陳俊孝，游艾青，劉 凱

（湖北省農(nóng)業(yè)科學院糧食作物研究所∕糧食作物種質(zhì)創(chuàng)新與遺傳改良湖北省重點實驗室，武漢 430064）

雜種優(yōu)勢是自然界的一種普遍現(xiàn)象，優(yōu)良親本的選育是獲得強優(yōu)勢雜種品種的基礎(chǔ)，但是實際生產(chǎn)中親本的優(yōu)良性狀不能很好地傳遞給后代，沒有表型優(yōu)勢。具有優(yōu)良性狀的親本并不總是將這些性狀傳遞給它們的雜交后代，雜種優(yōu)勢水平高的雜交組合不一定具有高產(chǎn)表型［1］。為了有效評估親本的生產(chǎn)性能，育種家們提出了配合力的概念，并有效應(yīng)用于植物雜交育種中親本和組合的選擇，促進了雜交育種的進程。配合力高低是選擇雜交種親本最重要的依據(jù)，它直接影響雜交種的綜合性能。

配合力分為一般配合力（General combining abil?ity，GCA）和特殊配合力（Specific combining ability，SCA）［2，3］。通過雙列雜交或不完全雙列雜交等交叉設(shè)計試驗，育種家可以輕松識別出具有高GCA 的親本和高SCA 的雜交組合。大多數(shù)的研究以鑒定優(yōu)良親本為主要目的，對配合力遺傳基礎(chǔ)的分子研究仍有很多不足［4-6］。

本研究構(gòu)建了一套不完全雙列雜交群體，利用數(shù)字化考種機并結(jié)合人工考察對群體的產(chǎn)量相關(guān)性狀進行了考察，分析了產(chǎn)量相關(guān)性狀的表型、親本的一般配合力、F1的特殊配合力和F1的雜種優(yōu)勢之間的相關(guān)性，探討了GCA 與SCA 對產(chǎn)量相關(guān)性狀及雜種優(yōu)勢的不同貢獻，分析了不同參數(shù)在育種中的選擇效率并為雜交育種策略提出了見解。

1 材料與方法

1.1 NCII群體的構(gòu)建與種植

以收集的來自世界范圍內(nèi)的具有多樣性的栽培水稻為原材料，篩選生育期適中、株型緊湊、株高適中的126 個株系作為父本材料，分別與H2613S、H6S、C815S 和HD9802S 4 個優(yōu)質(zhì)光溫敏兩系不育系進行不完全雙列雜交，構(gòu)建1 個NCII 群體。剔除獲得雜交種不足的親本和雜交組合材料，最終構(gòu)建了1 個包含96 個父本與4 個不育系母本的不完全雙列雜交群體。利用Illumina HiSeq2000 測序儀對96 個父本進行了低豐度重測序，對4 個母本進行了覆蓋基因組12 倍的深度重測序。2013年夏天，將材料以隨機順序排列種植于湖北省鄂州市并安排2次重復。所有的試驗材料每個家系種2 排，每排12株，行間距25.5 cm，株間距15.5 cm，正常田間管理，每個家系的中間6 株以單株收種，用作后續(xù)的表型性狀考察。

1.2 NCII群體表型鑒定

抽穗期的測量：每隔2 d 在田間進行觀察，記載小區(qū)50% 的單株主莖穗見穗日期減去播種日期換算為抽穗期。株高的測量：待植株成熟后用尺子量取植株最高穗子的穎尖到地面的高度作為株高。產(chǎn)量性狀的考察：植株成熟后，將地上部分進行單株收種，種子收獲后室溫放置1～3 個月，以控制各試驗材料間的種子含水量相對一致。所有的完整主穗均被用來檢測單株穗數(shù)，單株每穗實粒數(shù)超過5 粒的穗子被認為是有效穗數(shù)。隨機選取5 根有效穗考察穗長，量取穗結(jié)節(jié)部位到最頂端穎殼的長度作為穗長。每個單株的所有谷粒全部脫粒后用于每穗粒數(shù)、結(jié)實率、粒長、粒寬、長寬比、千粒重和單株產(chǎn)量等產(chǎn)量性狀的考察。這些產(chǎn)量性狀的考察是使用數(shù)字化考種機（Yield Trait Scorer）來完成的［7］。每個家系的平均值作為最終值進行分析。

1.3 NCII群體配合力分析

NCII 設(shè)計是兩因素的方差設(shè)計，父本、母本、父本×母本和環(huán)境的效應(yīng)可以用表1 列出的方差分析來計算。

表1 NCII群體中各參數(shù)的計算

根據(jù)表1 可以計算出父本的加性遺傳方差（δ2m）、母本的加性遺傳方差（δ2f）、F1的非加性遺傳方差（δ2m）f、F1的遺傳方差（δ2G）、環(huán)境方差（δ2w）、F1的表型方差（δ2P）、狹義遺傳力（Hn）和廣義遺傳力（Hb）。相關(guān)參數(shù)的計算公式如下：

每個性狀的表型和配合力之間的關(guān)系可以用下面的數(shù)學公式表現(xiàn)：

式中，Yij表示每個F1的表型值；Y表示所有F1的表型的平均值；Gi表示父本的一般配合力；Gj表示母本的一般配合力；Sij表示F1的特殊配合力。

一般配合力和特殊配合力的計算采用以下公式：

2 結(jié)果與分析

2.1 NCII群體遺傳結(jié)構(gòu)與表型相關(guān)性分析

利用全基因組的SNPs 信息分別構(gòu)建了親本和NCII 群體的進化樹，群體結(jié)構(gòu)能夠很明顯地劃分為5 個組別。每個后代家族通過擁有共同的父本或母本血統(tǒng)而有50% 相同的遺傳背景。利用fast?STRUCTURE 軟件對NCII 群體的基因型數(shù)據(jù)進行了群體結(jié)構(gòu)分析。主成分分析結(jié)果（圖1a-d）表明，前6 個主成分可以將群體明顯地劃分為5 個亞群，并能解釋約76.6%的遺傳變異。

表2、表3 為NCII 群體之間各產(chǎn)量相關(guān)性狀的表型變異和相關(guān)系數(shù)。單株產(chǎn)量和株高、穗長、粒寬、單株有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重等性狀呈顯著或極顯著正相關(guān)，與粒長、長寬比和抽穗期均呈負相關(guān)。千粒重與粒型的相關(guān)性較高，而與其他表型的相關(guān)性較低。

2.2 GCA 與SCA 對性狀及雜種優(yōu)勢的不同貢獻

圖1 NCII群體遺傳結(jié)構(gòu)

表2 NCII群體之間農(nóng)藝性狀的表型變異

表3 NCII群體之間農(nóng)藝性狀的遺傳系數(shù)和表型相關(guān)系數(shù)

利用雙因素方差分析了父本、母本、雜交種以及環(huán)境因素之間對產(chǎn)量相關(guān)性狀的效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)父本、母本及雜交材料在所有的性狀中均有顯著差異。進一步計算所有產(chǎn)量相關(guān)性狀的父本加性效應(yīng)（δ2m）、母本加性效應(yīng)（δ2f）、雜交材料的非加性效應(yīng)（δ2mf）、環(huán)境變異（δ2e）、狹義遺傳力（Hn）和廣義遺傳力（Hb）。在所有的性狀中，子粒長寬比表現(xiàn)出最高的遺傳力，而單株產(chǎn)量表現(xiàn)出最低的遺傳力。如果性狀具有較高的狹義遺傳力，表明它們更多的是受加性效應(yīng)決定的。相反的，若性狀具的狹義遺傳力很低且與廣義遺傳力差值較大，則表明它們更多的是受非加性效應(yīng)影響。

為了闡明各產(chǎn)量相關(guān)性狀間的表型、配合力和雜種優(yōu)勢之間的關(guān)系，對每個性狀估算了雙親的GCA、F1的SCA 和雜種優(yōu)勢效應(yīng)（HA）。此外，引入了親本的遺傳距離（PGD）和雜合度（OH）2 種參數(shù)進行分析。所有性狀的表型值，親本的一般配合力、雜交材料的特殊配合力和雜種優(yōu)勢間有高度的相關(guān)性。雜種優(yōu)勢與親本間的遺傳距離和雜合度之間沒有顯著的相關(guān)性（圖2）。

圖2 12 個水稻產(chǎn)量相關(guān)性狀的表型、雜種優(yōu)勢和配合力之間的相關(guān)性分析

以雜交種的單株產(chǎn)量為例（表4、表5），特殊配合力與表型之間的相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)為0.75；特殊配合力與雜種優(yōu)勢之間也有較高的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.71。一般配合力與單株產(chǎn)量間也表現(xiàn)出較高的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.61；但是一般配合力與雜種優(yōu)勢間的相關(guān)系數(shù)為0.21。結(jié)果表明，非加性效應(yīng)對雜種優(yōu)勢的產(chǎn)生具有更大的貢獻，加性效應(yīng)和非加性效應(yīng)對產(chǎn)量本身均有重要的作用。這些參數(shù)對不同農(nóng)藝性狀的表型和雜種優(yōu)勢具有不同的貢獻，具有較高遺傳力的性狀比如粒長，一般配合力的貢獻比特殊配合力更高；每個性狀的平均雜種優(yōu)勢與廣義遺傳力和狹義遺傳力均表現(xiàn)為負相關(guān)（圖3），其中雜種優(yōu)勢與狹義遺傳力的相關(guān)系數(shù)為0.71，雜種優(yōu)勢與廣義遺傳力的相關(guān)系數(shù)為0.80。

表4 NCII群體的產(chǎn)量性狀表型參數(shù)

表5 NCII群體的產(chǎn)量性狀表型參數(shù)的相關(guān)性

圖3 水稻各產(chǎn)量性狀的平均雜種優(yōu)勢與狹義遺傳力和廣義遺傳力之間的關(guān)系

2.3 不同參數(shù)在育種中的選擇效率

在實際育種中，通常會以親本的表型為主要參考標準培育優(yōu)良的雜交水稻，隨著對分子遺傳機理的不斷研究，親本的一般配合力和雜交材料的特殊配合力及雜種優(yōu)勢也作為參考標準應(yīng)用于遺傳育種當中。為了進一步探索不同參數(shù)間的選擇效率，從NCII 群體中劃分了4 個不同的F1群體，每個群體包含40 個家系。4 個群體分別是：①具有最高產(chǎn)量表型的10 個親本衍生的雜交種群體；②具有最高雜種優(yōu)勢的雜交群體；③具有最高產(chǎn)量一般配合力的10個親本衍生的雜交種群體；④具有最高特殊配合力的雜交種群體（圖4a）。

所有的組合均表現(xiàn)出比群體平均產(chǎn)量更高的表型。其中，具有最高特殊配合力的雜交群體表現(xiàn)出更高的產(chǎn)量優(yōu)勢，而具有最高產(chǎn)量表型的10 個親本衍生的雜交種群體表現(xiàn)出最低的產(chǎn)量優(yōu)勢（圖4a）。同時具有最高特殊配合力的雜交群體與具有最高雜種優(yōu)勢的雜種群體表現(xiàn)出高度的重合性（22 個家系是一致的），表明特殊配合力與雜種優(yōu)勢之間具有高度的一致性（圖4b）。具有較高產(chǎn)量的雜交種群體在4 個群體組合中均有表現(xiàn)，具有最高產(chǎn)量表現(xiàn)的4 個雜交群體的單株產(chǎn)量均在50 g 以上，且在具有最高產(chǎn)量一般配合力的10 個親本衍生的雜交種群體和具有最高特殊配合力的雜交種群體中均有分布，表明一般配合力和特殊配合力均對水稻的高產(chǎn)量和雜種優(yōu)勢具有貢獻（圖4b）。

圖4 NCII群體各組分產(chǎn)量比較（a）和各組分之間相互關(guān)系的維恩圖解（b）

3 討論

雜種優(yōu)勢的應(yīng)用大大提高了水稻、玉米等作物的產(chǎn)量，在雜交水稻育種過程中，選擇優(yōu)良親本材料被認為是重要的成功因素。但是在1 個豐富多樣性的群體中選取到理想的親本材料是比較困難，具有較大的隨機性并且費時費力，需要育種家們豐富的田間經(jīng)驗［8］。SCA 和GCA 已經(jīng)成功地應(yīng)用于優(yōu)良親本的鑒定進而培育優(yōu)良的雜交組合材料。利用雙列雜交的方法將遺傳變異分解為加性變異和非加性變異，并以此估算GCA 和SCA 的遺傳效應(yīng)［7］，為估算不同的雜交組合設(shè)計中的遺傳變異和配合力的效應(yīng)提供了理論基礎(chǔ)。研究指出，親本間的遺傳距離和配合力及雜種優(yōu)勢表現(xiàn)正相關(guān)［9，10］，而本研究結(jié)果表明，雜種優(yōu)勢與親本間的遺傳距離和雜合度之間并沒有極顯著的相關(guān)性。

雜交稻的產(chǎn)量性狀的遺傳力較低，易受包括環(huán)境因素在內(nèi)的復雜成分的影響，另外，人類長期的育種選擇所造成的加性遺傳變量也可能與此相關(guān)。依據(jù)Kelly［11］提出的理論R=ih2s（R表示經(jīng)過選擇的一代的平均增加優(yōu)勢，i表示選擇強度，h2表示遺傳力的大小，s表示親本的表型標準偏差），對特定性狀的選擇響應(yīng)與該性狀的遺傳力是顯著相關(guān)的。多次的人工選擇趨向于優(yōu)勢加性效應(yīng)基因的整合，進而導致遺傳力和表型標準偏差下降。一旦優(yōu)勢基因被整合，就不會對選擇進一步地響應(yīng)。隨著不斷的選擇性育種，越來越多的優(yōu)勢加性效應(yīng)位點被整合，加性遺傳變異和遺傳力會越來越少。這將會造成加性遺傳方差與非加性遺傳方差的比值越來越小，導致對一般配合力的選擇效率降低；為了使得后期選育的品種不斷優(yōu)于前期的雜交品種，對特殊配合力的選擇效率要求則必然越來越高。

為了有更好的雜種優(yōu)勢表現(xiàn)，在實際育種中，建議結(jié)合分子標記輔助選擇（MAS）體系，選擇具有較高一般配合力的親本進行隨機雜交，然后在雜交材料中選擇具有較高特殊配合力的材料進行定向育種改良，可以降低時間和人力成本，減小盲目性和隨機性，實現(xiàn)分子層面的雜交育種和分子改良育種［12］。

本研究分析了GCA、SCA 對表型性狀和產(chǎn)量雜種優(yōu)勢的相互關(guān)系和不同貢獻率。如果性狀具有較高的狹義遺傳力，它們更多的是受加性效應(yīng)決定的；相反，若性狀具有的狹義遺傳力很低，且與廣義遺傳力差值較大，則它們更多的是受非加性效應(yīng)影響。表型值總是和GCA 和SCA 呈正相關(guān)，而雜種優(yōu)勢和SCA 呈正相關(guān)，GCA 與SCA 之間呈負相關(guān)或者沒有相關(guān)性。即非加性效應(yīng)對雜種優(yōu)勢的產(chǎn)生具有更大的貢獻，加性效應(yīng)和非加性效應(yīng)對產(chǎn)量性狀本身均有重要作用。通過比較不同參數(shù)在育種中的選擇效率，可對以后的親本選擇、優(yōu)良雜交材料構(gòu)建和效應(yīng)評價提出建議。其他作物如玉米可能具有與水稻相似的配合力遺傳機制，但仍需要大規(guī)模的遺傳設(shè)計試驗進行研究。