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采用表型和分子标记聚类研究杂交籼稻亲本的遗传多样性
* 万建民1,2,*王胜军1 陆作楣1,
12(南京农业大学作物遗传与种质创新国家重点实验室,江苏南京210095;中国农业科学院作物科学研究所,北京100081;*通讯联系人,
E-mail:yzxm2000@yahoo.com.cn;wanjm@njau.edu.cn)
GeneticDiversityofParentalLinesinindicaHybridRiceBasedonPhenotypicCharactersandSSRClusterAnalysis
1,*,W1,2,*WAheng-junLuo-mei1,ian-minNGSUZANJ
12(StateKeyLaboratoryofCropGenetics&GermplasmEnhancement,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China;Institute
ofCropScience,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China;*Correspondingauthors,E-mail:yzxm2000@yahoo.com.cn;wanjm@njau.edu.cn)
Abstract:TwomethodsofclusteranalysisbasedonphenotypiccharactersandSSRmolecularmarkerswerecomparedto
studythediversityof41parentallinespopularizedincommercialhybridriceproductioninChina.Forty-oneentriesweredivid-edintotwogroups(i.e.earlyormedium-maturitygroup;mediumorlate-maturitygroup)andfurtherintosixsubgroupsbasedonphenotypiccharacterclusteranalysis.Theearlyormedium-maturitygroupwascomposedof15maintainerlines,fourearly-maturityrestorerlinesandtwothermo-sensitivegenicmalesterilelines.Themediumorlate-maturitygroupinclud-ed16restorerlinesandfourmediumorlate-maturitymaintainerlines.WhileonthebasisofSSRclusteranalysis,theentrieswereclassifiedintotwogroups(i.e.maintainerlinegroupandrestorerlinegroup)andsevensubgroups.Themaintainerlinegroupconsistedofall19maintainerlines,twothermo-sensitivegenicmalesterilelines,andtherestorerlinegroupwascom-posedofall20restorerlines.ClassifyingresultsbasedonSSRanalysiswasbasicallyconsistentwiththepedigreeinformation.TheresultsandthestatusofhybridricebreedingindicatethatSSRanalysiscouldbeabettermethodtostudythediversityofparentallinesinindicarice.
Keywords:hybridrice;parentallines;phenotypiccharacter;simplesequencerepeat;clusteringanalysis;pedigree;geneticdiversity摘 要:以41份杂交籼稻骨干亲本和部分新育成的亲本为试验材料,采用表型性状和SSR分子标记2种聚类分析方法对杂交籼稻亲本的类群划分进行了比较研究,表型聚类以15个表型性状为依据,将供试材料划分为早、中熟和中、晚熟两大类群、6个亚群。早、中熟类群包含15个保持系、4个早熟恢复系和2个温敏核雄性不育系;中、晚熟类群包括16个恢复系和4个中、晚熟保持系。利用SSR分子标记将供试材料划分为保持系和恢复系两大类群、7个亚群。保持系群包括全部19个保持系、2个温敏核雄性不育系,恢复系群则包含全部20个恢复系,分类结果和系谱分析基本吻合。结合杂交籼稻育种实践,判断分子标记可能是研究亲本遗传多样性的一种较好方法。
关键词:杂交水稻;亲本;表型性状;微卫星标记;聚类分析;系谱;遗传多样性
中图分类号:Q943;S511.032
文献标识码:A
文章编号:1001-7216(2006)05-0475-06
水稻是大面积利用杂种优势的自花授粉作物,在杂种优势利用中亲本选择是配制强优势组合、有效利用水稻杂种优势的关键环节。因此,全面、系统地了解杂交稻亲本的亲缘关系、遗传多样性,对于减少亲本选配的盲目性,提高杂交育种工作的预见性具有重要意义。育种家常常通过农艺性状和系谱关系来判断亲本间的遗传差异,配组效果虽然有效,但由于受到时空和经验限制,且难以量化,配组效率仍然不高。DNA分子标记技术不受基因表达的时空限制和环境条件的影响,在研究亲本之间遗传差异
1]利用和多样性方面得到广泛应用。陈亮等[
2]利用R度的结论;刘殊等[APD引物对我国杂交稻
的31个恢复系进行了DNA多态性分析,将这31
3]用1个亲本分成四大类群;李云海等[00个RAPD
引物分析了24个籼稻雄性不育系,并将它们分为4
4]还利用R类;姬广海等[APD技术,对53份抗白叶
枯病水稻品种进行遗传多样性分析。与以上几种分子标记相比,SSR分子标记以PCR为基础,快速简便、可靠性强、重复性高且多态性丰富,近年来在水稻的遗传多样性研究中得到了广泛应用。段世华
5]利用2等[5对SSR引物,分析了生产中广泛应用
的35个杂交水稻恢复系,认为我国杂交水稻恢复系
收稿日期:2005-12-05;修改稿收到日期:2006-02-13。基金项目:长江学者和创新团队发展计划资助项目。
第一作者简介:王胜军(1967-),男,副研究员,博士研究生。
AFLP和RFLP技术对20个水稻品种(系)进行了遗传多样性分析,得出了AFLP适合于多样性研究,RFLP则更适合于籼粳分类及度量籼粳分化程
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中国水稻科学(ChineseJRiceSci) 第20卷第5期(2006年9月)
资源比较丰富,但其遗传差异较小,遗传背景单一,从而在很大程度上限制了我国水稻杂种优势的利
6]利用1用;邱福林等[5对SSR引物对北方杂交粳
稻亲本作为研究材料,对表型及SSR分子标记聚类分析划分籼稻种质类群的方法进行比较研究,并分析这些亲本的遗传差异,从而为杂交籼稻的亲本选配提供参考依据。
稻骨干亲本进行了遗传差异鉴定和籼性程度分析,29个亲本可分成5组,各组间亲本的遗传差异相对
7]还利用形态、较大。余汉勇等[等位酶和SSR标记
1 材料与方法
1.1 试验材料
41份材料包括19个籼稻保持系、2个温敏核雄性不育系和20个恢复系,其中多数为生产上推广杂交稻的骨干亲本,其来源见表1。试验材料包括野
研究水稻矮仔占衍生品种的遗传差异,聚类分析表明3种方法在鉴别品种的遗传差异上存在较大差异。为进一步探索适合杂交稻亲本的分类方法,我们以生产上大面积应用的和新育成的41个杂交籼
表1 供试材料名称及系谱来源Table1.Entriesandtheirpedigrees.编号No.1
234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041
材料名称Material 协青早BXieqingzaoB
金协B JinxieB中9B Zhong9BY33B
新露B XinluB珍汕97B Zhenshan97B冈46B Gang46BⅡ-32BD62B
新协黄B XinxiehuangB丰7B Feng7B金23B Jin23B丝苗B SimiaoB粤丰B YuefengB龙特浦B LongtepuB博B BoBⅡ协B ⅡxieB川7B Chuan7B粤泰B YuetaiB培矮64S Pei′ai64S6311S福恢016 Fuhui016明恢77 Minghui77测64-7 Ce64-7桂99 Gui99R818IR24Uni2抗85 Kang85R351蜀恢527 Shuhui527玉18 Yu189308科恢752 Kehui7529311CDR22明恢86 Minghui86茂三 Maosan双七占 Shuangqizhan明恢63 Minghui63盐恢559 Yanhui559
edigree系谱P
军协/温选青//秋塘早5号 Junxie/Wenxuanqing//Qiutangzao5
金23B/协青早B Jin23B/XieqingzaoB优1B/L301B//内江菲改B You1B/L301B//NeijiangfeigaiB嘉浙B JiazheB(测64-7/利托)/(V20B/26窄早)(Ce64-7/Lituo)/(V20B/26Zhaizao)珍珠矮11/汕矮选4号 Zhenzhu′ai11/Shan′aixuan4二九矮7号/V41B//珍汕97/雅矮早 Erjiu′ai7/V41B//Zhenshan97/Ya′aizao珍汕97B/IR665 Zhenshan97B/IR665红突31/D297B Hongtu31/D297B新露B/协青早B XinluB/XieqingzaoB不详 Unknown黄金3号/(菲改B/M)Fuangjin3/(FeigaiB/M)F5 H5不详 Unknown协青早B/IR58025B XieqingzaoB/IR58025B龙晚1号/Tetep Longwan1/Tetep钢枝占/珍汕97 Gangzhizhan/Zhenshan97Ⅱ-32B/协青早B Ⅱ-32B/XieqingzaoB不详 Unknown丛广41/早熟泰引1号 Congguang41/Zaoshutaiyin1农垦58S/(培矮F/测64-7) Nongken58S/(Pei′aiF/Ce64-7)77N422S/矮广占63//扬稻6号 N422S/Aiguangzhan63//Yangdao6福引1号系选 Fuyin1明恢63/测64-7 Minghui63/Ce64-7IR9761-19系选 IR9761-19龙野5-3/(IR661/IR206) Longye5-3/(IR661/IR206)明恢63/南农3005//(六南早A/明恢63//02428) Minghui63/Nannong3005//(LiunanzaoA/Minghui63//02428)IR8/IR1317多系1号/黔恢481 Duoxi1/Qianhui481明恢63/TD-1//明恢63 Minghui63/TD-1//Minghui63C418/明恢63 C418/Minghui631318/88-R3360明恢63变异株选育 Minghui63C57//300号/IR26 C57//300/IR26二六窄早/BG910-11 Erliuzhaizao/BG910-11扬稻4号/3021 Yangdao4/3021IR50/明恢63 IR50/Minghui63(IR54/明恢63//IR60/圭630)/GK148//明恢63 (IR54/Minghui63//IR60/Gui630)/GK148//Minghui63677/IR36七青占/七黄占 Qiqingzhan/QihuangzhanIR30/圭630 IR30/Gui630
5 Teqing/Minghui75特青/明恢7
王胜军等:采用表型和分子标记聚类研究杂交籼稻亲本的遗传多样性
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败型、矮败型、红莲型、印尼水田谷型、D型、冈型和新质源不育系的保持系、三系恢复系、两系恢复系等类型。
1.2 表型聚类分析的田间试验设计及分析方法
田间试验按随机区组设计,2次重复,双行区,每行10株;行距0.30m,株距0.25m。2004年5月15日播于南京农业大学江浦试验站。每小区随机取10株调查播始历期、单株最高分蘖数、单株成穗数、株高、穗长、每穗总粒数、每穗实粒数、单株产晚熟群。早、中熟群共有21个材料,包括15个保持系,4个早熟恢复系和2个温敏核雄性不育系,这些材料生育期较短,生长势中等偏弱,株高在1m左右,平均单株产量为43g(表3)。该类群按照分类距离13可以再分为3个亚群,第1个亚群有测64-7等4个早熟恢复系及5个保持系,第2个亚群由8个保持系组成,但这些保持系的平均生育期要短于第1个亚群的保持系;第3个亚群含有2个温敏核雄性不育系培矮64S和6311S,它们的生育期中等,量、剑叶长度和宽度等性状,叶鞘颜色、茎态、叶态、生长势、叶色均在分蘖盛期调查。收获时每个材料选取有代表性的10株进行室内考种、脱粒,晒干(水分12%)后称量,计算单株产量。所有数据进行标准化处理,聚类分析采用SPSS中的FurthestNeighbour法进行。
.3 SSR分子标记的实验及分析方法
采集苗期新鲜叶片,按照Dellaporta等提出的
方法[8]提取基因组DNA。利用分光光度计检测
NA的浓度和质量,并把DNA浓度调至20ng/μL备用。
采用10μLPCR反应体系,其中包括1μL10mmol/LTris-HCl,0.6μL25mmol/LMgCl2,0.2L2.5mmol/LdNTPs,0.7μL2pmol/μLSSR引物,0.1μL5U/μLTaq酶,1μL20ng/μL模板NA,双蒸水6.4μL。PCR反应程序为:94℃下预变性5min后在94℃下变性30s、55℃下退火30s、2℃下延伸1min,共35个循环,最后72℃下延伸7min。PCR反应在PTC-200热循环仪上进行。参
照Chen等[9]的方法,将PCR产物经8%非变性聚
丙烯酰胺凝胶电泳后,通过银染检测结果。在白炽灯下观察电泳结果,进行数据统计和扫描照相。
SSR扩增产物以0、1、9统计建立数据库。在相同迁移位置上,有带者记为1,无带记为0,缺失数据记为9。依据Geneticsimilarity(GS)=m/(m+
)计算遗传相似系数[10],其中m为基因型间共有
带数目,n为差异带数目。按UPGMA法,采用
NTSYS-pcversion2.0软件[
11]进行聚类分析。 结果与分析
.1 表型聚类分析
以41个杂交籼稻亲本的15个表型性状平均值未列出),利用FurthestNeighbour法进行聚类分析,如图1所示。以分类距离20为标准可将41份材料划分为两大类群(图1、表2):早、中熟群和中、
突出表现为分蘖力强,植株矮,抗倒性好。中、晚熟群含有16个恢复系和4个中晚熟保持系,这些材料生育期较长,生长势强,植株高大,剑叶宽度接近2m,穗大粒多,平均单株粒重达68g。以分类距离3为标准又可以把该类群分为3个亚群:第1个亚群含有6个恢复系和4个保持系,第2个亚群为9个清一色的恢复系,第3个亚群只有9308一个恢复系。
以上结果表明,尽管表型聚类分析不能准确反映材料之间的亲缘关系,如Ⅱ-32B、冈46B、D62B、新露B和新协黄B等均属于珍汕97B的衍生系,但62B、新露B、新协黄B和珍汕97B分在了早、中熟群,而Ⅱ-32B、冈46B却被划分到中、晚熟群。但从总体上看,表型聚类分析可以把具有明显遗传差异和不同生态类型的亲本区分开来,如早、中熟类群内材料多数是保持系,而中、晚熟类群内材料大多为恢复系。同时,具有爪哇稻背景的2个温敏核雄性不育系材料也被单独聚为一个亚群。因此,表型聚类分析能准确揭示亲本材料间在形态上的差异,而形态差异与其生态类型密切相关。因此,表型聚类分析结果对于研究不同生态类型的杂种优势配组模式具有重要参考价值。.2SSR分子标记聚类分析
从126对SSR引物中筛选出对41个材料扩增产物具有明显多态性且带型稳定的引物66对,分布于水稻12条染色体上,每条染色体上平均为5.5条多态性引物。利用这些多态性引物共检测出301个等位基因变异位点,平均每个位点检测到的等位基因数为5.6个,变化范围2~13个。利用301个多态性SSR标记位点计算了41个材料之间的遗传相似系数(GS),其范围在0.643~0.928,平均为.745(GS值未列出)。按UPGMA法对供试材料进行聚类,以相似系数0.735为阈值将供试材料划分为两大类群,即保持系群和恢复系群(图2)。其中保持系群含有本研究所涉及的全部19个保持系
1c1D20DμD7n22(480
的方法对亲本遗传差异和杂种优势的关系进行探
讨,但研究结果并不一致[
12-15]。本研究所采用的表型聚类分析中尽管聚类的性状较多,但生育期对分类起主导作用。生育期的不同常常会引起杂交籼稻亲本在株高、分蘖数、单株产量等性状上的差别。因此,生育期就成为表型聚类分析划分不同类群的主要指标。事实上,以生育期为主导的各种生物学性状与经济性状的表现和品种的生态类型是密切相关的。我国大面积推广的杂交籼稻大多是按照南方早籼×东南亚恢复系模式配组而成的,生态类型的差异是产生杂种优势的重要基础。所以,表型聚类分析方法对于杂交组合的亲本选配具有一定参考价值。
由于SSR分子标记聚类的标记性状数目不受限制,不受生长发育时期和环境的影响,具有简单、快速、灵敏等优点,己经被国内外不少学者用于各种
作物种群划分和杂种优势预测[16]。本研究中,SSR
分子标记分类结果和系谱分析基本吻合,能从分子水平上反映各亲本之间的遗传差异和亲缘关系的远近,比表型性状分类更为深入、细致。
本研究的结果还表明,SSR分子标记技术可以弥补系谱法分析的不足,系谱分析法不能反映育种工作中所产生的选择和突变效应,特别是选择是现代育种的主要手段。因此,单用系谱法还不能准确把握某一材料和亲本的亲缘关系,而SSR分子标记可以检测到材料之间在DNA水平上的遗传差异,比如协青早B和金23B杂交育成金协B,协青早B和Ⅱ-32B杂交选出了Ⅱ协B。单从系谱关系上,无法判断后代与哪个双亲更相似,而通过SSR标记检测发现,金协B与协青早B、Ⅱ协B与Ⅱ-32B相似性更高。同时,SSR分子标记技术还可以把系谱不清、来源不明的品种划分到相应的类群中,从而为更好地利用这些材料提供指导。因此,系谱分析法、SR分子标记技术以及表型聚类相结合将会进一步完善品种的遗传多样性研究技术。
杂种优势群就是一群具有密切关系的近交系,群内材料间的共祖程度高,而两个杂种优势群之间的材料共祖程度常常很低。一般来说,一个杂种优势群内的种质与其他杂种优势群内的种质杂交,F1倾向于表现为较强的(平均)杂种优势,而同一杂种优势群内的种质之间杂交,F1所产生的杂种优势较
弱[
17-18]。杂种优势群理论对于提高亲本选配效率具有重要指导作用[19-20]。目前,在水稻育种上,水
稻杂种优势群的研究尚处于起步阶段。根据杂种优
中国水稻科学(ChineseJRiceSci) 第20卷第5期(2006年9月)
势群的定义并结合杂交籼稻育种的实际情况,本研究利用SSR分子标记所划分的几大类群、亚群内的材料大多是某一品种的衍生系,共祖程度高,而类群、亚群间的共祖程度相对较低。因此,本研究的SSR分类结果可能会为籼稻杂种优势群的划分提供有价值的信息。下一步,我们将根据本研究的结果对群间和亚群间的材料进行配合力分析及杂种优势测定,探索应用SSR分子标记聚类划分杂交籼稻亲本杂种优势群和构建杂种优势利用模式的可行性。参考文献:
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