新型四倍体水稻创制及杂种优势的遗传研究

【作者】 刘向东； 吴锦文； SHAHID Muhammad Qasim； 郭海滨； 李亚娟； 俞淑红； 卢永根；

【机构】 华南农业大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室；

【摘要】 同源四倍体水稻是由二倍体水稻加倍获得的种质。籼型和粳型同源四倍体水稻杂交F1具有明显的生物学和产量优势,但育性普遍偏低,难以直接应用于生产。为了解决此问题,本室于1999至2008年间利用不同类型同源四倍体水稻进行广泛的杂交,组配杂种F1并在杂交后代开展高育性材料的定向选择,于2009年成功地选育出结实率超过80%的高育性四倍体水稻。细胞遗传学研究表明,该水稻减数分裂期间染色体构型与同源四倍体水稻明显不同,前者二价体数量比后者平均高出2个,甚至个别细胞还出现24个二价体的现象;四价体以环型为主,而同源四倍体水稻则复杂多样。重测序结果表明,其基因组存在丰富的DNA变异,许多变异是特异的。为此,我们参照拟南芥对此类具有高育性且稳定材料的命名,将该类高育性的四倍体水稻称为"新型四倍体水稻"(neo-tetraploid rice),区别与直接来源二倍体水稻加倍而成的同源四倍体水稻(autotetraploid rice)。2016年新型四倍体水稻"华多1号"和"华多2号"分别获得国家植物新品种权。新型四倍体水稻不仅本身育性高,而且可以克服大部分的杂种不育性,并产生明显的杂种优势。本室利用新型四倍体水稻与超过50份不同类型同源四倍体水稻杂交组配杂种F1,评价其杂种优势表现并通过转录组学研究其分子遗传机理。结果发现,绝大部分杂种F1育性正常,高的结实率超过90%,而且产量优势十分明显,特别是单株产量(77%)和结实率(15%)等产量相关的性状具有明显的超亲优势,显示出其具有广阔的应用前景。转录组学研究发现,杂种F1与双亲比较,前者出现大量特异差异表达的基因,其中超过95%基因涉及产量相关的QTLs,且显著地富集在碳水化合物代谢途径上,超过1000个基因为非加性表达;与糖类代谢和淀粉合成酶相关基因(如OsBEⅡb和OsSSⅢa等在开花后3天的籽粒中显著上调。以上研究结果为进一步解析新型四倍体水稻杂种优势的基因网络作用模式及分子育种提供重要基础。更多还原