利用染色体单片段代换系定位水稻结实率QTL

高云+陶亚军+王立广+于小凤+陈达+董桂春+梁国华

摘要：结实率是评价水稻品种应用价值的重要农艺性状之一，是产量重要的构成因素，易受到高温、低温、干旱等环境因素的影响，对结实率QTL进行定位并研究其遗传效益在水稻育种中至关重要，为进一步精细定位及克隆相应QTL和开展水稻结实率分子育种奠定基础。以籼稻品种扬稻6号为受体、粳稻品种日本晴为供体构建的一套染色体片段代换系为材料，利用多元回归分析方法，结合Bin图谱，对代换系上的结实率QTL进行鉴定，结果表明，在水培条件下共定位14个控制水稻结实率性状的QTL，分别位于3～11染色体上，其中，2010年定位2个，2011年定位5个，2012年定位7个；贡献率大于20%的QTL共有9个，分别是qSSR5.1、qSSR7.1、qSSR9.1、qSSR11.1、qSSR3.2、qSSR3.3、qSSR4.1、qSSR8.2和qSSR9.2WTBZ][STBZ]，其中，贡献率最大的QTL为qSSR5.1，贡献率为49.76%，被定位在第5染色体上731482bp区间内。

关键词：水稻；染色体单片段代换系；数量性状；位点；结实率

中图分类号：S511.03文献标志码：A文章编号：1002-1302（2014）11-0017-03

水稻（OryzasativaL.）是世界上重要的粮食作物之一，全球约一半人口以稻米为主食[1]。随着人口不断增多、耕地面积不断减少，水稻产量受到越来越多的关注。穗数、穗粒数和粒质量是构成水稻产量的主要因素，通过提高结实率、增加穗粒数，可以达到提高粮食产量的目的。弄清楚水稻结实率的遗传基础，发掘并利用控制水稻结实率的主效QTL，是水稻育种的一个重要目标，这对提高粮食产量具有重要的意义。

水稻结实率是由多基因控制的数量性状，多呈偏态或正态连续分布，容易受到环境和遗传背景的影响，高温、低温、干旱、大风等逆境都会不同程度地降低结实率、减少产量，是鉴定水稻种质好坏的一项重要指标。有关结实率QTL鉴定的报道很多，韩龙植等以籼稻密阳23与吉冷1号配制所得的F2∶3群体200个家系为作图群体，在5个地点进行水稻结实率鉴定，在9条染色体上共鉴定了14个控制结实率的QTL[2]；Thomson等用水稻品种Rufipogon和Jefferson构建的高级回交群体，共定位了7个控制水稻结实率的QTL，其中pss4.1表现最稳定[3]；Xiao等用9024和LH422配置所得的194个重组自交系群体作为作图群体，定位了1个结实率QTLpss5，其贡献率12.3%[4]；Hittalmani等将籼稻品种IR64与粳稻品种Azucena杂交后得到1套加倍单倍体（doublehaploid，DH）群体，检测到1个结实率QTL[5]；陈庆全等以结实率相对较低的籼稻品种T219和结实率较高的籼稻品种T226构建的202个重组自交系群体，在8个环境中共检测到17个结实率QTL分布于9条染色体上，贡献率变幅为4.6%～35.7%[6]。本研究以扬稻6号为受体、日本晴为供体的染色体片段代换系为材料，定位与水稻结实率相关的QTL，为进一步精细定位并克隆结实率QTL、揭示结实率遗传机理奠定基础。

1材料与方法

1.1试验材料

以受体亲本籼稻品种扬稻6号（OryzasativaL.ssp.indica‘Yangdao6）和供体亲本粳稻品种日本晴（OryzasativaL.ssp.japonica‘Nipponbare）为试材，128个染色体片段代换系群体通过杂交、回交和分子标记辅助选择构建。通过高通量测序，对128个染色体片段代换系进行重测序，准确获取每个系代换片段在染色体上的位置及长度。代换片段在水稻全基因组上的覆盖率为93.3%[7]。在本试验中，由于非正常生长，2010年2个系、2011年6个系及2012年3个系没有参与性状调查。

1.2材料种植

选择代换系及亲本作为试材，采用水培法于2010—2012年种植于扬州大学试验田。水稻幼苗种植在8个体积为5.72m3的混凝土水池中，并通过水池底部的铁皮管子一一相连；水池上部用1块尺寸为135.0cm×16.7cm×2.5cm的木板覆盖，每块木板有14穴，用来固定幼苗[8]。种子先用2.5%NaClO表面消毒15min，再用蒸馏水冲洗3次；种子萌发30d后，将幼苗从苗床移栽到穴中，1株/穴，每个系使用4块木板，共56株幼苗。采用完全随机设计，2次重复。

将营养液灌入池中，每10d换新1次；每天监测池中营养液的pH值，通过增加或稀释H2SO4维持pH值在5.5～6.5之间。在植株的整个生长期间，使用水泵来确保营养液持续循环，维持正常的pH值和营养液浓度，并且提高O2供应力。

1.3结实率性状调查

成熟时，随机取水培池中10个单株，去除边行以排除边缘效应的影响，分别对实粒和空粒进行考种。结实率=（主穗饱粒数/主穗总粒数）×100%。

1.4Bin图谱的制作和QTL分析

Bin图谱的制作参考Paran等的方法[9]。对整个群体而言，代换片段存在重叠区段，根据重叠和非重叠区段，将供体片段切割并编码，每1个切割后的小区段称为Bin，根据整个群体的Bin信息，绘制覆盖基因组的Bin图谱。根据128个染色体片段代换系的测序物理图谱及代换片段的切割信息，绘制代换片段的Bin-map。

结合Bin图谱，以Bin作为变量，利用方差分析精确估计误差，提高遗传分析效率，采用多元回归分析方法，实现QTL的精确定位。回归模型如下：yi=b0+∑mk=1bkxik+ei，其中，yi为第i系的性状平均值；b0为模型均值；m是Bin的总数；bk为第k个Bin的偏回归系数；xik为第i个个体第k个Bin基因型的指示变量，依Bin的基因型来源不同而取值，来自供体亲本的Bin取“-1”，来自受体亲本的Bin取“1”；ei为随机误差。QTL命名遵循Mccouch等制定的原则[10]。

2结果与分析

2.1亲本及各株系结实率的表现

由表1可见，2010、2011、2012年染色体代换系的结实率分别为26.69%～89.17%、68.94%～94.11%、56.46%～94.92%，受体亲本扬稻6号的结实率分别为82.48%、85.56%和91.00%，供体亲本的结实率分别为71.43%、87.80%和82.50%；染色体片段代换系结实率表型值更接近供体亲本日本晴的结实率表型值。由代换系群体结实率频数分布图（图1）可见，3年结实率都呈偏分布，群体内结实率众数高于群体均值。

2.2Bin图谱的制作

根据128个染色体片段代换系的测序物理图谱及代换片段的切割信息，绘制代换片段的Bin-map，总共包括401个Bin，定义为X1至X401。Bin的物理长度为13213～10654035bp，平均长度为889652bp。

2.3结实率QTL分析

根据染色体片段代换系及2个亲本的结实率表型值，结合Bin图谱，基于多元回归分析方法，共鉴定出14个控制水稻结实率的QTL（表2），其中2010年鉴定出2个控制结实率相关的QTL，qSSR3.1被定位在第3染色体18090bp，qSSR8.1被定位在第8染色体42253bp；2011年鉴定出5个控制结实率相关的QTL，qSSR5.1被定位在第5染色体731482bp，qSSR5.2被定位在第5染色体422307bp，qSSR7.1被定位在第7染色体1275744bp，qSSR9.1被定位在第9染色体710668bp，qSSR11.1被定位在第11染色体65543bp；2012年鉴定出7个控制结实率的QTL，分别位于第3、第4、第6、第8、第9和第10染色体上，qSSR3.2被定位在第3染色体13213bp，qSSR3.3被定位在第3染色体3279106bp，qSSR4.1被定位在第4染色体30041bp，qSSR6.1被定位在第6染色体424941bp，qSSR8.2被定位在第8染色体151747bp，qSSR9.2被定位在第9染色体1090882bp，qSSR10.1被定位在第10染色体433571bp。

3小结

水稻结实率是决定水稻产量的重要因素，提高结实率可以直接提高穗粒数，达到增产的目的[11]。对结实率进行遗传分析，准确鉴定和定位控制水稻结实率性状的QTL，对开展水稻结实率分子研究和分子标记辅助选育理想植株提高粮食单产具有重大的意义。

水稻结实率是指饱满谷粒占总颖花数的百分率，是一项重要的农艺性状，常受到内部和外部因素的影响。例如，花粉管因伸长受阻不能达到胚囊，使受精过程不能完成，造成空瘪粒；粳稻花粉管比籼稻短，因此，籼粳杂交的结实率不高，一般比常规稻的结实率低10百分点，这也是影响杂交水稻发挥高产潜力的一个重要因素[12-13]。除内部因素外，外部因素如干旱、低温、高温、大风等不良气候及除草剂的使用，也会降低水稻的结实率。Nishiyama等研究发现，水稻低温冷害主要是通过破坏花药器官的生长而降低结实率[14]。王才林等对高温影响水稻结实率的研究表明，高温主要通过影响开花、花药开裂和花粉活力3个方面降低水稻的结实率[15]。因此，在育种工作中，通过加强对高结实率性状选择以达到增产的目标。

前人通过F2、F3、DH、RILs等遗传群体进行了水稻结实率QTL定位。陈庆全等利用T219和T226构建的202个株系组成的RILs为作图群体，在9条染色体上共定位了17个控制结实率的QTL[6]。韩龙植等利用籼稻密阳23与粳稻吉冷1号配置获得的F2∶3作为作图群体，在9条染色体上共检测到与结实率相关的QTL14个[2]。Hittalmani等将籼稻品种IR64与粳稻品种Azucena杂交后得到1套加倍单倍体（DH）群体，检测到1个结实率QTL位于第4染色体上[5]。Tian等利用普通野生稻和籼稻桂朝2号衍生的一套含有159个株系的回交导入系群体，检测出2个结实率QTL[16]。

本研究利用一套重测序而准确获知代换片段位置及长度的染色体片段代换系为材料，进行水稻结实率QTL的鉴定和定位，与前人利用的遗传群体相比，这套染色体片段代换系在QTL鉴定和定位方面有了更大的进步。结合分子标记技术确定代换系的遗传背景和代换片段信息是有限的，分子标记数目的有限性和染色体双交换发生的可能性有可能造成QTL鉴定和定位的失准，而新一代测序技术的发展为代换系的遗传背景和代换片段信息的准确鉴定提供了有力帮助。本研究3年共定位了14个控制水稻结实率的QTL，分别位于3～11染色体上，其中，2010年定位2个，2011年定位5个，2012定位7个。通过比较发现，qSSR5.2与Xiao等定位的pss5[4]及Thomson等定位的pss5.2[3]具有相同的染色体片段；qSSR6.1与Thomson等定位的pss6.1[3]具有相同的染色体片段；qSSR7.1所在的染色体区间上，Xiao等也发现了控制水稻结实率的QTLpss7.1[17]。贡献率大于20%的QTL共有9个，分别是qSSR5.1、qSSR7.1、qSSR9.1、qSSR11.1、qSSR3.2、qSSR3.3、qSSR4.1、qSSR8.2和qSSR9.2，qSSR3.1、qSSR8.1、qSSR3.2和qSSR4.1定位区间都在50kb以内，这也充分证明了本代换系在QTL鉴定和定位方面的优势。与前人研究大多利用大田鉴定和定位结实率QTL不同，本研究3年均采用水培法，探究水培条件下水稻的结实率情况。

水稻结实率是由多基因控制的复杂数量性状，易受环境因素的影响[18-22]。因此，需在本研究的基础上，在多种环境中反复检测，为水稻结实率相关QTL的精细定位和克隆及分子育种的开展奠定基础。

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