水稻苗期耐冷性的QTL定位分析

彭 强， 张大双， 吴健强， 王际凤， 黄培英， 朱速松

(贵州省水稻研究所， 贵州 贵阳 550006)



水稻苗期耐冷性的QTL定位分析

彭 强， 张大双， 吴健强， 王际凤， 黄培英， 朱速松*

(贵州省水稻研究所， 贵州 贵阳 550006)

为水稻苗期耐冷性QTL定位克隆研究提供实验素材，以213个IR24/Asominori重组自交家系(RIL)为作图群体，并以141个SSR标记构建的分子连锁图谱为基础，结合苗期低温处理后亲本和213个RILs的苗期死苗率，运用QTL IciMapping 4.0软件进行水稻苗期耐冷性QTL检测及其遗传效应分析。结果表明：在第6、第11和第12染色体上检测到 3个苗期耐冷性QTL，分别命名为qCTS-6、qCTS-11和qCTS-12。这3个QTL的LOD值分别为3.194 3、4.688 2和3.797，对应表型变异的解释率分别为5.662 7%、8.549 6%和12.787 7%，且抗性等位基因均来自苗期耐冷亲本Asominori。

水稻； 重组自交家系； 耐冷性； 作图群体； 数量性状基因座

低温冷害是指植物在零度与其适宜生长温度之间的温度范围内引起的生长缓慢或非正常发育现象[1]。不同生长发育时期发生低温冷害都会对水稻造成不同程度的影响。苗期冷害造成秧苗失绿、枯萎，严重时出现烂秧、死苗现象，从而导致水稻减产[2]。苗期冷害不仅是我国云贵高原一季稻区、长江中下游早稻区和北方稻区的常见问题，也是世界水稻主产区普遍存在的问题[3]。因此，水稻耐冷性QTL及其遗传基础研究倍受研究人员的关注，具有很强的理论价值和现实意义。近年来，水稻耐冷性研究取得较大进展。水稻苗期耐冷性是受多基因控制的数量性状，前人利用分子标记和各种遗传群体定位到多个水稻苗期耐冷性QTL，12条染色体每条都有耐冷相关QTL或基因定位的报道[4-9]。但是，在冷害问题普遍存在的贵州地区，目前对水稻耐春寒基础理论研究仍停留在水稻种质资源苗期耐冷性性状描述，苗期耐冷性QTL相关研究尚无报道。为此，笔者等以苗期耐冷性极强的水稻品种Asominori作为耐冷基因源，构建213个IR24/Asominori重组自交家系(RIL)，根据其苗期耐冷性表现，用141个SSR标记进行水稻苗期耐冷性QTL检测及其遗传效应分析，试图找到贡献率较大的QTL，旨在为水稻耐冷性QTL克隆提供素材，也为分子标记辅助选择(MAS)培育适应贵州地区耐冷品种提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

IR24/Asominori重组自交群体由南京农业大学赵志刚博士提供，该群体由F1代通过单粒传方法获得。2012年夏季，将亲本和213个RILs材料种植在贵州省水稻研究所(贵阳)试验田，每个材料种植20株，成熟时混收，晒干保存，用于苗期耐冷性鉴定。

1.2 苗期耐冷性鉴定

参考Nagamine[10]和Qian等[11]的方法，对213个RILs进行苗期耐冷性试验，以2个亲本(IR24不耐冷，Asominori强耐冷)作为对照，取2次重复试验死苗率的平均值作为苗期耐冷性表型值，进行苗期耐冷性QTL定位分析。具体操作方法：取干燥的种子浸种1 d，催芽2～4 d至露白1 cm左右，均匀播种在盛满泥炭土(有机基质)底部带孔的500 mL塑料杯中(便于吸水)；置于人工气候箱中常温(白天28℃，14 h；黑夜23℃，10 h)培养至2叶一心期，去除病弱苗，每份材料每杯留12株左右，重复2次；全天10℃低温处理10 d后，常温恢复生长5 d，进行死苗率调查。

1.3 QTL分析

IR24/Asominori重组自交家系的SSR标记的分子数据由南京农业大学赵志刚博士提供。共141个SSR标记，比较均匀分布在12条染色体上。应用QTL IciMapping 4.0软件进行试验数据的统计分析并构建遗传连锁图谱，用Kosambi函数将重组率转化为遗传图距(cM)，用MapDraw软件绘制遗传连锁图谱。该图谱覆盖水稻全基因组1 687.1 cM，标记间平均距离为11.96 cM。采用QTL IciMapping 4.0软件BIP功能中的完备区间作图法(ICIM)进行QTL定位，扫描步长设定为默认值1.0 cM，LOD值设定为默认值2.5，并计算每个 QTL对苗期耐冷性的贡献率和加性效应。QTL的命名原则遵循McCouch等[12]提出的方法。加性效应正值表示增效等位基因来源于耐冷亲本Asominori，负值表示来源于不耐冷亲本IR24。

2 结果与分析

2.1 亲本和重组自交群体低温处理的生长表型

经低温处理后，亲本和RIL群体的生长情况出现明显差异。亲本Asominori所有幼苗的叶片水分充足，长势正常；而亲本IR24所有幼苗的叶片和茎都已枯死。在RIL群体中，部分家系生长与IR24相同，幼苗全部枯死；部分家系与Asominori相同，幼苗全部存活，其余的则介于两者之间，有部分幼苗存活。

2.2 亲本和重组自交群体苗期的耐冷性

经苗期耐冷性鉴定，亲本Asominori为强耐冷品种，其死苗率为0；IR24为不耐冷品种，其死苗率为100%。对213份IR24/Asominori RILs进行苗期冷害处理后，统计RILs的苗期冷害死苗率。从死苗率的次数分布(图1)可知，RILs的213个家系经苗期冷害处理后的苗期死苗率在0%～100%之间连续分布，群体平均死苗率为58.6%。苗期耐冷性表现出受多基因控制的数量性状遗传特征。

图1 低温处理后RILs的苗期死苗率分布

Fig.1 Frequency distribution of dead seedlings rate at seedling stage for RILs after low-temperature treatment

2.3 水稻苗期耐冷性的QTL分析

采用QTL IciMapping软件BIP功能中的完备区间作图法对苗期死苗率进行QTL分析，共检测到3个苗期耐冷性QTL，分别位于第6、第11和第12染色体上，命名为qCTS-6、qCTS-11和qCTS-12，其对应的标记区间为RM6818-RM3827、RM167-RM3701和RM6296-RM277(图2)，LOD值分别为3.194 3、4.688 2和3.797，对表型变异的解释率分别为5.662 7%、8.549 6%和12.7877%，这3个QTL抗性等位基因都来自苗期耐冷亲本Asominori(表)。

表 水稻苗期耐冷性的QTL定位及其遗传效应

图2 水稻苗期耐冷性QTL染色体的分布

Fig.2 Interval distribution for QTL of cold tolerance at seedling stage in rice

3 结论与讨论

从目前国内外研究看，水稻苗期耐冷性是多基因数量遗传，具有复杂的遗传背景和广泛的遗传多样性。不同的遗传群体、耐冷性鉴定方法和低温强度都会使苗期耐冷性QTL分析结果有很大差异。屈婷婷等[7]以圭630/02428的DH群体在第3、第11和第12染色体上检测到3个苗期耐冷性QTLs；Zhang等[9]利用籼粳交RIL群体在第11染色体上检测到一个与SSR标记RM202紧密连锁的苗期耐冷性主效应QTL。本研究基于213个IR24/Asominori重组自交家系(RIL)的苗期冷害处理死苗率和141个SSR标记构建的分子连锁图谱，采用QTL IciMapping软件BIP功能中的完备区间作图法，分别在第6、第11和第12染色体检测出1个苗期耐冷性QTL(qCTS-6，qCTS-11，qCTS-12)，其中qCTS-12的贡献率最高。在Gramene网站(http://archive.gramene.org/markers)查相关分子标记的详细信息，比对分析发现，qCTS-11与屈婷婷等[7]、Zhang等[9]定位的QTL(第11染色体)都不同；qCTS-12与屈婷婷等[7]定位的QTL(第12染色体)也不是同一位点。此外，水稻苗期耐冷性是水稻生命过程中非常重要的农艺性状，直接影响水稻幼苗能否正常生长发育。

前人对水稻苗期耐冷性研究绝大多数在自然环境条件下展开，其结果易受外界环境影响。本研究采用人工气候箱消除外界环境影响因素，以苗期死苗率作为耐冷性鉴定指标，结果表明，2个亲本的耐冷表型差异明显，且RILs群体耐冷性是连续性分布，表现出受多基因控制的数量性状遗传特征，这与前人结论[3,8,10]类似。这些QTL的发现和定位为克隆分离相关耐冷基因提供理论基础，同时也填补贵州省水稻耐冷性分子机理研究领域的空白，使贵州省对水稻耐春寒基础理论研究进入分子水平。

致谢：感谢南京农业大学赵志刚博士在实验材料和数据处理方面给予的支持与帮助！

[1] 刘良式.植物分子遗传学[M].北京:科学出版社,2003:11-15.

[2] 向 彦,贺浩华,刘宜柏,等.东乡野生稻耐冷性研究进展[J].江西农业大学学报,2003,25(4):482-486.

[3] 戴陆园,叶昌荣,徐福荣.水稻耐冷性研究[J].西南农业学报,2002,15(1):41-45.

[4] 韩龙植,乔永利,曹桂兰,等.水稻生长早期耐冷性QTL分析[J].中国水稻科学,2005,19(2):122-126.

[5] Jiang L,Xun M,Wang J K,et al.QTL analysis of cold tolerance at seedling stage in rice(Oryza sative L.)using recombination inbred lines[J].Journal of Cereal Science,2008,48:173-179.

[6] Koseki M,Kitazawa N,Yonebayashi S, et al.Identification and fine mapping of a major quantitative trait locus originating from wild rice,controlling cold tolerance at the seedling stage[J]. Mol Genet Genomics,2010,28(4):45-54.

[7] 屈婷婷,陈立艳,章志宏,等.水稻籼粳交DH群体苗期耐冷性基因的分子标记定位[J].武汉植物学研究,2003,21(5):385-389.

[8] 周 勇,朱孝波,袁 华,等.水稻单片段代换系芽期和苗期耐冷性分析及耐冷性QTL鉴定[J].中国水稻科学,2013,27(4):381-388.

[9] Zhang Z H,Li S,Li W,et a1.A major QTL conferring cold tolerance at the early seedling stage using recombinant inbred linesof rice(Oryza sativa L.)[J].Plant Science,2005,168:527-534.

[10] Nagamine T,Nakagahra M.Genetic variation of chilling injury at seedling stage in rice,Oryza sativa L.[J].Japanese Journal of Breeding, 1990,40(4):449-455.

[11] Qian Q,Zeng D L,He P,et al.QTL analysis of the rice seedling cold tolerance in a double haploid population derived from anther culture of a hybrid between indica and japonica rice [J].Chinese Science Bulletin,2000,45(5):448-453.

[12] MaCouch S R,Cho Y G,Yang M,et al.Blinstrub M, Morishima H,Kinoshita T.Report on QTL nomenclature[J]. Rice Genet Newslett , 1997, 14:11-13.

(责任编辑： 姜 萍)

QTL Analysis of Cold-tolerance at Seedling Stage in Rice

PENG Qiang, ZHANG Dashuang, WU Jianqiang, WANG Jifeng, HUANG Peiying, ZHU Susong*

(GuizhouRiceResearchInstitute,Guiyang,Guizhou550006,China)

To provided the experimental materials for identifying and cloning the quantitative trait loci (QTLs) of cold tolerance at the seedling stage, the authors analyzed QTLs location and evaluate the genetic effects of two parents and 213 RILs for cold tolerance at the seedling stage with the rate of dead seedlings by using software QTL IciMapping 4.0, and based on genetic linkage map of 141 SSR molecular markers and mapping population of 213 lines (recombination inbred lines, RIL) derived from a cross between IR24 and Asominori. The QTLsqCTS-6，qCTS-11andqCTS-12 related to cold tolerance at the seedling stage were detected on chromosome 6, 11 and 12, respectively.Individual QTLs(LOD=3.194 3,LOD=4.688 2,LOD=3.797 0) explained 5.662 7%, 8.549 6% and 12.787 7% of the observed phenotypic variance separately. All the three of detected QTLs allelescame from cold-tolerant parent Asominori.

rice; RIL; cold-tolerance; mapping population; QTL

2014-11-12； 2015-04-17修回

比尔和梅琳达·盖茨基金会项目“为非洲和亚洲资源贫瘠地区培育绿色超级稻-二期”(51587-15)；贵州省重大专项“水稻种质改良创新及新品种选育与应用”[黔科合重大专项字(2013)6023]；贵州省优秀科技教育人才省长专项基金项目“水稻耐冷性及品质性状基因(QTL)的分子定位与利用”[黔省专合字(2006)85]；贵州省科技创新人才团队项目“贵州省水稻遗传育种研究创新团队”[黔科合人才团队(2012)4020]；贵州省联合基金项目“水稻高密度遗传图谱构建和垩白QTL定位分析”[黔科合LH字(2014)7689]；贵州省农科院自主创新科研专项资金项目“水稻种质创新及高效育种与栽培技术体系研究”[农科院自主创新科研专项字(2014)019]

彭 强(1986-)，男，助理研究员，硕士，从事水稻分子育种研究。E-mail：450058876@163.com

*通讯作者：朱速松(1966-),男，研究员，博士，从事水稻分子育种研究。E-mail：susongzhu@yahoo.com.cn

1001-3601(2015)05-0225-0011-03

S511

A