利用F2:3和BC2F2群体定位水稻粒型和粒重QTL

邹德堂，刘忠良，赵宏伟，孙健，郑洪亮，陈宾宾，刘博文

（东北农业大学农学院，哈尔滨 150030）

利用F2:3和BC2F2群体定位水稻粒型和粒重QTL

邹德堂，刘忠良，赵宏伟，孙健，郑洪亮，陈宾宾，刘博文

（东北农业大学农学院，哈尔滨 150030）

以两个粳稻品种东农425和长白10为亲本，建立分别含有180、190个株系的F2:3和BC2F2群体，构建两张含有137个SSR标记的遗传图谱，对水稻粒长、粒宽、粒厚、长宽比和千粒重5个性状进行QTL定位分析。结果表明，检测到分布于水稻1、2、3、5、7、8、10、11和12号染色体上，粒长15个、粒宽8个、粒厚6个、长宽比11个、千粒重10个，共50个QTL位点。其中6个QTL qGL10、qGW3-2、qGT3-2、qL/W1-2、qTGW5和qTGW8-3的贡献率较大，为控制各性状的主效QTL。两群体定位结果相互比较，在RM1235、RM1352和RM1285标记处为粒型和粒重QTL分布的热点区域。

水稻；粒型；粒重；QTL定位

水稻是重要粮食作物，世界上近半数国家种植水稻[1-2]，中国是水稻生产和消费大国，在保障稻米产量同时，对稻米品质要求越来越高，要求有良好适口性且粒型美观。水稻粒型性状不仅是重要外观品质，也对水稻产量、加工品质及其他品质有重要影响[3-6]。粒重是构成水稻产量重要组成成分之一，粒重与粒型有密切关系[7]。因此，研究水稻粒型和粒重的遗传基础，定位水稻粒型和粒重QTL，对改良稻米外观品质，提高水稻产量具有重要意义。

水稻粒型性状主要包括粒长、粒宽、粒厚、长宽比等[8]。多数遗传研究结果表明，粒型属于由多基因控制的数量性状[9-11]。近年来，已有许多关于粒型和粒重QTL定位结果报道，研究者利用多种分子标记对多种遗传群体进行QTL初步定位、精细定位及克隆[12-16]。由于利用材料不同，定位结果存在很大差异，很多定位结果需进一步考证。建立群体的亲本往往采用遗传关系较远的品种而并非生产中广泛应用品种，使定位结果很难应用于品种遗传改良，遗传理论研究与育种实践相脱节一直是QTL定位研究中的短板。

本试验采用两个优质高产粳稻品种东农425和长白10衍生的F2:3群体和BC2F2群体为试验材料，对水稻粒型和粒重进行QTL定位，旨在剖析粒型和粒重的遗传机理，找出在两个群体中同时出现的QTL，为水稻粒型和粒重QTL精细定位、图位克隆及分子标记辅助育种奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料

以东农425为母本，长白10为父本杂交得到F1单株，F1自交得到含180个株系的F2:3群体。以东农425为受体亲本，长白10为供体亲本通过一轮杂交、两轮回交和一轮自交得到190个株系的BC2F2群体。

1.2 群体性状鉴定

试验于2012年在东北农业大学香坊实验实习基地进行，4月15日播种，5月25日移栽。单行区，行长3 m，插秧规格30 cm×10 cm，田间管理同一般生产田。成熟后收获中间的3株，每个单株选取10粒饱满的种子，用电子数显游标卡尺进行粒长、粒宽、粒厚的测量，取平均值作为性状的表型值进行分析。每个单株分3次随机选取200粒种子称重，每2次称重之间误差不超过0.2 g，否则取第4次样称重，取其平均数换算成千粒重。

1.3 DNA提取和SSR标记检测

在水稻分蘖期随机选取群体中的个体挂牌，每个单珠取4～5片叶子装入带封口塑料袋，放置于-80℃超低温冰箱里备用。采用CTAB法提取水稻基因组DNA[17]。

从www.gramene.org中选择均匀分布于水稻基因组上的SSR引物，委托上海生工生物公司合成。经东农425和长白10两个亲本间SSR标记多态性试验，从中筛选两个亲本间扩增条带有差异的标记154对，去除带型不显著或不清楚的标记最后获得137个有效标记。利用筛选出的引物对两个群体DNA进行PCR扩增。

PCR反应体系为10 μL体系，包含模板DNA 1.5 μL（50 ng·μL-1），引物1.5 μL（10 ng·μL-1），2×TaqMasterMix（含染料）5 μL，ddH2O 2 μL。扩增程序为94℃预变性5 min，94℃下变性30 s，55℃下退火30 s，72℃下延伸30 s，共35个循环，然后72℃下终延伸10 min，待温度降到10℃后取出放在4℃冰箱内备用。扩增结果采用6%聚丙烯酰胺凝胶电泳及银染法检测。

1.4 QTL分析

利用SPSS17和Excel对性状表型值进行初步分析，利用Mapmaker 3.0构建分子标记连锁图谱，根据标记间的距离和顺序，采用Mapchart 2.1进行遗传连锁图谱绘制。利用构建的SSR标记遗传连锁图，结合性状表型值采用Icimapping3.1的完备区间作图法（ICIM）进行QTL检测，根据群体差异性，选择相应的定位群体类型命令进行分析，都以LOD=2.5作为QTL存在的阈值，并计算每个QTL的表型贡献率及遗传参数，QTL命名原则遵循Mc⁃Couch等方法[18]。按照Stuber等方法来判断每个QTL的基因作用方式[19]。

2 结果与分析

2.1 亲本及群体性状表现

母本东农425平均粒长8.58 mm，粒宽2.82 mm，粒厚2.12 mm，长宽比3.04，千粒重28.44 g。父本长白10平均粒长7.43 mm，粒宽3.45 mm，粒厚2.29 mm，长宽比2.15，千粒重29.44 g（见表1）。与东农425相比，长白10粒型表现为“短-宽-厚”，两亲本在粒型、粒重性状上差异显著。

表1 亲本及分离群体的性状表现Table 1 Phenotypic performance of grain traits for parents and the random population

分离群体中，各性状在两群体中变异幅度大，而在群体间又存在差异（见表1，图1）。F2:3群体中各性状变幅较BC2F2群体大，大多数单株各性状表型值在两亲本间，峰度和偏度均较小，呈现明显单峰分布，表现出双向超亲分离。而BC2F2群体中通过图1相同性状的对比可知，粒长、粒宽和长宽比3个性状表现为单向超亲分离，群体中性状表型值分布更趋向于亲本东农425，这可能与构建回交群体时东农425连续作为母本有关。而其中粒长、粒宽、长宽比的峰度和偏度都较大，特别是长宽比峰度和偏度达2.78、-1.14，表明存在主效QTL作用。其他两个性状呈现双向超亲分离，群体表现为接近正态连续分布。结果表明，这些性状为多基因控制数量性状，符合QTL作图要求。

图1 F2∶3、BC2F2群体中粒长、粒宽、粒厚、长宽比和千粒重的分布Fig.1 Distributions of grain length,grain width,grain thickness,ratio of grain length to width and thousand-grain weight in the F2∶3and BC2F2population

2.2 性状相关分析

分别在两个群体中进行性状间相关性分析，结果表明粒长和粒宽相关性不显著（见表2）。

由表2可知，粒长与粒厚在F2:3群体中无相关性，但在BC2F2群体中表现出显著正相关。粒长与长宽比呈极显著正相关，粒宽与长宽比呈极显著负相关。两个群体中粒宽和粒厚都表现出极显著正相关。其中粒宽和粒厚与产量性状千粒重表现出极显著正相关，且相关系数都比较大，而长宽比与千粒重表现出极显著负相关。粒长与千粒重呈显著正相关，但相关系数较小，分别为0.25和0.15。

2.3 QTL定位分析

利用F2:3、BC2F2两个群体在相同分子标记下构建两张遗传连锁图（见图2），两个群体采用相同分子标记，分别覆盖水稻全基因组1 685.4、1 742.4 cM，覆盖长度相近，标记顺序大同小异，标记间平均距离12.3、12.7 cM。采用Icimapping 3.1完备区间作图法对两群体粒长、粒宽、粒厚、长宽比和千粒重5个性状进行QTL检测，共检测到分布于水稻1、2、3、5、7、8、10、11和12号染色体上50个QTL位点，其中粒长15个、粒宽8个、粒厚6个、长宽比11个、千粒重10个，结果见表3、图2。

表2 各性状之间的相关系数Table 2 Correlation coefficients among each trait

表3 粒型和粒重的QTL定位和效应分析结果Table 3 Results of QTL mapping and effect analysis for grain sharp and grain weight

2.3.1 粒长

两群体共检测到粒长QTL 15个（见表3，图2），分布于水稻1、2、3、5、7、8、10、11和12号染色体上，LOD值变异范围为2.54～12.79，对表型变异贡献率范围为5.39%～26.45%。其中，qGL3-2、qGL3-3、qGL7-1、qGL8-2和qGL10表型变异贡献率较大，分别为12.62%、10.38%、10.05%、11.38%和26.45%，其中qGL10是主效QTL。qGL1-1、qGL7-1和qGL7-2增效等位基因来源于亲本长白10，其余位点增效等位基因则全部来自亲本东农425。这些基因的作用方式为加性、显性、部分显性和超显性效应。在标记RM55和RM1235附近两群体同时定位到控制粒长的QTL。

2.3.2 粒宽

两群体检测到粒宽QTL 8个，分布于2、3、5、8和11号染色体上，LOD值变异范围为2.77～21.55，对表型变异贡献率范围为5.25%～36.03%，其中，qGW2-2、qGW3-1、qGW3-2和qGW5对表型变异贡献率较大，分别为12.46%、12.11%、36.03%和12.94%，qGW3-2为主效QTL。除qGW8-2外，其余粒宽QTL增效等位基因全部来自于亲本长白10。基因的作用方式以加性效应和部分显性效应为主。在标记RM1352附近两群体同时检测到粒宽QTL。

2.3.3 粒厚

共检测到粒厚QTL 6个，分布于2、3、5和8号染色体上，LOD值变异范围2.97～6.05，对表型变异贡献率范围为9.25%～15.17%，对表型变异的贡献率都很大，而除qGT8外，其余QTL位点的增效等位基因均来自亲本长白10，基因的作用方式以部分显性效应为主。在标记RM1352处两群体同时检测到QTL位点。

2.3.4 长宽比

两群体共检测到长宽比QTL 11个，分布于1、2、3、5和11号染色体上，LOD值变异范围为2.94～7.34，对表型变异贡献率范围为5.02%～27.10%。其中qL/W1-1、qL/W1-2、qL/W3-1、qL/W3-2和qL/W5-1对表型变异贡献率分别为13.71%、27.10%、16.38%、12.34%和16.73%，qL/W1-2为主效QTL。其中4个位点（qL/W1-1、qL/W1-3、qL/W1-4和qL/W5-3）增效等位基因来自于亲本长白10，其余QTL位点的增效等位基因来自于亲本东农425。基因的作用方式以显性和超显性为主。在标记RM293处两群体同时检测到QTL位点。

2.3.5 千粒重

两群体共定位到千粒重QTL 10个，分布于1、3、5、7和8号染色体上，LOD值变异范围3.04～12.65，对表型变异贡献率范围为6.67%～37.52%。其中qTGW5-1和qTGW8-3两个位点的表型变异贡献率分别达到37.52%和30.82%，是主效QTL，而两个位点增效等位基因均来自于亲本长白10，基因的作用方式为部分显性和加性效应。在标记RM55、RM1357、RM1235处两群体都检测到影响千粒重的QTL。

图2 水稻粒型和粒重的定位结果Fig.2 Results of QTL mapping for grain sharp and grain weight in rice

3 讨论与结论

近年来研究定位水稻粒型和粒重QTL，但由于定位结果无法得到充分验证，致使相关基因精细定位及克隆较少[20]。虽然进行不同年限、不同环境下QTL定位比较，但多采用单一群体。本研究采用相同亲本构建两个群体进行研究，其中F2:3群体遗传信息丰富，回交群体又可进一步纯化遗传背景，利用两群体定位结果可进行相互验证和比较。采用的亲本是生产上广泛使用的粳稻品种东农425和长白10，将相关理论研究与育种实践相结合，以期通过标记辅助选择加速品种粒型和粒重的遗传改良培育出高产、优质新品种。

徐正进等认为粒长与粒宽和粒厚呈极显著负相关，千粒重与粒长、粒宽和粒厚呈显著和极显著正相关，千粒重主要由粒宽与粒厚决定[3]。陈冰嬬等认为粒长与粒宽几乎没有相关性，粒长和长宽比与粒重呈极显著正相关[21]。本研究与前人研究结果相同（见表2）。本研究认为，粒长与粒宽相关性不显著，显示这两个性状可能存在不同的遗传机制，在后代选择时可独立选择。千粒重与粒长显著相关，但相关性较小，其相关系数分别只有0.25和0.15，而千粒重与粒宽和粒厚的相关性却达到极显著水平，表明千粒重主要由粒宽与粒厚决定。千粒重和粒宽与长宽比呈极显著负相关，而粒长与长宽比呈极显著正相关。表明在后代选择中可以选择粒型为短-宽-厚的株系。本研究中两群体中各性状间相关性结果基本一致，只是相关系数大小不同，但粒厚与粒长和长宽比的相关性在两群体中却表现不一，在F2:3群体中粒厚与粒长表现为不相关，而在BC2F2群体中却表现为极显著正相关，粒厚与长宽比在F2:3群体中表现为极显著负相关，而在BC2F2群体中表现为不相关。这表明性状在不同群体中可能有不同遗传机制，表现出不同结果。

本研究利用相同亲本构建的两个群体，采用完备区间作图法定位大量粒型、粒重QTL位点，分布于1、2、3、5、7、8、10、11和12号染色体上。其中F2:3群体定位的QTL较多，而BC2F2群体定位的QTL较少，在10和12号染色体上F2:3群体并未检测到QTL存在，但在BC2F2群体中检测到2个控制粒长的位点qGL10和qGL12，而qGL10的贡献率达到26.45%，是一个主效QTL，与前人研究结果比较，谭耀鹏，林荔辉和林鸿宣等也在第10号染色体上定位到粒长QTL[22-23,12]。本研究中的qGL10与林荔辉等定位的qGL10位置相近。利用回交群体在3号染色体上定位到影响粒宽和粒厚的QTL位点qGW3-2和qGT3-2，两个位点贡献率分别为36.03%和15.17%，是主效QTL，两个位点都在RM1230-RM1352区间内，是同一个QTL位点。于波等在相近区间RM448-RM520、RM186-RM448内检测到控制粒宽和粒厚的QTL位点[24]。在F2:3群体中1号染色体上检测到控制长宽比的QTLqL/W1-2，其贡献率达到27.10%，为主效QTL，与谭友斌定位qLWR1位置相近，利用两群体分别在5号和8号染色体上定位到控制千粒重主效QTL位点qTGW5和qTGW8-3，其贡献率分别为37.52%和30.82%[25]。林荔辉等在5号染色体上也检测到控制粒重的QTL位点qGW5，与本研究中的qTGW5位置相近[23]。陈冰嬬等在8号染色体上也定位到粒重QTL位点qTGW8，但其位点与本研究定位的qT⁃GW8-3位置不同[21]。而其余贡献率在10%以上的QTL位点多分布于1、2、3、5、7和8号染色体上，显示这些染色体是粒型粒重QTL分布热点区域，这与赵芳明等[26]研究结果一致。

以上结果体现出两个群体的特点即F2:3群体遗传信息丰富，但受限于遗传背景干扰易于发生统计学中的两类错误，而BC2F2群体由于经过两代回交使一些QTL位点分散，但群体本身特性可减小遗传背景的影响，检测到一些隐藏有效基因[27-28]。从图谱QTL定位结果中可看到许多位点成簇分布于同一标记区间内（见图2），例如控制粒宽、粒厚和长宽比的qGW2-1、qGT2-1、qL/W2-1这3个位点都分布于RM1285-RM12865，且都来自于F2:3群体，而这3个性状在该群体中又表现为极显著相关，很可能是一因多效或者基因连锁。相似热点区间还有RM293-RM1352、RM1352-RM1320和RM1235-RM22475等。采用两群体进行相关性状定位，在热点标记处可重复检测到控制相关性状的位点，例如在1号染色体RM11119处两群体同时检测到控制长宽比的QTL位点qL/W1-2和qL/W1-4，而在3号染色体的RM55处同时检测到控制粒长和粒重的QTL位点，qGL3-1和qTGW3-1在F2:3群体中被检测到，qGL3-3和qTGW3-2在BC2F2群体中被检测到，这些位点的位置与邢永忠[11]，何予卿等[29]研究结果相近。3号染色体RM293处两群体同时定位到影响长宽比的QTL，在7号染色体RM1357处两群体同时检测到粒重QTL。还有一些主效QTL位点也在两群体中同时被检测到，例如3号染色体RM1352-RM1230区间内两群体都检测到控制粒宽和粒厚的主效QTL。在8号染色体RM1235附近两群体同时检测到影响粒长和粒重QTL位点，其中粒重QTL为主效基因。这些重复检测到的位点可信度极高，利用定位信息可为进一步精细定位并克隆相应QTL奠定基础。

[1]龙彭年.杂交水稻走向世界的现状与发展对策[J].中国稻米, 2004,11(5):6-8.

[2]Wang Y H,Li J Y.Branching in rice[J].Curr Opin Plant Biol, 2010,14:1-6.

[3]徐正进,陈温福,马殿荣,等.稻谷粒形与稻米主要品质性状的关系[J].作物学报,2004,30(9):894-900.

[4]Luo Y,Zhu Z,Chen N,et al.Grain types and related quality char⁃acteristics of rice in China[J].Chinese Rice Sci,2003,18(2): 135-139.

[5]徐建龙,薛庆中,罗利军,等.水稻粒重及其相关性状的遗传解析[J].中国水稻科学,2002,16(1):6-10.

[6]王丹英,章秀福,朱智伟,等.食用稻米品质性状间的相关性分析[J].作物学报,2005,31(8):1086-1091.

[7]王余龙,姚友礼,李昙云,等.水稻籽粒有关性状与粒重关系的初步探讨[J].作物学报,1995,21(5):573-578.

[8]曾瑞珍,Akshay,刘芳,等.利用单片段代换系定位水稻粒形QTL[J].中国农业科学,2006,39(4):647-654.

[9]张光恒,张国平,钱前,等.不同环境条件下稻谷粒形数量性状的QTL分析[J].中国水稻科学,2004,18(1):16-22.

[10]石春海,申宗坦.早籼粒形的遗传和改良[J].中国水稻科学, 1995,9(1):27-32.

[11]邢永忠,谈移芳,徐才国,等.利用水稻重组自交系群体定位谷粒外观性状的数量性状基因[J].植物学报,2001,43(8):840-845.

[12]林鸿宣,闵绍楷,熊振民,等.应用RFLP图谱定位分析籼稻粒形数量性状基因座位[J].中国农业科学,1995,28(4):1-7.

[13]Fan C C,Xing Y Z,Mao H L,et al.GS3,a major QTL for grain length and weightand minor QTL for grain width and thickness in rice,encodesa putative transmembrane protein[J].Theor Appl Genet,2006,112:1164-1171.

[14]Wan X Y,Wan J M,Jiang L,et al.QTL analysis for rice grain length and fine mapping of an identified QTL with stable and ma⁃jor effects[J].Theor Appl Genet,2006,112:1258-1270.

[15]Song X J,Huang W,Shi M,et al.A QTL forrice grain width and weight encodes a previously unknown RING-type E3 ubiquitin li⁃gase[J].Nat Genes,2007,39:623-630.

[16]Rabiei B,Valizadeh M,Ghareyazie B,et al.Identification of QTL for rice grain size and shape of Iranian cultivars using SSR mark⁃ers[J].Euphytica,2004,137:325-332.

[17]陈文岳,包劲松.一种可用于PCR分析的水稻DNA简易提取法[J].中国水稻科学,2005,19(6):561-563.

[18]Mc Couch S R,Cho Y G,Yang M,et al.Report on QTL no-men⁃clature[J].Rice Genet Newsl,1997,14:11-13.

[19]Stuber C W,Lincoln S E,Wolff D W,et al.Identification of genet⁃ic factors contributing to heterosis in a hybrid from two elite maize inbred lines using molecular markers[J].Genetics,1992,132(3): 823-839.

[20]高志强,占小登,梁永书,等.水稻粒形性状的遗传及相关基因定位与克隆研究进展[J].遗传,2011(4):314-321.

[21]陈冰嬬,石英尧,崔金腾,等.利用BC2F2高代回交群体定位水稻籽粒大小和形状QTL[J].作物学报,2008(8):1299-1307.

[22]谭耀鹏,李兰芝,李平,等.利用DH群体定位水稻谷粒外观性状的QTL[J].分子植物育种,2005,3(3):314-322.

[23]林荔辉,吴为人.水稻粒型和粒重的QTL定位分析[J].分子植物育种,2003,1(3):337-342.

[24]于波,高冠军,张庆路.水稻外观品质性状和千粒重的QTLs分析[J].湖北农业科学,2012,51(19):187-192.

[25]谭友斌.利用高世代回交群体分析水稻粒型QTLs[D].武汉:华中农业大学,2006.

[26]赵方明,张桂权,曾瑞珍,等.基于单片段代换系的水稻粒型QTL加性及上位性效应分析[J].作物学报,2011(9):469-476.

[27]Tanksley S D,Nelson J C.Advanced backcross QTL analysis:A method of the simultaneous discovery and transfer of valu-able QTL from unadapted germplasm into elite breeding lines[J].The⁃or Appl Genet,1996,92:191-203.

[28]Li Z.Strategies for molecular rice breeding in China[J].Molecular Plant Breeding,2005,3(5):603-608

[29]何予卿,葛小佳,邢永忠,等.籼型水稻谷粒相关性状的遗传剖析[C].2003年全国作物遗传育种学术研讨会论文集,2003.

Mapping QTLs for grain shape and weight using F2:3and BC2F2 population in rice

ZOU Detang,LIU Zhongliang,ZHAO Hongwei,SUN Jian,ZHENG Hongliang, CHEN Binbin,LIU Bowen(School of Agriculture,Northeast Agricultural University,Harbin 150030, China)

Total 180 F2:3population lines and 190 BC2F2population lines derived from a cross between japonica rice Dongnong425 and Changbai10,and their both linkage map including 137 SSR markers were used to map QTL controlling grain shape(grain length,grain width,grain thickness and ratio of grain length to width)and thousand-grain weight traits.The results showed that total 50 QTLs controlling the five grain traits were detected on chronosome 1,2,3,5,7,8,10,11 and 12,respectively,including 15 QTLs for grain length, eight QTLs for grain width,six QTLs for grain thickness,11 QTLs for ratio of grain length to width and 10 QTLs for thousand-grain weight.Six QTLs namedqGL10,qGW3-2,qGT3-2,qL/W1-2,qTGW5 and qTGW8-3 could explain much of the observed phenotypic variance,and they were major QTLs controlling related traits.Compared the mapping QTLs results in both population,the marker named RM1235,RM1352 and RM1285 were QTLs for grain shape and weight distribution hotspots.

rice;grain sharp;grain weight;QTL mapping

S511

A

1005-9369（2014）09-0009-09

2013-09-20

“十二五”农村领域国家科技计划课题（2013BAD20B04）；科技部科技攻关项目（2011BAD35B02-01）；科技部科技支撑项目（2011BAD16B11）

邹德堂（1965-），男，教授，博士，博士生导师，研究方向为水稻遗传育种。E-mail:zoudt@163.com

时间2014-9-18 10:39:32[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140918.1039.001.html

邹德堂，刘忠良，赵宏伟,等.利用F2:3和BC2F2群体定位水稻粒型和粒重QTL[J].东北农业大学学报,2014,45(9):9-17.

Zou Detang,Liu Zhongliang,Zhao Hongwei,et al.Mapping QTLs for grain shape and weight using F2:3and BC2F2population in rice[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(9):9-17.(in Chinese with English abstract)