Molecular marker technology and application in pig breeding
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摘要:
本文旨在探索分子标记在种猪育种中的应用方法。本文对影响猪重要经济性状的主效基因及因果突变位点研究的进展进行综述，并对可应用分子标记进行分类，追踪了部分分子标记辅助育种在温氏集团的应用效果，归纳了分子标记在种猪选育中的应用方法。为同行在猪育种中应用分子标记辅助选择技术提供参考。
Abstract:To explore the application methods of molecular markers in pig breeding, we reviewed the research progress of major effect genes and causal mutation sites for important economic traits, classified the available molecular markers and tracked the application effect of some molecular markers assisted breeding in Wens Group. The application methods of molecular markers in pig breeding were summarized. Molecular marker assisted selection would be widely used in pig breeding.
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Keywords:
- molecular marker technology /
- breeding pig /
- breeding /
- application
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光合作用是绿色植物利用自然界光能将CO2和H2O合成有机物、释放O2的过程。没有植物的光合作用就不可能有人类的生存和社会的进步[1]。光合作用产生的碳水化合物最终形成生物量和作物产量，植物干质量的90%~95%来自其光合产物，光合产物是作物产量形成的物质基础和前提条件[2]。水稻是世界上最重要的粮食作物之一，全球超过一半人口以稻米为主食。我国水稻种植面积达3000万公顷，约占全世界种植面积的20%，总产量占全世界产量的40%左右。水稻是我国乃至世界粮食安全至关重要的战略资源之一[3]。水稻产量的三分之二来自开花后叶片光合产物。叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，负责吸收、转换和传递光能。在一定的范围内，叶片的叶绿素含量与光合速率呈正相关，不同品种间光合速率及叶片叶绿素含量存在显著差异[4-5]；叶片SPAD与叶绿素含量显著正相关，能精确表达植物叶绿素含量[6-10]。用SPAD测量仪检测植物叶绿素含量具有简便快捷、精准无损、安全高效的特点[11-12]。因此，近年来以SPAD为指标大量开展了作物氮素营养诊断和管控[13-16]、产量预测和提高[17-21]、品质评估和改良[22-25]等方面的研究。叶面积指数(Leaf area index，LAI)指单位面积土地上植物叶片总面积占土地面积的倍数。叶面积越大，植物接受太阳光的面积就越大，光能的吸收和有机物质的合成就越多。在一定的太阳能量下，水稻有一个获得最大干物质量的最适宜的叶面积指数。提高叶面积指数，改进群体受光态势是植物高产的关键。随着栽插密度的增加，叶面积指数随之增大，作物生长速率和群体光能利用率快速提高[26-27]；除了栽插密度外，植物本身的分蘖能力也是影响叶面积指数的一个重要因素。在同等栽插密度和管理条件下，分蘖越多，茎蘖数就越多，叶面积指数也就越大，作物产量相应提高[28-30]。但是，穗多叶多的群体内，光分布也可能受到影响，密度过大，叶片过多，群体下部透光率(Light transmittance rate，LTR)降低，下部叶片光合作用降低，呼吸作用增强，不仅不利于物质生产，还易消耗营养物质。因此，保持群体内各茎蘖穗层透光率达到均衡适宜状态，对获得群体高产非常重要。迄今为止，对单个或少数几个品种的某一光合指标或参数的研究较多，而对多个品种(品系)的多个光合指标及其关联性的研究较少。本文利用生产上大面积推广应用的三系不育系和恢复系配置杂交组合，并对其全生育期的叶面积指数、SPAD、透光率等光合指标进行动态分析，揭示其动态变化特征和规律、相互间的关联性以及对杂交水稻产量及产量性状的调控规律，为杂交水稻生产和进一步的育种实践提供理论依据。
1. 材料与方法
1.1 供试材料与试验设计
选用华南地区育成并在生产上大面积应用的5个籼稻三系不育系‘天丰A’‘五丰A’‘荣丰A’‘泰丰A’以及新育成的优质长粒型不育系‘扬泰A’为母本，6个籼稻恢复系‘广恢998’‘广恢122’‘广恢308’‘华占’‘桂99’和‘明恢63’为父本，配置27个杂交稻组合作为供试材料。
试验于2021年晚季在广东省农业科学院广州大丰试验基地进行，设计随机区组试验，每区组3次重复。7月24日播种，8月10日插秧，每区栽插12行，每行10株，株行距为16.7 cm × 20.0 cm，单株种植，统一采用普通的大田肥水管理。水稻成熟后，调查各杂交稻组合及亲本的生育期并各取10株正常单株进行室内考种。考察单株穗数、单株实粒数、结实率、千粒质量和单株实收产量。
1.2 单株茎蘖数动态调查
移栽后10、15、20、25、30、35、43、50和60 d调查10株水稻的单株分蘖数，并记录水稻所处的主要生长发育阶段，如分蘖期、幼穗分化期、抽穗期和成熟期等。水稻不同生育时期的划分参照丁颖[31]的标准。
1.3 叶面积指数和透光率测定
移栽后15、20、30、43、50、60、76和90 d，选择生长发育进程一致的10株水稻单株，利用美国生产的LI-COR LAI-2200C型植物冠层分析仪在田间活体无损测定杂种群体及其相应亲本群体的叶面积指数。移栽后20、38和68 d，在水稻生长的前、中、后期共测定3次群体透光率。此外，根据各杂种组合各生育期的实测数据，利用插值法估算出其移栽后30、43、60和76 d的透光率。
1.4 叶片SPAD测定
移栽后15、20、30、43、50、60和76 d利用日式叶绿素仪SPAD-502测定叶片SPAD。分别选取10株生长发育进程一致的单株，选定单茎顶部三叶的相同部位，即每张叶片的中部及上、下3 cm处，共选3个点进行无损测量，取平均值。
1.5 数据分析方法
利用DPS_7.05软件对试验数据进行方差分析，利用Duncan’s新复极差法进行多重比较，利用SPSS_27.0软件进行相关性分析及线性拟合，采用OriginPro 2021软件作图。
2. 结果与分析
2.1 不同亲本杂种后代光合参数的动态变化
2.1.1 分蘖
图1显示，移栽后20 d所有杂交组合的茎蘖数差异不显著。每穴茎蘖数自移栽后快速上升，并于25 d时达到峰值，此时为杂种分蘖盛期。但20 d处有1个回落低谷，主要是因为分蘖盛期遇连续阴雨天气，分蘖加速衰亡。此后随着生育进程推进，小分蘖不断衰亡，茎蘖数逐渐减少，至始穗期(移栽后60 d)开始进入平稳状态。从几个不育系配置的杂交组合来看，分蘖盛期(移栽后20 d)前，‘天丰A’‘五丰A’组合的分蘖力更强，单株茎蘖数多。其次是‘荣丰A’‘泰丰A’组合(图1A)。几个恢复系配置的杂交组合中，‘广恢998’‘广恢308’组合在分蘖盛期前的分蘖速率最快、茎蘖数最多，而且后期也保持较多的茎蘖数；说明这2个恢复系配置的组合具有很好的早生快发性。‘华占’‘广恢122’组合前期分蘖较慢，但后期茎蘖数和单株有效分蘖数较多，与前期研究结果[32]一致。‘明恢63’组合前期分蘖速率中等，从分蘖盛期至幼穗分化后期(移栽后30~50 d)，分蘖速度明显高于其他组合，但后期茎蘖数下降较快，说明无效分蘖较多，成穗率低(图1B)。
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图 1 不同亲本杂种后代群体单株茎蘖数的动态变化Figure 1. Dynamic changes of tillers per plant of hybrid populations derived from different parents2.1.2 叶面积指数
如表1所示，各组合的叶面积指数自移栽后快速增长，并于幼穗分化后期(移栽后50 d)达到最高(‘广恢122’组合于始穗期达到最高)，之后进入回落期。分蘖前期(移栽后15 d)各组合叶面积指数差异不显著。分蘖盛期前‘广恢122’组合的叶面积指数偏低，这一结果与‘广恢122’恢复系本身叶面积指数较低、分蘖较慢有关[32]。叶面积指数达到1.0时，标志水稻群体基本覆盖整个稻田，群体漏光减少。表1显示，所有组合的叶面积指数均在移栽后20 d之前达到1.0。‘明恢63’和天丰优组合达到1.0的时间略早，而‘广恢122’组合略迟。从叶面积指数的动态变化过程来看，由于亲本‘明恢63’叶片宽大，其组合的叶面积指数也相对较大，其次是‘天丰A’‘扬泰A’‘五丰A’‘广恢998’和‘广恢308’组合。‘华占’组合的叶面积指数相对较低。
表 1 不同亲本配置杂交组合在不同移栽后天数的叶面积指数动态变化1)Table 1. Dynamic changes of leaf area indexes of hybrids derived from different parents on different days after transplanting亲本 Parent 15 d 20 d 30 d 43 d 50 d 60 d 76 d 90 d 天丰A Tianfeng-A 0.72±0.28a 1.27±0.20a 3.24±0.51b 4.85±0.70ab 5.52±0.75ab 5.37±0.64a 3.78±0.72ab 3.15±0.54ab 五丰A Wufeng-A 0.76±0.24a 1.24±0.18ab 3.19±0.58b 4.74±0.70ab 5.48±0.73ab 5.15±0.72abc 3.31±0.55bc 2.83±0.54abc 荣丰A Rongfeng-A 0.76±0.23a 1.17±0.28ab 3.14±0.52bc 4.71±0.77ab 5.16±0.66b 4.82±0.63abc 3.26±0.57bc 2.58±0.48c 泰丰A Taifeng-A 0.68±0.27a 1.12±0.22ab 3.27±0.43ab 4.72±0.39ab 4.94±0.62b 4.88±0.38abc 3.32±0.46bc 2.72±0.43bc 扬泰A Yangtai-A 0.82±0.34a 1.26±0.20ab 2.84±0.38bc 4.54±0.42b 4.94±0.48b 4.72±0.53c 3.22±0.53bc 2.63±0.55c 广恢998 R998 0.74±0.25a 1.25±0.24ab 3.27±0.43ab 4.69±0.72ab 5.12±0.54b 4.95±0.57abc 3.93±0.52bc 2.64±0.40c 广恢122 R122 0.70±0.26a 1.05±0.26b 2.71±0.32c 4.50±0.67b 5.03±0.78b 5.14±0.77abc 3.34±0.50bc 2.92±0.49abc 广恢308 R308 0.76±0.29a 1.19±0.21ab 3.07±0.59bc 4.49±0.74b 5.28±0.52b 4.72±0.50c 3.31±0.54bc 2.85±0.54abc 华占 Huazhan 0.72±0.32a 1.15±0.24ab 2.87±0.52bc 4.35±0.77b 5.16±0.35b 4.75±0.46bc 3.08±0.40c 2.48±0.45c 桂99 Gui 99 0.69±0.23a 1.10±0.20ab 3.24±0.47b 4.54±0.53b 5.48±0.82ab 4.95±0.67abc 3.47±0.87ab 2.78±0.73bc 明恢63 Minghui 63 0.73±0.23a 1.29±0.21a 3.69±0.47a 5.28±0.73a 5.93±0.73a 5.34±0.74ab 3.93±0.41a 3.26±0.27a 1) 同列数据后的不同小写字母表示不同亲本配置杂交组合间差异显著(P<0.05，Duncan’s法)
1) Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among different hybrids derived from different parents (P<0.05, Duncan’s method)2.1.3 SPAD
不同杂交组合SPAD的多重比较结果见表2，各组合SPAD从移栽后逐步走低，即移栽后的SPAD为最大值，此后逐渐缓慢下降。植株分蘖后期至始穗期(移栽后30~60 d)，叶片SPAD相对稳定。此后，随着水稻发育，SPAD进入快速下降期。另外一个比较明显的特点是，杂交稻生长发育前期，即幼穗分化前期(移栽后50 d)，除长生育期的‘明恢63’和‘桂99’组合的SPAD略低外，组合间叶片SPAD差异不显著。而在杂交稻生长发育后期的抽穗扬花期至灌浆结实期(移栽后76~90 d)，各组合SPAD差异显著。前期叶片SPAD较低的‘明恢63’组合，后期则显著高于其他杂交组合；可能与其叶片内光合物质转运缓慢或转化效率低下有关。与其相反，营养物质转化效率高的‘华占’和‘广恢308’组合，后期SPAD却显著低于其他组合。
表 2 不同亲本配置杂交组合在不同移栽后天数的SPAD动态变化1)Table 2. Dynamic changes of SPAD of hybrids derived from different parents on different days after transplanting亲本 Parent 15 d 20 d 30 d 43 d 50 d 60 d 76 d 90 d 天丰A Tianfeng-A 43.08±1.27abc 41.84±1.71a 39.81±1.99a 38.57±1.67a 40.54±1.70a 41.28±1.53ab 29.84±5.50abc 18.39±4.39ab 五丰A Wufeng-A 43.75±1.17ab 41.40±1.90a 38.82±2.26a 38.21±1.52a 39.68±2.25a 39.83±1.99bcd 26.52±4.37bcd 14.69±3.61bc 荣丰A Rongfeng-A 43.41±1.27abc 42.53±1.71a 39.89±1.74a 39.12±2.09a 40.52±1.86a 41.08±1.12abc 25.36±5.03cd 16.35±7.86abc 泰丰A Taifeng-A 43.73±0.99ab 42.10±2.66a 40.63±1.99a 39.74±0.98a 40.78±0.99a 40.72±1.12abc 26.31±3.56bcd 16.91±3.18abc 扬泰A Yangtai-A 43.78±1.76ab 42.48±1.28a 39.30±1.86a 39.47±1.03a 40.69±1.21a 40.64±2.11bcd 26.80±4.18bcd 16.83±2.19abc 广恢998 R998 43.35±1.28abc 41.23±1.84a 40.18±2.14a 39.01±1.80a 40.73±1.18a 41.23±1.09ab 28.11±4.60bcd 16.52±3.55abc 广恢122 R122 44.50±1.23a 42.83±1.47a 39.98±2.04a 39.15±1.51a 40.51±1.49a 40.83±1.74abc 29.28±4.94abc 17.48±4.04ab 广恢308 R308 43.23±1.37abc 42.05±1.46a 40.06±2.06a 39.53±2.04a 40.71±0.61a 39.79±1.94bcd 22.74±2.64d 14.98±9.30bc 华占 Huazhan 43.70±1.08ab 41.99±1.30a 39.46±2.08a 38.76±2.69a 39.72±2.06a 39.35±1.94d 23.09±5.47d 12.44±3.57c 桂99 Gui 99 43.16±1.48bc 42.25±1.88a 39.78±1.99a 39.97±1.11a 39.67±2.12a 41.53±1.47a 33.26±5.50a 20.91±4.42a 明恢63 Minghui 63 42.18±1.47c 41.24±2.67a 39.21±2.13a 36.41±1.89b 36.59±4.38b 39.59±1.36cd 29.94±4.55ab 20.35±3.21a 1) 同列数据后的不同小写字母表示不同亲本配置杂交组合间差异显著(P<0.05，Duncan’s法)
1) Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among different hybrids derived from different parents (P<0.05, Duncan’s method)2.1.4 透光率
透光率测定结果如图2所示。随着时间推移，群体透光率呈逐步下降趋势。前期(分蘖盛期前，移栽后20 d)不同亲本来源杂交组合间透光率差异极显著(P<0.01)。透光率最小的是扬泰优组合和‘广恢998’组合，分别为26.07%和28.54%；透光率最大的为‘华占’组合，达34.23%；其他组合居中。中期(幼穗分化前，移栽后38 d)各组合透光率差异不显著(F=0.702，P>0.05)。后期(抽穗扬花期，移栽后68 d)各组合透光率差异显著(F=1.882，P<0.05)，‘扬泰A’组合的透光率最大，为6.38%；其次是‘广恢308’‘华占’和‘广恢122’组合；‘明恢63’组合的透光率最小。特别地，‘扬泰A’组合前期透光率最低，后期透光率最高，与其株型有关，‘扬泰A’叶片宽大，群体茎蘖覆盖率高，光合面积大，后期叶片直立上举，群体通透性好，光合作用强，呼吸消耗少，有利于其杂交组合产量提高。‘广恢998’‘广恢308’‘天丰A’组合具有同样特性。‘明恢63’组合后期透光率最低，说明后期群体依然较为荫蔽，通风透光性差，呼吸消耗多，贪青，营养物质转化不畅顺。‘华占’和‘广恢122’等组合的透光率在前中后期均处于较高水平。
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图 2 不同亲本配置杂交组合在不同移栽后天数群体透光率的动态变化Figure 2. Dynamic changes of light transmittance rate in different hybrid populations derived from different parents on different days after transplanting2.2 不同亲本来源杂交组合产量性状表现
对不同亲本来源杂种F1代的产量性状进行多重比较(表3)，‘明恢63’‘天丰A’‘桂99’配置的杂种的生育期较长，与其他组合差异显著。而扬泰优组合的生育期则显著短于其他亲本组合；泰丰优组合单株有效穗数最多，达8.78，显著高于其他组合。荣丰优、‘明恢63’‘广恢308’组合的单株穗数相对较少；五丰优、‘华占’‘广恢308’‘广恢998’组合的单株实粒数较多，而‘明恢63’‘桂99’和天丰优组合的单株实粒数较少；结实率方面，扬泰优、‘华占’、五丰优和荣丰优组合的结实率较高，天丰优组合相对较低；‘明恢63’‘荣丰A’‘天丰A’‘扬泰A’所配组合的千粒质量较大，显著高于其他亲本组合；不同亲本组合的平均产量差异性不大，扬泰优和五丰优组合的产量相对较高，而‘明恢63’组合的平均产量最低(表3)。
表 3 不同亲本配置杂交组合的生育期及产量性状差异性分析1)Table 3. Differences in growth stage and yield-related traits of hybrids from different parents亲本
Parent生育期/d
Growth stage单株穗数
Tillers per plant单株实粒数
No. of filled grains结实率/%
Seed setting ratio千粒质量/g
1000-grain weight产量/(t·hm−2)
Grain yield天丰A Tianfeng-A 102.8±0.46a 7.42±0.14bc 874.3±26.6de 64.35±0.72e 24.69±1.85a 6.54±0.11bc 五丰A Wufeng-A 97.94±0.55c 7.89±0.16bc 1079.5±31.9a 74.44±1.18ab 22.64±1.38b 7.27±0.15a 荣丰A Rongfeng-A 98.78±0.45bc 7.24±0.13c 894.1±22.9cde 73.11±0.92abc 24.89±1.49a 6.76±0.13abc 泰丰A Taifeng-A 98.67±0.56bc 8.78±0.19a 981.5±25.7abc 69.45±1.06cd 22.22±0.64c 6.53±0.20bc 扬泰A Yangtai-A 95.17±0.60d 7.88±0.19bc 990.2±27.8abc 76.12±1.58a 24.36±0.49a 7.20±0.22a 广恢998 R998 99.93±0.71b 7.97±0.19b 992.8±29.3abc 71.84±1.09abc 22.81±1.59cd 6.91±0.16abc 广恢122 R122 98.93±0.63bc 7.95±0.16b 952.9±25.8bcd 70.50±1.40bcd 23.67±1.09bc 6.78±0.16abc 广恢308 R308 97.78±1.05c 7.28±0.22c 1034.2±33.6ab 73.09±2.07abc 22.14±1.70de 7.08±0.14ab 华占 Huazhan 97.67±0.96c 7.58±0.14bc 1051.2±41.3ab 74.47±2.42ab 21.29±1.86e 7.06±0.18ab 桂99 Gui 99 100.80±0.89ab 7.57±0.26bc 892.9±47.5cde 68.34±2.09cde 24.64±1.17b 6.82±0.27abc 明恢63 Minghui 63 104.20±0.46a 7.26±0.27c 789.1±32.8e 67.73±1.63de 26.91±1.37a 6.33±0.21c 1)同列数据后的不同小写字母表示不同亲本配置杂交组合间差异显著(P<0.05，Duncan’s法)
1) Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among different hybrids derived from different parents (P<0.05, Duncan’s method)2.3 杂种后代不同发育阶段光合参数动态变化对杂种产量性状的影响
植物的光合作用通过植物各光合因子协调作用完成，利用光能合成营养物质，转运到籽粒中，最终以产量的形式体现。研究不同发育阶段叶面积指数、SPAD和透光率等参数的动态变化，有利于了解在不同发育阶段，这些参数对杂交水稻产量及产量性状的影响。试验分析了不同生长发育阶段的茎蘖数、叶面积指数和SPAD与杂种后代产量及产量性状的动态关联性，结果见表4。
表 4 杂交后代在不同移栽后天数光合参数与产量性状的相关性分析1)Table 4. Correlation between photosynthetic parameters and yield-related traits of hybrid combinations on different days after transplanting光合参数
Photosynthetic parameter10 d 15 d 20 d 25 d 30 d 43 d 50 d 60 d 76 d 90 d 产量 Grain yield TPP 0.368** 0.483** 0.388** −0.030 −0.012 −0.110 −0.261* 0.407** 0.531** — LAI — 0.094 0.296** — −0.137 0.191 0.116 0.255* −0.312** −0.169 SPAD — 0.294** −0.032 — −0.202 0.278* 0.361** 0.057 −0.339** −0.425** 单株实粒数 No. of filled grains per plant TPP 0.258* 0.272* 0.267* −0.018 0.013 −0.044 −0.099 0.524** 0.578** — LAI — 0.025 0.108 — −0.272* −0.067 −0.025 0.063 −0.335** −0.217* SPAD — 0.330** −0.079 — −0.169 0.291** 0.370** −0.076 −0.401** −0.485** 结实率 Seed setting ratio TPP −0.023 0.057 −0.071 −0.150 −0.145 −0.168 −0.324** −0.059 0.053 — LAI — 0.122 0.038 — −0.120 −0.089 −0.081 −0.280** −0.416** −0.443** SPAD — 0.043 0.005 — −0.078 0.108 0.139 0.244* −0.453** −0.337** 千粒质量 1000-grain weight TPP 0.030 0.152 0.049 0.059 −0.002 0.013 −0.069 −0.344** −0.376** — LAI — 0.094 0.224* — 0.301** 0.409** 0.277* 0.288** 0.278* 0.244* SPAD — −0.246* 0.025 — −0.100 −0.164 −0.198 0.164 0.300** 0.342** 1) TPP：单株茎蘖数，LAI：叶面积指数；“*”“**”分别表示在P < 0.05和P < 0.01水平相关性显著(Pearson法)；“—”表示未获得数据
1) TPP: Tillers per plant, LAI: Leaf area index; “*” and “**” indicate significant correlations at P < 0.05 and P < 0.01 levels respectively (Pearson method); “—” indicates no available data2.3.1 茎蘖数与产量性状的相关性
分蘖盛期前(移栽后10、15、20 d)的茎蘖数与产量呈极显著正相关(P < 0.01)，相关系数分别为0.368、0.483和0.388；与单株实粒数呈显著正相关(P < 0.05)，与杂种结实率和千粒质量相关性不显著。此时水稻即将进入分蘖盛期，说明前期分蘖力强、早生快发性好的杂交组合能获取高产主要通过提高单株实粒数实现。幼穗分化后期(移栽后50 d)茎蘖数与产量显著负相关，相关系数为−0.261，与结实率极显著负相关，相关系数为−0.324。幼穗分化期茎蘖数多，说明无效分蘖消亡慢，无效分蘖过多消耗了部分营养物质，导致结实率下降，从而影响产量。杂种抽穗扬花期至灌浆结实期(移栽后60、76 d)的茎蘖数与产量呈极显著正相关，相关系数分别为0.407和0.531，与单株实粒数也呈极显著正相关，相关系数分别为0.524、0.578，而与千粒质量呈极显著负相关，相关系数分别为−0.344、−0.376。此时群体分蘖处于停滞状态(图1)，其茎蘖数即为单株有效穗数。杂种后期有效穗多，千粒质量会相应减小，但单株实粒数极显著增加，从而极显著地增加杂种组合产量；单株穗数的增产作用通过提高单株实粒数来实现。
2.3.2 叶面积指数与产量性状的相关性
分蘖盛期前(移栽后20 d)群体叶面积指数与产量呈极显著正相关，相关系数为0.296，同时与千粒质量呈显著正相关，相关系数为0.224；说明前期叶面积系数通过提高结实率使杂种产量相应提高。始穗期(移栽后60 d)杂种群体叶面积指数与产量呈显著正相关，相关系数为0.255，与千粒质量呈极显著正相关，相关系数为0.288，但与结实率呈极显著负相关，相关系数为−0.280，此时群体叶面积系数增加，会一定程度上降低结实率，但能显著提高千粒质量，从而提高产量。灌浆结实期(移栽后76 d)杂种群体叶面积指数虽然与千粒质量呈显著正相关，相关系数为0.278，但与结实率、单株实粒数和产量极显著负相关，相关系数分别为−0.419、−0.335和−0.312。结果说明后期叶面积指数过高，虽然杂种千粒质量会适当增大，但其结实率和单株实粒数极显著下降，造成产量极显著减少；进一步说明，杂交稻生长后期，叶片过多，群体隐蔽，呼吸作用强，消耗过多营养，会造成杂种结实率下降，从而影响产量。
2.3.3 SPAD与产量性状的相关性
分蘖前期(移栽后15 d)杂种叶片SPAD与产量呈极显著正相关，相关系数为0.294，与千粒质量显著负相关，相关系数为−0.246，与单株实粒数极显著正相关，相关系数为0.330。此时虽然千粒质量显著减小，但极显著地增加了单株实粒数，从而达到增产的目的。幼穗分化期(移栽后43、50 d) SPAD与产量呈显著和极显著相关，相关系数分别为0.278、0.361，与单株实粒数极显著正相关，相关系数分别为0.291、0.370；说明进入幼穗分化期后，杂种叶片SPAD越高，单株实粒数越多，产量越高，SPAD通过提高杂种单株实粒数来提高产量。灌浆结实期(移栽后76、90 d)是群体SPAD快速下降期(表2)，杂种SPAD与产量呈极显著负相关，相关系数分别为−0.339、−0.425，与单株实粒数和结实率呈极显著负相关，相关系数分别为−0.401、−0.485，−0.453、−0.337，但与千粒质量呈极显著正相关，相关系数分别为0.300、0.342；说明生育后期，SPAD下降慢，植株贪青，虽然有利于籽粒充实度、千粒质量增加，但对单株实粒数和结实率存在极显著的负效应，造成减产。前人研究[33-36]也表明水稻抽穗扬花后叶片开始衰老，此时如果功能叶片SPAD下降慢，即SPAD过高，不利于光合作用产物的积累，会抑制结实率和产量的提高及稻米品质的提升。
2.3.4 透光率与产量性状的相关性
不同时期杂种群体透光率与产量性状的相关性见表5。前期和中期，即分蘖盛期前和幼穗分化前期(移栽后20、38 d)，杂种群体透光率与产量呈极显著负相关，相关系数分别为−0.384、−0.282，且分蘖盛期前的透光率与千粒质量显著负相关，相关系数为−0.269；说明前期和中期杂种群体透光率越大，漏光就越严重，对千粒质量和产量的影响就越大。生育后期(灌浆结实期，移栽后68 d)群体透光率与产量相关性不显著，与千粒质量呈极显著负相关，相关系数为−0.341，与结实率呈极显著正相关，相关系数为0.295；说明生长后期通透性好，杂种结实率显著提高，千粒质量适当减小，减产不明显。
表 5 杂种后代不同移栽后天数透光率与产量性状的相关性1)Table 5. Correlation between light transmittance rate and yield traits of hybrid progenies on different days after transplantingt移栽后/d
Days afler transplanting单株实粒数
No. of filled grains per plant结实率
Seed setting ratio千粒质量
1000-grain weight产量
Grain yield20 −0.128 −0.079 −0.269* −0.384** 38 −0.196 −0.077 −0.096 −0.282** 68 0.034 0.295** −0.341** −0.195 1)“*”“**”分别表示在P < 0.05和P < 0.01水平差异显著(Pearson法)
1) “*” and “**” indicate significant differences at P < 0.05 and P < 0.01 levels respectively (Pearson method)2.4 光合参数与杂种产量的线性拟合
为了更好地对杂种稻产量进行早期预测和产量调控，将表4、5中与杂种产量呈极显著相关的光合参数与产量进行线性拟合，并作线性回归散点图，见图3。分蘖盛期前(移栽后10、15、20 d)杂种单株茎蘖数与产量的线性回归方程分别为
$y_{10} $ =0.28x+4.92、y15=0.22x+4.68、y20=0.22x+4.82(图3A)，相关系数分别为0.368、0.483和0.388，三者的截距和斜率相近，特别地，移栽后15和20 d回归方程的斜率相同；说明分蘖盛期前利用单株茎蘖数对杂种产量进行早期预测具有较好的一致性和稳定性。同样地，分蘖期(移栽后15 d)和幼穗分化后期(移栽后50 d)SPAD与产量的线性回归方程分别为y15=0.14x+0.32和y50=0.12x+1.79，相关系数分别为0.294和0.361(图3B)。分蘖期叶面积指数与产量的线性回归关系为y20=1.02x+5.40，相关系数为0.296(图3C)；透光率与产量性状在分蘖盛期前和幼穗分化前期(移栽后38 d)的直线回归关系分别为y20=−4.73x+8.07和y38=−6.36x+7.23，相关系数分别为−0.282和−0.384(图3D)。![]()
图 3 不同光合参数与杂种产量的线性拟合Figure 3. Linear fitting of different photosynthetic parameters to hybrids’ grain yield2.5 光合参数之间的动态关联性分析
为了解各光合参数之间的相互关系，将各时期的光合参数进行Pearson相关分析(双尾)，结果见表6，利用插值法对透光率的部分数据进行估算。单株茎蘖数是群体叶面积指数的形成因素之一。除移栽后50、76 d外，其他时期单株茎蘖数均与叶面积指数呈显著或极显著正相关；说明单株茎蘖数越多，群体叶面积指数越大。单株茎蘖数与透光率的关系则相反，为负相关；除幼穗分化前期(移栽后43 d)和灌浆结实期(移栽后76 d)相关性未达显著水平外，其余均达到极显著水平。单株茎蘖数与SPAD的相关性比较紊乱，前期(分蘖期)和后期(灌浆结实期)极显著和显著负相关，中期相关性不强。同样，SPAD与叶面积指数除在分蘖后期(移栽后30 d)、灌浆结实期显著和极显著正相关外(相关系数分别为0.253、0.378)，其余阶段均相关性不强。SPAD与透光率的关系也是这样，除在幼穗分化前期(移栽后43 d)和灌浆结实期(移栽后76 d)极显著和显著负相关外(相关系数分别为−0.301、−0.220)，其余发育阶段均关联性不强。这种现象可能与SPAD自身的动态变化规律有关，杂种叶片SPAD在分蘖后期至始穗期(移栽后30~60 d)保持相对稳定，即经历一段平缓期。叶面积指数与透光率的相关性则极为明显，除移栽后50 d没有获得透光率数据外，其余生长发育阶段两者均为极显著负相关。相关系数介于−0.643~−0.340(表6)。二者的指数型曲线拟合方程为y=4.783−1.254lgx，相关系数为−0.8503，决定系数R2为0.723，y为叶面积指数，x为透光率(图4)。
表 6 不同移栽天数光合参数间的动态相关性分析1)Table 6. Dynamic correlation between photosynthetic parameters on different days after transplanting移栽天数/
d光合参数
Photosynthetic parameterSPAD 单株茎孽数(TPP)
Tillers per plant透光率(LTR)
Light transmittance rate20 叶面积指数(LAI)
Leaf area index−0.054 0.456** −0.413** SPAD 1 −0.359** −0.033 TPP 1 −0.485** 30 LAI 0.253* 0.426** −0.340** SPAD 1 0.212 0.082 TPP 1 −0.300** 43 LAI 0.010 0.224* −0.452** SPAD 1 −0.061 −0.301** TPP 1 −0.195 50 LAI −0.130 0.119 — SPAD 1 0.188 — TPP 1 — 60 LAI −0.059 0.269* −0.643** SPAD 1 0.183 −0.030 TPP 1 −0.300** 76 LAI 0.378** −0.130 −0.491** SPAD 1 −0.427* −0.220* TPP 1 −0.166 1)“*”“**”分别表示在P < 0.05和P < 0.01水平显著相关(Pearson法)；“—”表示未获得数据
1) “*” and “**” indicate significant correlations at P < 0.05 and P < 0.01 levels respectively (Pearson method); “—” indicates no available data3. 讨论
3.1 杂交水稻早生快发性对光合参数和产量的影响
水稻产量三要素中，实粒数对产量的贡献最大，有效穗通过实粒数发挥较大的间接作用[37]。分蘖力强、茎蘖数多的杂交稻组合相对于大粒大穗型组合具有较好的产量稳定性和广泛的生态适应性。丰产性与稳产性相结合是杂交稻高产育种和生产实践的最重要目标[38]。黄耀祥院士早在1983年就倡议进行丛生快长型水稻育种研究[39]。在季风气候的亚洲地区，强分蘖力的水稻能够产生足够的有效穗，在适宜的种植密度下，其叶面积指数和产量都有较大程度的提高[29]。杂交水稻在基本苗少、叶面积小一至几倍的情况下能迅速赶超常规品种，主要原因有三点：分蘖早而快；茎蘖数多，因而绿叶数多；单叶面积大，叶片长而宽[28]。本研究表明，杂交稻生育早期的茎蘖数与其杂种产量均极显著正相关，同时与叶面积指数极显著正相关，与透光率极显著负相关；说明分蘖力强、早生快发性好的杂交稻品种能够短时间内获得较多的茎蘖数，快速提高叶面积指数，形成强大而有效的光合冠层，减少群体透光率，增强作物对光能的截获量，提高作物生长率和群体光能利用率，最终提高作物产量。一个较为典型的反面例证就是，光合速率和光能转化效率均明显高于广东本地稻‘七桂早’和‘桂朝2号’的美国稻‘Lemont’，在广东种植的产量却只有当地品种的60%~70%；原因主要是早生快发性差，分蘖弱，叶面积指数发展太慢，光能截获能力差[5]。因此，在育种实践中，应特别注重早生快发性好、分蘖力强的杂交组合的选育；这样秧苗移栽后返青快，进入分蘖时期早，茎蘖数多，后期有效穗数多，进而单株实粒数增多，产量升高。本研究中，‘天丰A’‘五丰A’‘广恢998’‘广恢308’的早生快发特性比较突出。但是，并不是所有生长发育时期的茎蘖数越多越好，本研究表明，分蘖盛期至幼穗分化后期的茎蘖数与产量呈负相关，特别是幼穗分化后期的茎蘖数与产量显著负相关。如果这段时间茎蘖数较多，说明无效分蘖消亡慢，无效分蘖过多，叶面积指数过大，透光率过低，下部叶片接受太阳光少，光合作用弱，呼吸作用过强，消耗部分营养物质，造成植株结实率下降，从而影响其杂种产量。另外一季中恢复系‘明恢63’所配置的组合，在广州作晚造种植，由于生育期缩短，叶片长大垂披，虽然前期叶面积指数大，但后期转色慢，荫蔽严重，产量潜力不能发挥。因此，分蘖中后期应结合排水晒田等田间管理措施，减少无效分蘖，提高成穗率和有效穗数，达到高产稳产目的。同时，在株型上要求前期集散适中，叶片多且适度披散，以提高叶面积指数；后期株型中集，上部功能叶片挺直上举，从而有利于光能利用率的提高[32]。
3.2 利用光合参数对杂交水稻产量进行早期预测
水稻产量很大部分由叶片的光合作用决定[21]，林荣呈等[2]研究表明植物干质量的90%~95%来自其光合产物。因此对作物光合作用的研究非常重要。一方面可以了解作物光合作用的机理，包括作物对光能的吸收、传递和转换机制，从而进行氮素管控等，以提高产量、改善品质；另一方面，通过测量光合参数，分析光合参数与产量等的紧密相关程度，对作物的产量和品质进行预测评估。Ramesh等[18]认为水稻移栽后79 d(灌浆结实期)的SPAD与产量显著相关。因此可根据水稻生长发育时期的叶片SPAD来对产量进行预测。段红霞等[40]分析了水稻剑叶SPAD和产量的变化规律以及不同时期SPAD与产量的关系，得出移栽后82、89和96 d的SPAD与水稻产量存在显著的线性关系，提出可根据水稻剑叶SPAD表征产量变化。黄影华等[41]通过开展不同生育期水稻品种功能与产量的相关性研究，认为在分蘖期进行水稻产量预测的效果最佳。刘彦卓等[42]、郭晓彦等[33]也认为可以通过叶片SPAD来预测植株最终产量。王志东等[24]、张丽等[25]研究认为SPAD与稻米蛋白质含量关系密切，并建立线性方程对食味品质进行评估。鲍巨松等[26]认为作物(玉米)产量与叶面积指数和透光率密切相关，两者变化规律可用二次曲线表示。本研究通过叶面积指数、SPAD、透光率等光合参数的动态变化以及它们与产量及产量性状的相关性研究，利用与杂种产量相关性极显著的光合参数作出与产量的线性回归方程，从而实现对杂种产量的早期预测，将产量的预测时间提早到移栽后的38 d内，处于分蘖后期至幼穗分化前期，与黄影华等[41]的结论一致。早期产量预测之所以可行，笔者认为与杂交稻的早生快发性有很大的关联性。杂交水稻一般在秧苗期就启动分蘖，茎蘖数在较短的时间内就能达到峰值。杂交稻本身叶片宽大，伴随着茎蘖数快速增多，叶面积指数急速增大，透光率快速降低，能够在较短时间内达到丰产所需要的苗架。此外，相对于中后期预测，早期预测具有更为重要的生产意义，通过早期预测能较早地发现作物生产过程中存在的问题，及时采取措施(如氮素调控等)对群体生长发育进行管控，较好地达到预期的目标产量。而在作物生长发育的中后期，植株群体基本定型，管控措施的时效性大打折扣，效果相对较差。再者，水稻等大田作物的产量受环境条件的影响较大，时间跨度大，对产量的预测难免存在偏差，此时可以利用多个光合参数进行相互验证和校正。
3.3 叶面积指数与透光率的相互关系
前人对光合参数间相互关系的研究相对较少。有研究曾报道水稻叶面积指数和透光率存在lgLTR=−kLAI的指数性关系，其中k为消光指数[39]。黄耀祥等[30]的研究也表明水稻群体透光率随叶面积指数增加呈指数规律降低。本研究发现叶面积指数(y)与透光率(x)呈极显著负相关，二者的曲线拟合方程为y=4.783−1.254lgx，相关系数为−0.850 3，决定系数R2为0.723，与前期研究结果相符，且增加了一个作为截距的常数项。本研究中的决定系数不是很大，可能与实测的透光率次数较少有关。透光率的日变化随太阳高度角的大小而变化，但不同天气对透光率的影响甚大，阴天或多云天气时透光率比晴天明显减小。即使是在典型晴天进行测量，天空中漂浮的白云或者微风轻拂都会对透光率造成较大的影响。故要全面地阐明水稻群体透光率的变化规律，应选择无风无云的典型晴朗天气，并尽量在较短时间内测量完毕。
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图 4 叶面积指数与透光率的相关关系Figure 4. Correlation between leaf area index and light transmittance rate4. 结论
1) 茎蘖数自移栽后直线上升，于移栽后25 d达到峰值。此后茎蘖数逐渐减少，于始穗期(移栽后60 d)进入平稳期。‘天丰A’‘五丰A’‘广恢998’和‘广恢308’组合的前期分蘖力强，茎蘖数多，叶面积指数大，早生快发性好。杂种叶片SPAD自移栽后缓慢下降，亦于始穗期(移栽后60 d)后进入快速下降期。群体透光率随时间推移呈逐步下降趋势，‘扬泰A’‘广恢998’等组合前期透光率相对较低，后期透光率相对较高，有利于植株光合作用和产量提高。
2) 不同生长发育阶段，光合参数通过影响杂交稻不同产量性状来影响杂种产量。光合参数与杂种产量拟合的回归方程能较好地对杂交水稻早期产量进行预测。
3) 单株茎蘖数、叶面积指数和透光率三者的关联性较强，单株茎蘖数与叶面积指数正相关，与透光率负相关。叶面积指数(y)与透光率(x)负相关，二者的关系可表述为y=4.783−1.254lgx。
致谢：本研究得到钟旭华博士、傅友强博士和刘锦华同志的大力支持与帮助，诚挚感谢！
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表 1 影响猪重要经济性状的主效基因
基因 性状 适用猪种 兰定尼受体(RYR1) 恶性高温综合症 所有品种 酸肉基因(PRKAG3) pH/肉色 汉普夏 GP基因(PHKG1) 糖原酵解潜能 杜洛克 类胰岛素生长样因子2(IGF2) 肌肉生长和脂肪沉积 杜洛克、大白等 黑皮质激素受体4(MC4R) 背膘厚/日增重 所有品种 核受体亚家族6, 组A, 成员1(NR6A1) 决定猪的脊椎数，影响猪体长 合成系 vertnin蛋白(VRTN) 决定猪的脊椎数，影响猪体长 所有品种 岩藻糖基转移酶(FUT1) 大肠杆菌F18侵染的抗性 所有品种 黏蛋白13(MUC13) 大肠杆菌F4ac侵染的抗性 所有品种 精子鞭毛2(KPL2) 精子短尾不育症 所有品种 
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