南方稻区弱感光型单季稻的抽穗期基因组合探索

黄得润 张振华 樊叶杨 王世林 庄杰云 朱玉君

（中国水稻研究所/水稻生物学国家重点实验室，杭州 310006；*通迅作者：zhuyujun@caas.cn）

南方地区水稻播种面积占全国水稻总播种面积的60%以上。改革开放以来，快速的城镇化和工业化发展导致南方地区务农机会成本上升和农村劳动力紧缺，以致水稻生产出现大面积“双改单”季节性撂荒[1-2]。在“双改单”趋势不可避免的情况下，如何做好单季稻安全生产、提高耕地利用率值得深入研究。一般情况下，南方地区单季稻在5 月中下旬播种，6 月中下旬移栽，10 月上旬收获。如果能将单季稻的播种期延长15 d 以上，却又能保证水稻品种安全抽穗及正常收获，即选育弱感光型的单季稻品种，那么单季稻播种及移栽期的劳动力紧缺问题会因播种期跨度增加而得到缓解，在一定程度上有助于稳定并提升单季稻的种植面积，从而提高耕地利用率。

水稻抽穗期的长短主要由品种的感光性、感温性和基本营养生长性决定，感光性在其中扮演着主导作用。Hd1、Ghd7、DTH8 和Hd2 是控制水稻感光性的4 个关键基因[3-9]。Ghd7、DTH8 和Hd2 通常在功能型Hd1背景下表现强感光，而在非功能hd1 背景下表现弱感光[10-14]。笔者在前期研究中发现，在我国南方各稻区主栽单季稻中，86.96%的品种在Hd1 座位上携带非功能型等位基因，在Ghd7 座位上携带功能型等位基因，而在DTH8 和Hd2 座位上存在广泛变异[15]，这说明南方稻区单季稻的抽穗期变异主要取决于DTH8 和Hd2 基因型组合。本研究拟在hd1Ghd7 背景下，比较DTH8 和Hd2 各基因型组合在不同日照长度下的抽穗期变化，探索南方稻区弱感光型单季稻品种的最适抽穗期基因组合，为培育弱感光型单季稻品种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究所用水稻材料为1 套重组自交系群体（recombinant inbred line, RIL），其双亲分别为籼型恢复系D71 和中恢161，从F2起通过单粒传的方式加代至F7。D71 和中恢161 由笔者所在课题组育成，在Hd1 和Ghd7 基因座位上属于南方稻区单季稻主栽品种的基因型。在Hd1 座位上，D71 和中恢161 分别为Type3 和Type7 型等位基因，均属于非功能型等位基因[16]；在Ghd7 座位上，D71 和中恢161 分别为Hap2 和Hap1 型等位基因，均属于强功能型等位基因[17]。在DTH8 和Hd2 座位上分别为不同功能型等位基因。在DTH8 座位上，D71 为Hap2 型功能等位基因，中恢161 为Hap9型非功能等位基因[17]。在Hd2 座位上，D71 为PRR37-1a 型非功能等位基因，中恢161 为PRR37-1 型功能等位基因[8]。综上所述，D71 和中恢161 在Hd1 座位上均携带非功能等位基因，在Ghd7 座位上均携带功能等位基因，而在DTH8 和Hd2 座位上携带具有功能差异的等位基因。该RIL 群体共包含408 个F7株系，2019 年和2020 年分别从中随机挑选261 个和236 个株系种植于浙江杭州，其中89 个株系重复种植。

1.2 田间试验和性状鉴定

于2019 年和2020 年开展分期播种试验。2019 年播种时间分别为4 月28 日（Ⅰ期）、5 月15 日（Ⅱ期）和6 月5 日（Ⅲ期），即在常规单季稻播期前后约20 d 各安排1 期；基于2019 年的试验结果，2020 年的播种时间在单季稻常规播期上依次增加7 d，分别为5 月19日（Ⅰ期）、5 月26 日（Ⅱ期）、6 月2 日（Ⅲ期）和6 月9日（Ⅳ期）。各期所有株系均种植1 行12 株。2019 年单株记载抽穗期，以12 株的平均值作为该株系的抽穗期；2020 年株系记载抽穗期，当每个株系有50%单株抽穗时记为该株系的抽穗期。

1.3 标记检测

根据双亲在DTH8 和Hd2 基因座位上的差异，应用Oligo 7.0 软件设计多态性PCR 引物（表1）。混取各株系中间10 个单株的叶片提取DNA ，PCR 扩增产物经6%非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳分离后，银染显色。

表1 本研究所用引物信息

1.4 数据处理

采用Microsoft Office Excel 分析各播期抽穗期的最小值、最大值、平均值、峰度和偏度等。采用单因素方差分析检测DTH8 和Hd2 对各播期抽穗期的遗传作用。采用Duncan 多重比较分析DTH8Hd2 和DTH8hd2基因型组合在不同播期下的抽穗期差异，上述分析均采用SAS 软件进行。

2 结果与分析

2.1 抽穗期表型鉴定结果

如表2 所示，2019 年，随着播期延迟，抽穗期的平均值逐渐下降，可能是气温逐渐上升的缘故。另外，Ⅰ期所有株系在长日照（日照长度大于13.5 h）条件下完成营养生长向生殖生长的转变（以抽穗期减去30 d记）；Ⅲ期时，DTH8Hd2 和DTH8hd2 组合株系感光期的日照长度均小于13.5 h，即在短日照条件下完成生殖转变。2020 年将Ⅰ期设定在单季稻常规播种期往后每隔7 d 播1 期，播期跨度21 d。结果显示，4 期所有株系均安全抽穗，抽穗期的平均值在87.3～90.3 d 之间，差异不大。

表2 不同播期的抽穗期表型

2.2 DTH8 和Hd2 对抽穗期变异的遗传作用

如表3 所示，2019 年3 期均检测到DTH8 和Hd2对抽穗期的显著作用，两基因座位上功能等位基因均表现为延迟抽穗。DTH8 在3 期中作用稳定，加性效应介于7.1 ～9.1 d 之间，贡献率介于72.8%～80.5%之间。Hd2 随着播期推迟效应呈下降趋势，加性效应由Ⅰ期的3.3 d 减小至Ⅲ期的1.6 d，贡献率由19.0%降低至6.3%。在2020 年，DTH8 在各播期仍表现出对抽穗期的延迟作用，且效应稳定，加性效应介于8.1～8.5 d 之间，贡献率介于81.2%～85.5%之间。Hd2 仅在前两期表现出显著作用，加性效应分别为2.3 d 和1.8 d，贡献率分别为5.6%和3.2%。

表3 DTH8 和Hd2 对抽穗期的遗传作用

2 年试验结果表明，DTH8 对该群体的抽穗期变异具有主效作用，且不受日照长短变化影响。Hd2 的遗传作用受到日照长短变化的影响，当群体生殖转变在长日照条件下完成时，具有显著作用，而当生殖转变在长短日照兼有的条件下完成时，遗传作用减弱或不显著。

2.3 DTH8 和Hd2 不同基因型组合间抽穗期比较

按照DTH8 和Hd2 等位基因有无功能，将所有株系分成4 组，分别为DTH8Hd2、DTH8hd2、dth8Hd2 和dth8hd2。

2019 年，dth8Hd2 和dth8hd2 组合所有株系在3 个播期中均在长日照条件下完成生殖转变，抽穗期短。DTH8Hd2 和DTH8hd2 组合株系在Ⅰ期时均在长日照下完成生殖转变，在Ⅲ期时均在短日照下完成生殖转变。通过进一步比较DTH8Hd2 和DTH8hd2 组合株系在Ⅰ期和Ⅲ期的抽穗期表现，相较于长日照条件下的Ⅰ期，两基因型组合对应株系在日照变短的Ⅲ期种植时，抽穗期均显著缩短。DTH8Hd2 组合下降幅度较大，为11.7 d；DTH8hd2 组合下降幅度较小，为8.5 d。该结果表明这两种基因型组合具有弱感光性，早播时抽穗期长，迟播时抽穗期缩短，DTH8Hd2 较DTH8hd2 更为明显（图1）。

图1 DTH8Hd2 和DTH8hd2 基因型组合的抽穗期比较

2020 年，dth8Hd2 和dth8hd2 组合株系的抽穗期表现与2019 年一致，均在长日照条件下完成生殖转变。DTH8Hd2 和DTH8hd2 组合株系在Ⅰ期时，除4 个株系外，其余均在长日照条件下完成生殖转变；Ⅲ期和Ⅳ期种植时，除2 个株系外，其余均在短日照条件下完成生殖转变；Ⅱ期种植时，在长、短日照条件下完成生殖转变的株系数各占一定比例。进一步比较DTH8Hd2 和DTH8hd2 组合株系在Ⅰ期、Ⅲ期和Ⅳ期的抽穗期表现，对于DTH8hd2 组合，相较于长日照条件的Ⅰ期，日照变短的Ⅲ期抽穗期反而略有延长（3.6 d），随着播期进一步延后，Ⅳ期抽穗期再次缩短至Ⅰ期水平。这暗示该组合抽穗期长短可能容易受到温度或者其他环境因素的影响。对于DTH8Hd2 组合，相较于长日照条件的Ⅰ期，日照变短的Ⅲ期抽穗期缩短1.5 d，且随着播期延后，日照长度更短的Ⅳ期抽穗期进一步缩短（4.4 d）。另外，笔者还发现DTH8Hd2 和DTH8hd2 组合株系抽穗期在Ⅲ期和Ⅳ期均无显著差异，仅在早播的长日照条件下有差异，DTH8Hd2 组合的抽穗期平均要长3.7 d，尽可能多的利用了光温资源（图1）。

3 结论与讨论

本研究应用1 套籼籼交重组自交系群体，通过2年共7 个播期的抽穗期比较，发现hd1Ghd7dth8hd2 和hd1Ghd7dth8Hd2 基因型组合株系无论播期早晚（早播：4 月28 日；晚播：6 月9 日），均在长日照下完成生殖转变，该结果说明在这4 个感光性关键基因座位上，仅携带功能型Ghd7 或同时携带功能型Ghd7 和Hd2，虽然能在不同生态条件下安全抽穗，但生长期太短，光温资源利用不足，产量不高，在育种实践中应用潜力不大。而hd1Ghd7DTH8Hd2 和hd1Ghd7DTH8hd2 基因型组合株系早播时抽穗期较长，可充分利用光温资源，随着播期延长、日照变短，抽穗期随之缩短，避免了后期低温对灌浆结实的影响，该结果说明这两种基因型组合符合南方稻区弱感光型单季稻品种的生长要求，具有育种应用潜力。

此外，比较弱感光型基因组合hd1Ghd7DTH8Hd2和hd1Ghd7DTH8hd2 的抽穗期表现，前者在早播时的抽穗期比后者多3.7 d，说明hd1Ghd7DTH8Hd2 组合在育种实践中的潜力要优于hd1Ghd7DTH8hd2，原因在于前者早播时更能充分利用光温资源。这两种基因型组合的差异在于Hd2 功能的有无。在分析单个基因对抽穗期变异的遗传作用中，Hd2 在早期播种时表现出较小的遗传作用，随着播期延迟、日照变短，效应减小甚至不再显著（表3），很好解释了hd1Ghd7DTH8Hd2组合抽穗期长于hd1Ghd7DTH8hd2 组合的现象。对于这两种基因型组合，其育种应用的价值在于，它们在单季稻常规播期（5 月中下旬）延后21 d 播种仍能安全抽穗和成熟，这对于缓解单季稻播种期及移栽期的劳动力紧缺问题具有重要意义。

相比弱感光型单季稻水稻品种，弱感光型晚稻品种目前是华南双季稻区晚稻生产中极为重要的生态型品种。这类杂交稻品种不会因生育前中期高温提早抽穗而影响产量，也不会因生育后期遇低温而影响籽粒充实度和稻米品质，在华南双季稻区深受农户喜爱。这类杂交稻的选育一般有两种途径：利用自身不感光但杂种表现感光的不育系与恢复系配组；利用自身生育期较长的迟熟恢复系与不育系配组[18]。目前生产上应用的高丰优689、广8 优165 和龙丰优169 等都属于弱感光型水稻品种[19-21]。

那么，针对本研究筛选到的这些弱感光型恢复系该与哪种类型的不育系进行测配，才能选育出弱感光型单季稻组合？陈赛华等[22]通过分析水稻不育系湘陵628S 不同组合感光性差异，发现该不育系携带有隐性等位基因hd1 和ghd7，显性等位基因DHT8，总体表现出弱感光性。应用分子标记检测恢复系在Hd1 和Ghd7座位上的等位基因型，可加快弱/不感光杂交组合的选育。由此，我们亦可通过检测不育系的感光性基因预测杂交稻组合的感光性强弱。希望本研究结果能为弱感光型单季稻组合选育提供参考依据。