%，表明耐低磷特性主要受基因加性效應(yīng)影響較大，顯性和上位性效應(yīng)較小。因此育種親本選配時，最好選擇基因加性效應(yīng)大或一般配合力高的親本配制雜交組合為好，可得高水平的耐低磷特性。本實驗主基因的顯性效應(yīng)及顯性互作效應(yīng)為負(fù)值，F(xiàn)2主基因遺傳率高于F3主基因遺傳率，說明F1代表現(xiàn)出的近似完全顯性或超顯性現(xiàn)象是由主基因的顯性及顯性的互作效應(yīng)提供的。但由于顯性及顯性的互作效應(yīng)還不能在生產(chǎn)中得到利用，隨著世代的升高，基因的純合，這種作用將逐漸消失，使得耐低磷抗性到較高的世代仍有一定程度的分離，因此本組合雜交的后期世代也要注意耐性的選擇，育種應(yīng)用中仍以加性效應(yīng)為主。另外，在