水稻株高是与产量和抗倒伏直接相关的重要农艺性状[1]。水稻按株高分为高杆、矮杆和半矮杆类型;高秆品种存在倒伏减产风险,矮杆品种的经济产量较低,半矮杆品种能较好地协调高产和抗倒性之间的矛盾,育种价值大。
发掘半矮杆材料是水稻遗传改良中的一项基础性工作。20世纪60年代,国际水稻研究所利用矮杆品种‘低脚乌尖’（DGWG）和高杆品种‘皮泰’（PETA）杂交选育而成半矮杆、高收获指数的高产品种‘IR8’[2];随后,美国通过γ射线诱变获得了粳稻背景的半矮杆品系Calrose76[3]。‘IR8’等半矮杆品种的育成及其在亚洲大面积推广导致水稻单产和总产大幅增长,促成了“第一次绿色革命”。遗传分析结果发现,‘DGWG’、Calrose76和‘Reimei’都受半矮杆基因semidwarf-1（sd-1）控制;sd-1定位在第1染色体上,编码参与赤霉素合成的GA20氧化酶（GA20ox）[4] 。
半矮杆材料在杂交稻育种中极具价值。刘选明等[5]通过对温敏不育系株1S进行体细胞无性系变异,筛选到了株高降低25 cm左右的矮秆突变体‘SV14S’,‘SV14S’所配杂交组合比对照组合株高下降6.6 cm,且产量提高9.9%。符辰建等[6]利用‘SV14S’与抗稻瘟病优质材料‘ZR02’杂交选育而成温敏核不育系‘湘陵628S’;据国家水稻数据中心统计,‘湘陵628S’所配组合中有近50个品种通过国家或省级审定（https://www.ricedata.cn/variety/）。
目前,我国水稻生产主要使用携带sd-1的半矮杆品种。发掘半矮杆新材料有助于增加遗传多样性,培育更高产量潜力的水稻新品种。课题组通过辐射诱变‘湘辐糯1号’获得了半矮杆突变体‘双辐矮糯’,本研究拟分析‘双辐矮糯’株高变异的表型特征、产量和品质性状的具体表现及半矮杆性状的遗传行为,为该资源的育种利用提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料
‘湘辐糯1号’是湖南省核农学与航天育种研究所利用60Co-γ辐射诱变感稻瘟、高杆品种‘云香糯’后所育成的稻瘟病抗性增强、株高降低的籼型常规糯稻品种,品种权申请号为20191000448。
2019年5—9月,在湖南长沙利用60Co-γ辐射‘双辐矮糯’成熟干种子（辐射剂量为250 Gy）,种植M1群体。2019年12月至2020年4月,在海南三亚从M2中选择株高适度下降、综合性状较好的半矮杆单株“M2-sd4”留种。2020年5—9月,在湖南长沙将该单株种植成M3株系,其性状稳定,命名为‘双辐矮糯’;同时,通过将‘双辐矮糯’与‘湘辐糯1号’进行正反杂交以获得F1种子,次年春季在海南三亚繁殖F1株系并获得F2种子。2021年5—9月,在长沙种植‘双辐矮糯’（M4）及其与野生型的正反交F2群体,用于农艺性状与遗传特性分析。
1.2 方法
1.2.1 株高与产量性状分析
2021年5月下旬,在湖南长沙县水稻试验基地将‘湘辐糯1号’和‘双辐矮糯’种植成3个小区,每个小区50株,单本栽插,按正常肥水水平管理。记录抽穗期和单株分蘖力,于成熟期取5个达到该株系平均分蘖力的单株,考察株高、每穗总粒数、每穗实粒数、结实率、千粒重、单株产量等指标。株高为基部节至穗尖的高度;从上而下分别测量穗、第1节、第2节、第3节、第4节和第5节的长度。单株产量为5个单株实际谷物产量的平均值。利用SPSS软件进行单因素方差分析,以确定2份材料是否在0.05和0.01水平具有显著性差异。
1.2.2 稻米品质分析
1.2.3 遗传分析
利用经典遗传分析法推断‘双辐矮糯’的株高遗传规律。构建‘双辐矮糯’和‘湘辐糯1号’的正反杂交F1、F2群体,通过卡方（χ20.05=3.84）检测群体中高株与矮株的理论分离比例,确定‘双辐矮糯’株高性状的遗传行为。
2 结果与分析
2.1 ‘双辐矮糯’的株高变异分析
‘湘辐糯1号’在湖南长沙作中稻种植,株高达到了133.13 cm,属于株高较高的品种;与对照‘湘辐糯1号’相比,‘双辐矮糯’的平均株高下降了24.88 cm,呈极显著差异。株高由穗和穗下各茎节组成。‘双辐矮糯’的穗及第1、2、3、4、5茎节长度分别较对照降低5.29、11.01、4.29、2.09、1.88、0.31 cm。穗、第1节、第2节比对照分别降低了18.10%、23.06%和19.13%,均呈极显著差异;第3、4、5节比对照有不同程度地降低,但差异不显著。结果表明,‘双辐矮糯’的株高突变基因主要影响穗长和上部茎节长度（表1）。
表1 ‘双辐矮糯’的穗和各茎节长度分析Tab. 1 Analysis of spike and node length of each stem of ‘Shuang-Fu-Ai-Nuo’ |
| 材料 Material | 穗 Panicle/cm | 第1茎节 First stem node/cm | 第2茎节 Second stem node/cm | 第3茎节 Third stem node/cm | 第4茎节 Forth stem node/cm | 第5茎节 Fifth stem node/cm | 株高 Plant height /cm |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 湘辐糯1号 | 29.22±1.31 | 47.74±3.14 | 22.42±2.01 | 16.92±3.92 | 12.31±1.82 | 4.52±2.44 | 133.13±5.86 |
| 双辐矮糯 | 23.93±0.92** | 36.73±2.34** | 18.13±1.22** | 14.83±0.91 | 10.43±0.42 | 4.21±1.94 | 108.25±3.00** |
注：**表示差异极显著（P<0.01）。 | |
Note: ** indicate extremely significant difference (P<0.01). |
2.2 ‘双辐矮糯’的产量性状分析
‘双辐矮糯’与‘湘辐糯1号’于5月30日在湖南长沙播种,同在8月26日抽穗,在9月25日成熟,全生育期均为118 d;‘双辐矮糯’与对照‘湘辐糯1号’的植株形态相似,均具有紧凑、叶片直立的特点（图1A）。
在产量要素方面,‘双辐矮糯’比‘湘辐糯1号’的有效穗大幅增加,而每穗粒数、结实率和千粒重有所下降（表2）。‘湘辐糯1号’的分蘖力一般,单株有效穗为5.2个,但‘双辐矮糯’的分蘖能力明显增强,其单株有效穗数为‘湘辐糯1号’的2.04倍（图1A,表2）。在穗粒结构方面,‘双辐矮糯’的二次枝梗数减少,每穗总粒数较‘湘辐糯1号’降低了17粒,降幅为20.24%（图1B）;‘双辐矮糯’的育性正常,结实率下降2.16%,差异不显著;而千粒重减少2.07 g,降幅为7.51%,差异显著（表2）。各产量要素效果叠加后,‘双辐矮糯’比‘湘辐糯1号’的单株产量明显提高,增幅达到25.26%。‘双辐矮糯’株高基因的突变显著增强了植株分蘖能力（图1A）,提高了单株产量,表明这一矮杆资源具有高产育种利用潜力。
表2 ‘双辐矮糯’的基本农艺性状分析Tab. 2 Analysis of basic agronomic characters of ‘Shuang-Fu-Ai-Nuo’ |
| 材料 Material | 播种日期 Sowing Date (month-day) | 抽穗日期 Heading date (month-day) | 生育期 Growth period/d | 单株有效穗 Effective panicle number per plant | 每穗总粒数 Total grains number per panicle | 每穗实粒数 Full grains number per panicle | 结实率 Seed setting rate/% | 千粒重 1000-grain weight/g | 单株产量 Yield per plant/g |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 湘辐糯1号 | 05-30 | 08-26 | 118 | 5.2±1.1 | 99±10 | 84±9 | 83.64±3.25 | 27.56±0.17 | 11.64±3.32 |
| 双辐矮糯 | 05-30 | 08-26 | 118 | 10.6±0.9** | 83±10** | 67±9** | 81.48±1.53 | 25.49±0.31** | 14.58±3.52** |
注：**表示差异极显著（P<0.01）。 | |
Note: ** indicate extremely significant difference (P<0.01). |
2.3 双辐矮糯’的外观品质与食味品质分析
图2 ‘双辐矮糯’与‘湘辐糯1号’的稻米外观品质比较A：粒长;B：粒宽。 Fig. 2 Comparison of appearance quality between ‘Shuang-Fu-Ai-Nuo’ and ‘Xiang-Fu-Nuo No.1’ A: Grain length; B: Grain width. |
表3 ‘双辐矮糯’的外观品质与食味品质分析Tab. 3 Analysis of appearance quality and eating quality of ‘Shuang-Fu-Ai-Nuo’ |
| 材料 Material | 外观品质Appearance quality | 食味品质Eating quality | |||
|---|---|---|---|---|---|
| 粒长 Grain length/mm | 粒宽 Grain width/mm | 长宽比 Length to width ratio | 直链淀粉含量 Amylose content/% | 胶稠度 Gel consistency/mm | |
| 湘辐糯1号 | 6.6±0.1 | 2.2±0.1 | 2.9±0.1 | 2.0±0.3 | 100±0 |
| 双辐矮糯 | 6.7±0.1 | 2.3±0.1 | 2.9±0.1 | 2.1±0.2 | 100±0 |
2.4 ‘双辐矮糯’株高性状的遗传分析
为验证‘双辐矮糯’是否源于‘湘辐糯1号’变异,利用分子标记检测法分析‘双辐矮糯’与‘湘辐糯1号’的遗传背景差异。结果发现,来源于水稻12条染色体的48个多态性标记在‘双辐矮糯’与‘湘辐糯1号’之间均扩增出了一致的条带,遗传背景相似度为100%,表明‘双辐矮糯’源于‘湘辐糯1号’的真实突变。
‘湘辐糯1号’和‘双辐矮糯’正反杂交F1群体所有单株的株高与‘湘辐糯1号’一致,表明控制‘双辐矮糯’的株高基因为隐性;2个F2群体中均分离出了高株与半矮杆单株,经卡方检测,半矮杆单株（与‘双辐矮糯’一致）和野生型单株（与‘湘辐糯1号’一致）的理论分离比符合1∶3,表明‘双辐矮糯’的半矮杆性状受1对隐性细胞核基因独立控制（表4）。
表4 双辐矮糯’株高性状的遗传分析Tab. 4 Genetic analysis of height characters of ‘Shuang-Fu-Ai-Nuo’ |
| 世代 Generation | 来源 Source | 群体大小 Group size | 正常株高数 Wild-type plants | 矮化株数 Dwarf plants | χ2值(χ20.05≤3.84) Chi-square test |
|---|---|---|---|---|---|
| F1 | 湘辐糯1号/双辐矮糯 | 33 | 33 | 0 | - |
| 双辐矮糯/湘辐糯1号 | 23 | 23 | 0 | - | |
| F2 | 湘辐糯1号/双辐矮糯 | 524 | 398 | 126 | 0.25 |
| 双辐矮糯/湘辐糯1号 | 460 | 355 | 105 | 1.16 |
3 讨论
已有研究发现,不同矮化突变体在节间配置上具有差异性,如sd1在所有茎节均有缩短,且从基部到第1节及穗长缩短程度逐步减轻[14];d6在第2、3、4节间变短,但穗长与第1节间没有变短[15];d11仅在第2节间明显缩短[16]。矮化形式的多样性与目的基因表达部位、蛋白产物调节途径的差异性有关。SD1编码GA20氧化酶（GA20ox）,在未开放的花中表达[4];D6编码KNOX家族蛋白,参与调节SAM的形成,通过控制居间分生组织细胞的分裂速率和维持节居间分生组织的分生活性来调节节间伸长,在小穗离层表达[15,17];D11编码细胞色素P450家族蛋白,参与油菜素内酯生物合成[16]。‘双辐矮糯’的茎节配置特点暗示其可能具有与sd1及已知非sd1半矮杆基因不同的作用机制。
另一方面,在‘双辐矮糯’每穗总粒数降低20.24%、千粒重下降7.51%的情况下,由于分蘖数提高2.04倍,确保了其产量不降反增。矮化与分蘖数间具有某些联系,如HTD1[18]、DWARF10[19]、D53[20]、SDE[21]突变均造成植株矮化、分蘖数增加。这一现象可能与基因编码产物同时参与茎和腋芽中的激素代谢有关。HTD1是独角金内酯（SL）合成关键基因,抑制分枝发生,负调节分蘖数[22];D53是SL信号通路抑制因子,该基因的突变降低了茎基部中OsCKX9的表达量,促进细胞分裂素积累,使分蘖增强[23]。值得关注的是,矮化多蘖基因具有重要的应用价值,据报道,我国大面积应用的恢复系华占中携带有优良等位基因型HTD1HZ,该基因处于杂合状态下能增强分蘖数,为杂交组合丰产稳产提供保障[24];SDT基因（编码OsmiR156h microRNA的前体）的自然等位变异表现出株高变矮、抗倒伏性增强、分蘖数增加及产量提高等表型[25]。目前,已确定‘双辐矮糯’受隐性核基因控制,但目的基因突变机制及其是否同时控制分蘖尚不清楚。