籼粳杂种不育的遗传分析和候选基因鉴定

[目的]籼粳亚种间杂交F1的育性问题严重阻碍了亚种间杂种优势的利用,探究籼粳杂种不育的遗传机理,挖掘新的籼粳杂种不育调控基因,为促进籼粳杂种结实率遗传改良提供理论依据。[方法]粳稻品种Sasanishiki和籼稻品种Habataki杂交后,采用单粒传法自交10代,获得包含95个株系的稳定遗传重组自交系(RIL),基于Illumina平台,对双亲和RIL进行高通量测序,在全基因组水平分析RIL中Habataki血缘的分布与比例,进而鉴定偏分离区域作为潜在的籼粳杂种不育位点。同时,剖析“全球3000份水稻核心种质资源重测序计划”中典型籼粳稻基因组变异数据,对群体水平进一步验证并趋近目标育性基因区域。最终通过序列比对锁定籼粳杂种不育候选基因。应用CRISPR基因编辑技术进行定点基因敲除,对目标基因进行功能验证。[结果]Habataki和Sasanishiki的杂交F1在穗数、每穗粒数和千粒重上体现出明显的杂种优势,但其结实率显著降低,I2-KI镜检发现F1花粉育性显著降低。RIL的全基因组高通量测序在第1、3、5、6、7和12染色体上检测到明显的偏分离,即该区域的基因型趋向于籼稻Habataki。通过序列比对,进一步确定已知育性基因Sc、S5和HSA1为第3、6和12染色体上偏分离区域的目标基因。应用CRISPR基因编辑技术敲除Habataki中Sc-Haba-3的多拷贝,成功改善了其与Sasanishiki杂交F1的花粉育性和结实率,说明该基因可独立行使功能。同时,在第1染色体的偏分离区域发现Habataki和Sasanishiki之间存在复杂的结构性变异,Sasanishiki基因组中一段24.7 kb包含4个预测基因的片段在Habataki中被一段64.8 kb包含10个预测基因的片段取代,此结构性变异可能参与籼粳杂种育性的调控。[结论]检测到多个籼粳杂种不育相关位点,应用CRISPR基因编辑技术敲除Habataki中Sc的多拷贝成功改善其杂种F1育性,确定其为水稻亚种间育性改良的目标基因。同时锁定了第1染色体Sd区域的目标基因。

辽宁水稻穗型指数品种间差异及其与产量和品质的关系

以辽宁省近年来育成的水稻品种为试材进行研究,结果表明,穗部性状和品质性状均存在显著的品种间差异,增加穗数和千粒重、减少每穗粒数有利于提高加工品质,提高结实率特别是二次枝梗结实率有利于提高外观品质,二次粒率高对加工品质、外观品质和营养食用品质均有负面影响。提出用穗型指数(PTI,二次枝梗粒数最多的一次枝梗所在穗轴节位与一次枝梗数之比)表示二次枝梗籽粒在穗轴上分布特点,试材PTI分布在0.29～0.61之间,据此将试材划分为二次枝梗籽粒上部优势型、中部优势型和下部优势型3种穗型,二次枝梗籽粒偏向穗轴中上部分布即PTI较大不但有利于提高结实性和产量,还有利于改善品质。

北方粳稻新株型超高产育种研究进展

以沈阳农业大学水稻研究所40多年来的研究成果为主,从籼粳稻杂交、新株型创造及新品种选育等方面综合评述了北方粳稻超高产育种理论与实践研究进展,讨论了水稻超高产有关的生理与遗传基础问题,指出新株型超高产育种是实现水稻单产第三次飞跃的重要途径。

稻谷粒形与稻米主要品质性状的关系

以包括籼粳、新老不同的类型 92个水稻品种为试材 ,研究了稻谷粒形性状与品质性状的关系。结果表明 ,谷粒长与谷粒宽和谷粒厚呈极显著负相关 ,千粒重与谷粒长、谷粒宽和谷粒厚均呈显著或极显著正相关 ,千粒重主要由谷粒宽和谷粒厚决定。糙米率、精米率和整精米率与谷粒长、谷粒长宽比和谷粒长厚比呈极显著负相关 ,与谷粒宽、谷粒厚和谷粒宽厚比呈极显著正相关 ,与稻米相应指标的关系表现相同趋势 ,减小谷粒长而增大谷粒宽和谷粒厚有利于改善碾磨品质。垩白粒率与千粒重、谷粒宽、谷粒厚和谷粒宽厚比呈极显著正相关 ,谷粒长与垩白大小和垩白度呈极显著正相关 ,外观品质与稻米粒形的关系也表现相同趋势 ,稻谷粒形不是决定稻米外观品质的主要因素。直链淀粉和蛋白质含量与谷粒长、长宽比和长厚比呈极显著正相关 ,与谷粒宽、谷粒厚和宽厚比呈极显著负相关。此外 ,还讨论了稻谷粒形与品质关系及其遗传改良研究中的几个有关问题。

水稻穗颈维管束性状的类型间差异及其遗传的研究

1987～1990年以包括典型粳型、典型籼型、通过籼粳稻杂交育成的偏粳型和偏籼型4种类型共68个品种为试材,研究了穗颈维管束性状的类型间差异及其遗传。结果表明:无论亚种间还是不同亚种的类型间,穗颈大维管束数均存在显著差异,而亚种内类型间的差异则未达到显著水平;穗颈小维管束数亚种间差异不显著,但亚种内类型间有一定差异;第2节间与穗颈大维管束数之比和穗颈大小维管束数之比的变异趋势与穗颈大维管束数相似,而且较后者更为稳定,可作为籼粳亚种分类的2个参考解剖指标;籼粳亚种间杂交,穗颈大维管束数在F_1接近双亲平均值,F_2呈连续变异,接近正态分布,正反交F_1表现和F_2分离均无显著差异。

东北三省水稻产量和品质及其与穗部性状关系的初步研究

以2004年辽宁、吉林、黑龙江3省水稻区域试验品种(品系)为试材,在栽培管理水平高、有代表性的沈阳、公主岭、佳木斯区试点,研究穗部性状及其与产量和品质关系的结果表明,3省各自产量及其构成因素的品种间差异均达到极显著水平,辽宁产量极显著高于另两省,后两省间差异不显著;辽宁穗数和每穗粒数分别极显著低于和高于另两省,其他产量构成因素省份间差异不显著;除一次枝梗结实率外,3省各自穗部性状的品种间差异都达到显著或极显著水平;辽宁穗部性状特点一是穗长较另两省短2cm左右,接近显著水平,着粒密度极显著高于另两省,二是一次枝梗数和一次枝梗粒数极显著高于另两省;糙米率是吉林>辽宁>黑龙江,精米率是吉林>辽宁、黑龙江,整精米率有黑龙江>吉林>辽宁的趋势,长宽比是辽宁、黑龙江>吉林,垩白率是吉林>辽宁、黑龙江,食味值是黑龙江>吉林>辽宁;每穗粒数及其密切相关的着粒密度、一次枝梗数、一次枝梗粒数、二次枝梗粒数、二次粒率与加工品质均呈负相关趋势,而结实率及其组成部分一、二次枝梗结实率与加工品质均呈正相关趋势,食味值与穗部性状的关系也表现类似趋势。

辽宁水稻籽粒在穗轴上分布特点及其与结实性的关系

以辽宁近年来育成的水稻品种(系)为试材进行研究,结果表明,供试品种可以分为高、中、低产3种类型,穗数是高产品种<中产品种<低产品种,每穗粒数和结实率相反,千粒重无显著变化;高产品种生物产量高于中、低产品种,高、中产品种经济系数高于低产品种;产量与穗数呈极显著负相关,与每穗粒数、结实率、一次枝梗粒数、二次枝梗粒数、着粒密度及经济系数呈显著或极显著正相关;产量与每穗粒数关系最密切,而每穗粒数主要由二次枝梗粒数决定,其次是着粒密度和一次枝梗粒数。二次枝梗结实率与整穗结实率呈极显著正相关,与产量亦呈极显著正相关;高、中、低产品种一次枝梗数峰值分别在12～14、10～13和8～12;低产品种二次枝梗粒数较少,中、高产品种二次枝梗粒数均较多,前者主要分布于穗轴中、下部,后者主要分布于中、上部。

水稻的产量潜力与株型演变

在简要分析中国50年来水稻单产变化及其原因的基础上 ,重点阐述了直立穗型水稻群体生理生态特性、株型演变趋势及与产量潜力的关系 。

辽宁水稻穗型分类及其与产量和品质的关系

以辽宁省近年来育成的40个水稻品种为试材,研究了穗部性状的品种间差异、穗型分类方法及其与穗部性状、产量和品质的关系。结果表明,调查的13项穗部性状的品种间差异均达到极显著水平;以单穗重、着粒密度、穗直立程度和穗型指数为指标,分别将试材划分为重、中、轻,密、中、稀,直、半、弯,上、中、下4类各3种穗型;总体看重穗型有与密穗型相对应的趋势,共同特点是穗数少而一次枝梗数和每穗粒数多,着粒密度大,二次枝梗粒数及其占每穗粒数的比率(二次粒率)高,结实性特别是二次枝梗结实性差,因而产量潜力较高但是品质较差;直立穗型与重穗型和密穗型的对应关系不如前两者之间明显,在穗数、一次枝梗数、每穗粒数、着粒密度等方面与重穗型和密穗型相似,但是二次粒率低,结实率高,加工品质、外观品质和食味品质都优于重穗型和密穗型;上部优势型在结实性和品质性状上有明显优势,但是产量较低。因此,直立穗型与上部优势型相结合将有利于北方粳稻产量和品质的协调统一。

水稻穗颈维管束数与穗部性状关系的研究

籼粳亚种间F_2群体穗颈大维管束数与穗颈小维管束数、1次枝梗数、1次枝梗粒数、2次枝梗数、2次枝梗粒数和每穗粒数均呈显著或极显著的正相关;穗颈小维管束数与1次枝梗数、2次枝梗数、2次枝梗粒数和每穗粒数亦呈极显著的正相关;每穗粒数主要由2次枝梗粒数决定,而2次枝梗粒数主要由2次枝梗数决定,穗颈大、小维管束数和1次枝梗数通过2次枝梗数影响每穗粒数;穗颈维管束数主要受遗传因素控制,环境条件的影响相对较小.此外,还讨论了粳稻超高产育种中与此有关的几个问题.

籼粳稻杂交育成品种的亚种特征性状及其与经济性状的关系

采用程氏指数法研究的结果表明 :95个籼粳杂交育成水稻品种均划入粳型或偏粳型 ;6项亚种特征性状中穗壳色、酚反应、稃毛、叶毛及籽粒长宽比全部或大多表现典型粳型特性 ,少量为中间型或偏向籼型 ,穗节长表现中间类型最多 ,极少数为籼型和粳型 ;籼粳杂交F1 和育成品种的程氏指数和亚种特征性状与经济性状关系不密切 ,而F2 的相关性明显增大 ;

水稻直立穗性状评价与利用研究进展

１９８６～１９９３年研究结果表明：水稻可根据颈穗弯曲度划分为直立、半直立和弯曲３种穗型；穗型与群体生理生态特性有密切关系，直立穗型群体结构合理，冠层光照强度、温度、湿度及ＣＯ２答等生态条件优越，中后期群体生长率高；直立穗型有利于提高耐肥抗倒性，与结实性、病虫害抗性及品质等并无直接关系；直立穗型生物产量高，缓和了穗数与穗粒数的矛盾，产量潜力大；直立穗型是由１对显性主效基因控制的，与株高等形态、解剖性状有密切关系。根据上述结果，笔者认为直立穗型可能是继矮化和理想株型以后水稻株型适应超高产要求的又一重要形态进化．

籼粳稻杂交后代亚种特性表现与分类研究

应用程氏指数法研究了籼粳稻杂交后代穗壳色、叶毛、稃毛、穗节长、籽粒长宽比、酚反应等 6个亚种特征性状的表现。结果表明 ,F1表现为偏籼型 ,F2 接近正态分布 ,籼型和母本的影响略大于粳型和父本 ;亲本及其F1的上述特征性状与程氏指数之间及相互之间大多呈显著或极显著正相关 ,F2 特征性状相互之间相关性大多不显著 ,但与程氏指数的相关性仍然达到极显著水平 ;F2 这 6种特征性状均为连续变异 ,有相当比例的个体表现超亲遗传 ,正反交趋势一致 ;叶毛和稃毛接近双峰曲线 ,其余性状均呈单峰曲线分布 ,穗壳色、酚反应和穗节长呈现偏态分布 ,前两者粳型个体比例大 ,后者籼型个体比例大 。

水稻品质性状的品种间差异及其与产量关系的研究

研究12个品种(系或组合)包括碾磨品质、外观品质、蒸煮食味品质和营养品质的14个品质指标的结果表明,14个品质指标均存在显著或极显著的品种间差异;这些品质指标的相互关系复杂,绝大部分对另外品质指标既有正作用又有负作用,只有粒长对其它品质指标基本没有负作用;品质指标与产量构成因素的关系亦很复杂,但与产量本身的关系并不密切。此外,还讨论了品质育种中的几个问题。

东北三省水稻品质性状比较研究

以2002-2007年辽宁、吉林和黑龙江三省水稻区域试验参试材料为试材,统一取样测定主要品质指标,分析品质性状的省份间差异、变化及其相互关系。结果表明,东北三省水稻碾磨品质普遍较高,其中吉林省参试品种糙米率和精米率最高,辽宁省参试品种整精米率最高;对于垩白粒率和垩白度,辽宁省与吉林省相差不大,但都显著高于黑龙江省;长宽比吉林>辽宁>黑龙江;蛋白质含量辽宁>吉林>黑龙江,直链淀粉含量则相反,但辽宁与吉林之间差异没有达到显著水平;胶稠度辽宁>黑龙江>吉林。近年来黑龙江和吉林水稻整精米率、黑龙江糙米率有所降低。粒长、长宽比与糙米率、精米率呈极显著负相关,垩白粒率、垩白度与精米率、整精米率和长宽比呈极显著负相关。因此,在水稻育种和栽培中,辽宁和吉林应主攻降低垩白粒率和垩白度,黑龙江和吉林应注意防止整精米率降低,黑龙江还要注重提高糙米率。

水稻穗型与抗倒伏性关系的初步分析

理论分析和物理模拟测定的结果表明, 穗型通过使茎秆弯曲的力矩——弯矩和重心高度影响抗倒伏性 :弯矩增大和重心升高,抗倒伏性降低;反之,则抗倒伏性升高。弯矩随颈穗弯曲度变化的幅度明显大于重心,因此,弯曲穗型弯矩增加的幅度大而重心降低的幅度小,对抗倒伏性的影响明显大于直立穗型,这可能是北方粳稻直立穗型品种一般抗倒伏性较强的力学基础。

水稻直立穗性状的遗传与其它性状的关系

直立穗型辽粳５号与弯曲穗型丰锦和沈农１２９号杂交，Ｆ１表现直立穗型，Ｆ２直立穗型与弯曲穗型表现３：１分离，正反交Ｆ１表现和Ｆ２分离均无显著差异；直立穗型穗和上部节间较短，因此株高明显低于弯曲穗型；直立穗型１，２次枝梗和１，２次枝梗籽粒的比例和分布都与弯曲穗型相似，但２次枝梗籽粒尤其是下部２次枝梗籽粒空秕率高，粒重亦明显低于１次枝梗籽粒；选育１次枝梗籽粒比率高，２次枝梗籽粒主要分布于穗轴上部的直立穗型品种，将有助于改善结实性和品质．

水稻冠层垂直反射率的品种间差异及其影响因素初步分析

【目的】揭示结实期冠层垂直反射率与群体和株型性状关系。【方法】以辽宁省56个水稻品种(品系)为试材进行田间试验。【结果】冠层垂直反射率存在显著而稳定的品种间差异,与颈穗弯曲度呈极显著的正相关,与比叶重和叶宽呈显著或极显著的负相关,与叶面积指数的关系有待进一步研究。【结论】颈穗弯曲度是影响冠层垂直反射率的主要因素,进一步揭示了直立穗型水稻品种产量潜力高的生理基础。

北方粳稻穗型改良理论与技术研究及应用

在简要介绍国内外水稻株型研究概况基础上,从直立穗型基因遗传及精确定位、穗型与群体结构和物质生产及产量的关系、穗型与籽粒灌浆和品质的关系、北方水稻穗部性状比较研究、理想穗型设计原理与参数、北方粳稻穗型改良技术等方面介绍了本研究主要成果,并通过与国内外同类研究比较论证了本研究的特色与创新。指出今后需要进一步发掘利用新的直立穗型遗传资源,丰富遗传基础;利用分子标记聚合穗颈维管束发达,一次枝梗数及其着生粒数多,二次枝梗偏向穗轴上部分布、食味好等有利基因,使产量和品质在更高水平上达到新的平衡;同时,明确迄今直立穗型品种仍然局限于粳稻的遗传和生理生态机制,探索在籼稻特别是杂交籼稻的利用价值。