CN103798127A - 一种利用InDel分子标记预测籼-粳稻杂种F1结实率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于分子标记辅助育种技术领域，具体为一种利用InDel分子标记检测籼-粳稻杂交亲本遗传分化水平并以其预测杂种F1结实率的方法。通过检测籼-粳杂交亲本的遗传分化水平，就可以有目的的选择杂交亲本并配制具有较高结实率的F1杂种。本发明利用40个InDel分子标记和建立的计算方法，确定了籼-粳杂交双亲的籼-粳遗传分化系数（GDI），同时分析杂交双亲GDI和实测杂种F1结实率（PF）平均值之间的相关性，形成了一种通过分子标记分析双亲GDI来预测籼-粳稻杂种F1结实率的方法。本发明在实施杂交之前就可对亲本进行籼-粳遗传分化系数检测，进而预测杂种F1的结实率，从而有效的选择籼-粳稻杂交双亲。
Description
技术领域
本发明属于分子标记辅助育种技术领域，具体为一种利用InDel分子标记检测籼-粳稻杂交亲本遗传分化水平并以其预测杂种F1结实率的方法。
技术背景
利用栽培稻亚种间超强杂种优势培育籼-粳杂交稻是进一步提高水稻产量的有效途径，杂种结实率是决定籼-粳杂种F1产量的关键，由于籼-粳稻强烈的遗传分化导致其杂种F1结实率显著下降，影响了籼-粳杂交稻的产量，限制了亚种间杂种优势在杂交水稻中的应用。因此，在实施籼-粳稻杂交之前有效选择能产生较高杂种F1结实率的亲本组合是亚种间杂种优势利用的关键。目前，生产上进行籼-粳稻杂交主要是依据形态和谱系来确定杂交籼稻和粳稻双亲的特性，在多数情况下，籼-粳杂种F1的结实率都较低，而很难应用于生产实践。其主要的原因是目前尚无能够定量的检测籼-粳稻杂交亲本遗传分化的工具，导致无法预料杂种F1的结实率水平，因此，急需建立一种利用InDel分子标记预测籼-粳稻杂种F1结实率的方法。
参考文献：
1）利用水稻DNA插入或缺失分子标记鉴定籼稻和粳稻的方法 （专利号：200810037114.8）；
2）用一粒稻谷鉴定籼稻和粳稻的分子标记方法（专利号： 201010591787.5）。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用InDel分子标记检测籼-粳稻杂交亲本遗传分化水平并以其预测杂种F1结实率的方法。
本发明利用40个InDel分子标记和建立的计算方法，确定了籼-粳杂交双亲的籼-粳分化系数（GDI），同时分析杂交双亲的GDI和实测的杂种F1结实率（PF）平均值之间的相关性，形成了一种利用分子标记分析双亲GDI来预测籼-粳稻杂种F1结实率的方法。该方法在杂交水稻杂种优势利用方面具有广泛的应用价值和推广应用前景。
本发明提供的利用InDel分子标记检测籼-粳稻杂交亲本遗传分化水平并以其预测杂种F1结实率的方法具体步骤包括：
（1）选择包含典型籼稻、典型粳稻和籼-粳分化中间类型，且结实率大于90%的水稻品种作为实验群体，并利用40个InDel分子标记确定两两水稻品种间的籼-粳遗传分化系数（GDI）；
（2）根据计算的覆盖0~1之间不同阶段的杂交双亲籼-粳遗传分化系数（GDI）值，确定杂交组合，并通过有性杂交获得各组合的杂种F1；
（3）种植F1杂种并测量杂种F1植株的结实率（PF），通过分析杂交双亲GDI与实测杂种F1植株结实率平均值的相关性，来建立利用GDI预测用于杂交的籼稻和粳稻双亲所得到杂种F1结实率的方法；其中：
所述利用40个InDel分子标记确定两两水稻品种间的籼-粳遗传分化系数（GDI）的具体步骤为：构建包含典型籼稻、典型粳稻和籼-粳分化中间类型，且结实率大于90%的水稻品种实验群体，并利用常规的基因组DNA提取方法获取实验群体包含的全部水稻品种的DNA，用40个InDel分子标记对上述DNA进行PCR扩增，扩增产物在琼脂糖凝胶电泳或者聚丙烯酰胺凝胶电泳等方法进行分离，获得所有水稻品种在40个InDel位点上的基因型数据。通过计算分析两两水稻品种在40个位点上的差异等位基因数据，获得两个水稻亲本品种间的籼-粳遗传分化系数（GDI）；
水稻亲本品种在40个InDel位点的基因型数据为电泳条带读取结果：条带读取参照典型籼稻93-11（aa）和典型粳稻日本晴（bb）在每个InDel位点上的基因型进行，每个位点上可能的基因型为aa、bb和ab，进而获得所有水稻亲本品种在40个InDel位点上的基因型数据矩阵。
两个水稻亲本品种即杂交亲本之间的GDI计算公式为：
(1)
其中A i 代表第i个位点上两个水稻亲本品种之间差异等位基因的数目。
A i 确定方式为：假设亲本1和亲本2，其等位基因可为a或b。两个亲本之间差异等位基因数目的确定方式为：当亲本1和亲本2在第i个位点上的等位基因完全相同时（亲本1和亲本2等位基因组合均为aa和aa，bb和bb，或ab和ab），其差异等位基因数为0；当亲本1和亲本2在第i个位点上有部分等位基因不同时（亲本1和亲本2等位基因组合为aa和ab，或ab和bb），其差异等位基因数为1；当亲本1和亲本2在第i个位点上的等位基因完全不同时（亲本1和亲本2等位基因组合为aa和bb，或bb和aa），其差异等位基因数为2。因此，A i 可能的取值为0, 1, 2。N代表用于分析的位点总数（通常为40）。
通过公式（1）计算出的GDI值的范围在0~1之间。若GDI为0，代表两个水稻亲本品种之间的籼-粳遗传分化程度很低；若GDI为1，则代表两个水稻亲本之间的籼-粳遗传分化程度很高。
所述基于计算的覆盖基0~1之间不同阶段的杂交双亲籼-粳遗传分化系数（GDI）值确定杂交组合，并通过有性杂交获得各组合的杂种F1的具体步骤为：依据步骤（1）获得的全部实验群体两两水稻品种间的GDI值确定将要用于杂交实验的亲本对，确保所有的杂交组合其双亲GDI值覆盖0~1之间的各个阶段，即杂交双亲的籼-粳分化水平包含从最低到最高，以及中间各个过渡阶段。将已确定的杂交品种进行杂交实验，每个杂交组合的亲本都进行正反交。对母本进行人工去雄、套袋，然后授以父本的花粉，使每个杂交组合至少获得100粒杂种F1种子；
所述种植F1杂交种并测量杂种F1植株的结实率（PF），通过分析杂交双亲GDI与实测杂种F1植株结实率平均值的相关性来建立利用GDI预测用于杂交的籼稻和粳稻双亲所得到杂种F1结实率的方法的具体步骤为：对步骤（2）获取的杂种F1种子用培养皿萌发出芽后在实验田的苗床上培育一个月，然后移栽至大田中。每个杂交组合设置3个重复（小区）种植，所有组合F1杂种小区的田间布置遵循完全随机设计，每小区包含16个F1植株，种植成4行 × 4列，3个小区一共48个植株。杂种收获后，测量每个F1植株的结实率（PF）。
PF = 每穗饱满种子数 / 每穗小花总数。
实测杂种F1植株结实率平均值用48个植株结实率的平均值代表。
对杂交双亲籼-粳遗传分化系数（GDI）和实测杂种F1植株结实率平均值进行分析，获得二者之间的相关性：利用线性回归模型，将计算获得的杂交双亲籼-粳遗传分化系数（GDI）和实测杂种F1植株结实率平均值进行分析，获得二者的相关值。籼、粳稻亲本的GDI值和实测杂种F1植株结实率平均值之间呈显著负相关关系，根据GDI和实测杂种F1植株结实率平均值的相关性，可以在籼、粳稻亲本品种进行杂交之前，通过检测GDI值来预测其杂种F1的PF。在利用籼、粳稻杂种优势育种的研究中，杂种F1的结实率是保证杂交稻产量的重要指标。通常杂种F1的结实率至少要>80%才能保证产量。在亲本结实率>90%的前提下，要获得结实率超过80%的杂种F1，杂交双亲的GDI应该不超过0.4；而要想获得结实率超过90%的杂种F1，杂交双亲的GDI应该不超过0.1。
附图说明
图1. 为实施例1中杂交亲本籼-粳遗传分化系数（GDI）和实测杂种F1结实率（PF，由空心圆表示）的线性回归分析结果，图中斜线表示GDI和PF的理论相关值，相关系数（R2）为0.866，p < 0.0001。根据该理论相关值可对具有不同GDI值的任意籼-粳稻双亲组合的杂种F1结实率进行预测。
具体实施方式
实施例1：
利用本发明的方法检测籼-粳稻杂交亲本遗传分化水平并以其预测杂种F1结实率。
1、选择包含典型籼稻（20个）、籼稻（30个）、典型粳稻（20个）、粳稻（30个）和籼-粳分化中间类型（20个），且结实率大于90%的共计120个水稻品种构建实验群体，并利用常规的基因组DNA提取方法获取实验群体包含的全部水稻品种的DNA，用40个InDel分子标记对上述DNA进行PCR扩增，扩增产物在琼脂糖凝胶电泳或者聚丙烯酰胺凝胶电泳等方法进行分离，获得所有水稻品种在40个InDel位点上的基因型数据。通过计算分析两两水稻品种在40个位点上的差异等位基因数据，获得两个水稻亲本品种间的籼-粳遗传分化系数（GDI）。
2、依据获得的全部实验群体两两水稻品种间的GDI值确定将要用于杂交实验的亲本对（表1），确保所有的杂交组合其双亲GDI值覆盖0~1之间的各个阶段，即杂交双亲的籼-粳分化水平包含从最低到最高，以及中间各个过渡阶段。将已确定的杂交品种进行杂交实验，每个杂交组合的亲本都进行正反交。对母本进行人工去雄、套袋，然后授以父本的花粉，使每个杂交组合至少获得100粒杂种F1种子。
3、获得的杂种F1种子用培养皿萌发出芽后在实验田的苗床上培育一个月，然后移栽至大田中。每个杂交组合设置3个重复（小区）种植，所有组合F1杂种小区的田间布置遵循完全随机设计，每小区包含16个F1植株，种植成4行×4列，3个小区一共48个植株。杂种收获后，测量每个F1植株的结实率（PF），并用48个植株结实率的平均值代表实测杂种F1植株结实率（表1）。
利用线性回归模型，将计算获得的杂交双亲籼-粳遗传分化系数（GDI）和实测杂种F1植株结实率平均值进行分析，获得二者的相关值。籼、粳稻亲本的GDI值和实测杂种F1植株结实率平均值之间呈显著负相关关系（图1）。
根据GDI和实测杂种F1植株结实率平均值的相关性，可以在籼、粳稻亲本品种进行杂交之前，通过检测GDI值来预测其杂种F1的PF。如图1，当籼-粳稻杂交亲本的GDI值为0.20时，F1的结实率约为0.82；当籼-粳稻杂交亲本的GDI值为0.70时，F1的结实率约为0.55。
表1、实施例1中所包含的杂交组合的亲本编号、杂交双亲的籼-粳遗传分化系数（GDI）、和杂种F1实测结实率
| 亲本1编号 | 亲本2编号 | GDI | 结实率 | 亲本1编号 | 亲本2编号 | GDI | 结实率 |
| A1 | B1 | 0.00 | 0.90 | A31 | B31 | 0.65 | 0.51 |
| A2 | B2 | 0.00 | 0.93 | A32 | B32 | 0.65 | 0.54 |
| A3 | B3 | 0.05 | 0.91 | A33 | B33 | 0.65 | 0.54 |
| A4 | B4 | 0.09 | 0.90 | A34 | B34 | 0.65 | 0.58 |
| A5 | B5 | 0.14 | 0.80 | A35 | B35 | 0.71 | 0.48 |
| A6 | B6 | 0.14 | 0.87 | A36 | B36 | 0.73 | 0.50 |
| A7 | B7 | 0.14 | 0.82 | A37 | B37 | 0.75 | 0.43 |
| A8 | B8 | 0.14 | 0.89 | A38 | B38 | 0.76 | 0.57 |
| A9 | B9 | 0.21 | 0.82 | A39 | B39 | 0.78 | 0.56 |
| A10 | B10 | 0.21 | 0.84 | A40 | B40 | 0.79 | 0.54 |
| A11 | B11 | 0.24 | 0.85 | A41 | B41 | 0.79 | 0.42 |
| A12 | B12 | 0.26 | 0.78 | A42 | B42 | 0.80 | 0.46 |
| A13 | B13 | 0.28 | 0.89 | A43 | B43 | 0.80 | 0.49 |
| A14 | B14 | 0.33 | 0.82 | A44 | B44 | 0.81 | 0.34 |
| A15 | B15 | 0.33 | 0.84 | A45 | B45 | 0.81 | 0.61 |
| A16 | B16 | 0.35 | 0.75 | A46 | B46 | 0.85 | 0.25 |
| A17 | B17 | 0.37 | 0.65 | A47 | B47 | 0.85 | 0.54 |
| A18 | B18 | 0.39 | 0.78 | A48 | B48 | 0.91 | 0.25 |
| A19 | B19 | 0.42 | 0.58 | A49 | B49 | 0.91 | 0.23 |
| A20 | B20 | 0.45 | 0.72 | A50 | B50 | 0.93 | 0.35 |
| A21 | B21 | 0.48 | 0.64 | A51 | B51 | 0.94 | 0.33 |
| A22 | B22 | 0.49 | 0.69 | A52 | B52 | 0.94 | 0.46 |
| A23 | B23 | 0.56 | 0.66 | A53 | B53 | 0.96 | 0.31 |
| A24 | B24 | 0.56 | 0.52 | A54 | B54 | 0.97 | 0.14 |
| A25 | B25 | 0.57 | 0.58 | A55 | B55 | 0.97 | 0.29 |
| A26 | B26 | 0.57 | 0.70 | A56 | B56 | 0.98 | 0.41 |
| A27 | B27 | 0.64 | 0.57 | A57 | B57 | 0.98 | 0.19 |
| A28 | B28 | 0.64 | 0.62 | A58 | B58 | 1.00 | 0.40 |
| A29 | B29 | 0.65 | 0.63 | A59 | B59 | 1.00 | 0.17 |
| A30 | B30 | 0.65 | 0.51 | A60 | B60 | 1.00 | 0.36 |
Claims (4)
1. 一种利用InDel分子标记确定籼-粳稻杂种F1结实率的方法，其特征在于具体步骤为：
（1）选择包含典型籼稻、典型粳稻和籼-粳分化中间类型，且结实率大于90%的水稻品种作为实验群体，并利用40个InDel分子标记确定两两水稻品种间的籼-粳遗传分化系数GDI；
（2）根据计算的覆盖0~1之间不同阶段的杂交双亲籼-粳遗传分化系数GDI值，确定杂交组合，并通过有性杂交获得各组合的杂种F1；
（3）种植F1杂种并测量杂种F1植株的结实率PF，通过分析杂交双亲GDI与实测杂种F1结实率平均值的相关性，来建立利用GDI预测用于杂交的籼稻和粳稻双亲所得到杂种F1结实率的方法；其中：
所述利用40个InDel分子标记确定两两水稻品种间的籼-粳遗传分化系数GDI的具体步骤为：
构建包含典型籼稻、典型粳稻和籼-粳分化中间类型，且结实率大于90%的水稻品种实验群体，并利用基因组DNA提取方法获取实验群体包含的全部水稻品种的DNA，用40个InDel分子标记对上述DNA进行PCR扩增，扩增产物在琼脂糖凝胶电泳或者聚丙烯酰胺凝胶电泳方法进行分离，获得所有水稻品种在40个InDel位点上的基因型数据；通过计算分析两两水稻品种在40个位点上的差异等位基因数据，获得两个水稻品种间的籼-粳遗传分化系数GDI；
所述根据计算的覆盖基0~1之间不同阶段的杂交双亲籼-粳遗传分化系数GDI值确定杂交组合，通过有性杂交获得各组合的杂种F1的具体步骤为：
依据步骤（1）获得的全部实验群体两两水稻品种间的GDI值，确定将要用于杂交实验的亲本对，确保所有的杂交组合其双亲GDI值覆盖0~1之间的各个阶段，即杂交双亲的籼-粳分化水平包含从最低到最高，以及中间各个过渡阶段；将已确定的杂交品种进行杂交实验，每个杂交组合的亲本都进行正反交；对母本进行人工去雄、套袋，然后授以父本的花粉，使每个杂交组合至少获得100粒杂种F1种子；
所述种植F1杂交种并测量杂种F1植株的结实率PF，通过分析杂交双亲GDI与实测杂种F1植株结实率平均值的相关性来建立利用GDI预测用于杂交的籼稻和粳稻双亲所得到杂种F1结实率的方法的具体步骤为：
对步骤（2）获取的杂种F1种子进行萌发、育秧后，移栽至大田；每个杂交组合设置3个重复小区种植，所有组合F1杂种小区的田间布置遵循完全随机设计；杂种收获后，测量F1的结实率PF并计算实测F1植株的平均结实率；利用线性回归模型，将计算获得的杂交双亲籼-粳遗传分化系数GDI和实测F1植株的平均结实率进行分析，获得二者的相关值，进而形成一种利用InDel分子标记来预测籼-粳稻杂种F1结实率的方法。
2. 根据权利要求1所述的利用InDel分子标记确定籼-粳稻杂种F1结实率的方法，其特征在于步骤1中，基于各个水稻亲本品种在40个InDel位点分子实验获得的基因型数据来计算任意两个水稻品种之间的籼-粳遗传分化系数GDI；
水稻亲本品种在40个InDel位点的基因型数据为电泳条带读取结果：条带读取参照典型籼稻93-11（aa）和典型粳稻日本晴（bb）在每个InDel位点上的基因型进行，每个位点上可能的基因型为aa、bb和ab，进而获得所有水稻亲本品种在40个InDel位点上的基因型数据矩阵；
两个水稻亲本品种即杂交亲本之间的GDI计算公式为：
(1)
其中A i 代表第i个位点上两个水稻亲本品种之间差异等位基因的数目， A i 的取值为0, 1, 2；N代表用于分析的位点总数，为40；
通过公式（1）计算出的GDI值的范围在0~1之间；若GDI为0，代表两个水稻亲本品种之间的籼-粳遗传分化程度很低；若GDI为1，则代表两个水稻亲本之间的籼-粳遗传分化程度很高。
3. 根据权利要求1所述的利用InDel分子标记确定籼-粳稻杂种F1结实率的方法，其特征在于A i 确定方式为：假设亲本1和亲本2，其等位基因可为a或b；两个亲本之间差异等位基因数目的确定方式为：当亲本1和亲本2在第i个位点上的等位基因完全相同时，即亲本1和亲本2等位基因组合均为aa和aa，bb和bb，或ab和ab，其差异等位基因数为0；当亲本1和亲本2在第i个位点上有部分等位基因不同时，即亲本1和亲本2等位基因组合为aa和ab，或ab和bb，其差异等位基因数为1；当亲本1和亲本2在第i个位点上的等位基因完全不同时，即亲本1和亲本2等位基因组合为aa和bb，或bb和aa，其差异等位基因数为2；因此，A i 的取值为0, 1, 2。
4. 根据权利要求1所述的利用InDel分子标记确定籼-粳稻杂种F1结实率的方法，其特征在于种植F1杂种并测量杂种F1植株的结实率PF，通过分析杂交双亲GDI与实测杂种F1植株结实率平均值的相关性来建立利用GDI预测用于杂交的籼稻和粳稻双亲所得到杂种F1结实率的方法；其具体步骤如下：
（1）将获得的不同杂交组合的F1杂种进行田间种植，并测量杂种F1植株的结实率，并进一步获得每个杂交组合的结实率数据：
杂种F1的种子用培养皿萌发出芽后在实验田的苗床上培育一个月，然后移栽至大田中；每个杂交组合设置3个重复种植，所有组合F1杂种小区的田间布置遵循完全随机设计，每小区包含16个F1植株，种植成4行×4列，3个小区一共48个植株；杂种收获后，测量每个F1植株的结实率（PF）；
PF = 每穗饱满种子数 / 每穗小花总数；
实测杂种F1植株结实率平均值用48个植株结实率的平均值代表；
（2）对杂交双亲籼-粳遗传分化系数GDI和实测杂种F1植株结实率平均值进行分析，获得二者之间的相关性：
利用线性回归模型，将计算获得的杂交双亲籼-粳遗传分化系数GDI和实测杂种F1植株结实率平均值进行分析，获得二者的相关值；籼、粳稻亲本的GDI值和实测杂种F1植株结实率平均值之间呈显著负相关关系，根据GDI和实测杂种F1植株结实率平均值的相关性，可以在籼、粳稻亲本品种进行杂交之前，通过检测GDI值来预测其杂种F1的PF；在利用籼、粳稻杂种优势育种的研究中，杂种F1的结实率是保证杂交稻产量的重要指标；通常杂种F1的结实率至少要>80%才能保证产量；在亲本结实率>90%的前提下，要获得结实率超过80%的杂种F1，杂交双亲的GDI应该不超过0.4；而要想获得结实率超过90%的杂种F1，杂交双亲的GDI应该不超过0.1。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103798127B (zh) | 2015-07-29 |
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