水稻株高和产量相关性状的QTL定位

刘胜男+张华+柳絮+李广贤+杨永义+姚方印

摘要：本试验以带有华粳籼74遗传背景的单片段代换系与华粳籼74杂交得到的F2代次级分离群体为试验材料，利用与华粳籼74农艺性状差异极显著的单株进行重叠群作图分析，在W06-40-48-06-2-l代换片段上鉴定出了一个株高QTL、一个粒长宽比QTL和一个千粒重QTL。

关键词：水稻；单片段代换系；农艺性状；重叠群作图；QTL

中图分类号：S511.032 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2015）04-0008-05

水稻是我国最重要的粮食作物之一，种植面积约占粮食作物总而积的百分之三十，产量近粮食总产量的一半[2]。水稻的许多性状如抽穗期、株高、千粒重、粒长粒宽及其长宽比等都是数量性状，这些数量性状有较为复杂的遗传基础。对控制这些性状的基因进行定位并研究其遗传效应具有重要的理论和现实意义。目前有关水稻数量性状的QTL定位有很多报道，但已克隆的基因相对较少，多数QTL不能深入研究。应用初级定位群体（F2、DH和RIL等）对QTL进行检测相对比较容易，但由于材料的遗传背景和群体大小的限制，定位得到的QTL置信区间往往很大，一般为10～30 cM，因此不能确定是单基因还是多基因的效应。而且，由于遗传背景分离比较复杂，微效QTL表达效应容易受主效QTL表达的干扰，不能得到稳定检测。因此，利用初级群体为材料定位水稻数量性状QTL精度较低，其结果可能与实际偏差较大[2]。为了消除QTL定位时遗传背景产生的不利影响，提高检测的灵敏度和定位的精确度，Tuinstra等[3]提出了一种思路和方法，利用相似遗传背景下的次级群体进行QTL作图。次级群体主要包括近等基因系（near-isogenic line，NIL）、染色体片段代换系（chromosome segment substitution line.CSSL）和导入系（introgression line，IL）等，这些次级群体的共同特点是遗传背景相似，仅带有的供体代换片段不同，应用这些次级群体对QTL进行鉴定和定位时，能提高定位与鉴定的精确度[4]。目前，已利用多个次级群体对水稻QTL进行精细定位与鉴定，例如，Yamamoto等[5]利用水稻单片段代换系精细定位了抽穗期基因Hd1、Hd2和Hd3；Takahashi等[6]定位了水稻抽穗期基因Hd6。由此可见，次级群体在作物QTL定位与检测中有较高应用价值。

收稿日期：2014-12-10

基金项目：国家自然科学基金项目（31171529）；山东省农业生物资源创新利用课题；山东省农业科学院科技创新重点项目（2014CXZ10-2）；山东省现代农业产业技术体系（水稻）项目

千粒重（1 000-grain weight，KGW）是体现种子大小与饱满程度的一项指标，是检验种子质量和作物考种的内容，也是田间预测产量的重要依据。对控制千粒重QTL的定位有利于从分子水平上探讨其生理机理和遗传机制，达到对产量和品质的合理调控[7]。株高与水稻的抗倒伏性显著相关，因此株高对产量有重要的作用。20世纪60年代初，在世界范围内掀起了一场绿色革命，倡导水稻矮秆化，大大提高了水稻产量，从而解决了多个发展中国家粮食自给问题。到目前为止，有很多定化水稻株高QTL的研究，水稻12条染色体上都分布着株高QTL。有研究者[8]采用Windows QTL Cartographer 2.5进行株高、千粒重的QTL分析，这两个农艺性状在抽穗期基因RFT1-Hd3a所处区间和Hd1所处区间均有显著作用，并且两个性状在Hd1所处区间的作用均强于RFT1-Hd3a所处区间。粒长、粒宽及其长宽比是研究籽粒性状的土要指标，其中粒长最能反映籽粒性状。目前有很多关于水稻粒长、粒宽QTL定位的研究，其中有119个粒长相关QTL被定位，分布在水稻12条染色体上。很多研究结果显示，一般在一个群体中能检测到3～8个控制粒长的QTL，分布于2～5条不同的染色体上，随着研究的不同，单个QTL的贡献率差异也较大。有研究者[9]利用水稻JF171/Samba群体和JF222/JF178群体构建了两个连锁群，两群体均在2号染色体上检测到控制谷粒粒型和千粒重的主效QTL，位于2号染色体长臂中下部一个相对较小的区间RM263-RM318内，这些主效QTL以加性效应为主，图谱距离约为18 cM、黄成[10]利用两个粳稻品种沈农265和丽江新团黑谷进行杂交，构建了176株F2代次级分离群体，定位到5个控制粒长的QTL、4个控制粒宽的QTL、4个控制千粒重的QTL。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本试验单片段代换系W06-40-48-06-2-1和受体亲本华粳籼74均由华南农业大学张桂权教授惠赠，单片段代换系W06-40-48-06-2-1的代换片段米源于供体Katy，位于第8染色体上，其余遗传背景与华粳籼74相同。本试验选用代换系W06-40-48-06-2-1与华粳籼74杂交得到的F2代次级分离群体作为试验材料进行第8染色体上有关水稻株高、千粒重、谷粒粒型的QTL定位

1.2 试验方法

1.2.1 材料种植 试验在山东省农业科学院生物技术研究中心饮马泉实验场进行。分别在2013年4月20日播种、6月2日插秧和2014年4月28日播种、6月1日插秧，以株距15 cm、行距25 cm插秧种植，正常田间管理。

1.2.2 指标测量 株高：株高是水稻成熟期之后从茎基部至穗顶部的高度，每株测量两次，取平均值作为株高。千粒重：水稻成熟后于室内选择100粒已烘干饱满的种子，用天平称重，并折算成千粒重。粒长：每个样品随机挑选出10粒成熟饱满的种子，首尾相连，不重叠放在坐标纸上排成行，测量其长度，重复两次，求平均值即为粒长粒宽：每个样品随机挑选出10粒成熟饱满的种子，并排放在坐标纸上排成一行，测量其宽度，重复两次，求平均值即为粒宽。谷粒的长度比即为谷粒粒型。endprint

1.2.3 QTL鉴定 通过t测验比较单片段代换系W06-40-48-06-2-1与受体亲本华粳灿74之间的差异显著性，以华粳籼74多个小区的观察值合并为一个群体作对照。进行QTL鉴定时，当单片段代换系的某个性状与对照同一性状之间t测验的概率值P≤0.0001时，则认定该单片段代换系内的代换片段上存在一个该性状的QTL。

1.2.4 QTL加性效应值的估算方法 本试验参照Eshed & Zamir（1995）的方法估算各个QTL的加性效应值及加性效应贡献率。所用公式为：

加性效应值=（纯合SSSL的表型值-对照的表型值）/2；

加性效应贡献率（%）=（加性效应值/对照的表型值）×100。

1.2.5 微卫星标记分析 根据本实验室构建的微卫星标记图谱，选择代换片段上的35对微卫星标记对代换系和华粳籼74进行多态性检测。筛选出在两亲本间具有多态性的引物，利用多态性引物对单株进行扩增，带型结果以数字表示：“1”表示基因型与华粳籼74亲本相同，“3”表示与单片段代换系亲本相同，“2”为杂合带型。所有引物郁是由上海生工合成。

1.2.6 重叠群作图 重叠群作图法是利用有重叠区域的代换片段进行QTL定位的方法。其原理如图1，sssL1和SSSL2在M2M3区段相互重叠，在进行QTL鉴定时如果在SSSL1上检出某个性状的QTL而在SSSL2上未检出，则认为这个QTL在M1M2区段上（Q1）；如果在SSSL1和SSSL2上同时检出某个性状的QTL，则认为这个QTL在M2M3区段上（Q2）；如果在SSSL2上检出某个性状的QTL而在SSSL1上未检出，则认为这个QTL在M3M4区段上（Q3）。

2 结果与分析

2.1 QTL鉴定

对10株代换系W06-40-48-06-2-1和10株华粳籼74株高、千粒重、粒长宽比进行测量，P值分别为1.92×10-5、1.37×10-6、1.41×10-5，均小于0.0001，说明代换系的代换片段上存在一个株高QTL，命名为qPH8；一个千粒重QTL，命名为qKGW8；一个粒长粒宽QTL，命名为qGS8。

选取F2代次级分离群体中极端株高13株（1～13），对株高QTL进行加性效应分析（表1）。从F2代次级分离群体中随意挑选10株，测量千粒重、粒长粒宽，选择与华粳籼74有显著差异的单株（千粒重和粒型单株各4株），并对其进行千粒重和粒型QTL的加性效应分析（表2、3）。

2.2 用于重叠群作图的F2代单株代换片段的确定

根据本实验室构建的微卫星标记图谱，选择亲本代换片段上的35对微卫星标记对代换系和华粳籼74进行多态性检测，筛选出在两亲本间具有多态性的引物RM152、PSM151、PSM155、RM25、RM547、RM72、RM404。利用7对多态性引物对21个F2代单株（同表1、2、3）进行扩增，基因型检测结果如表4，单株的代换片段如表5。每一单株都含有一条代换片段。

2.3 重叠群作图

利用编号为1～13的F2单株进行重叠群作图，qPH8被界定在笫8染色体PSM155和RM547两标记之间，估计长度约7.7 cM（图2）。携带qPH8等位基因的单株在其他条件相同的情况下株高高于受体华粳籼74，说明等位基因qPH8具有促进受体亲本华粳籼74长高的效应，其加性效应值介于9.0～13.0 cm之间（表1）。

利用编号为F2027和F2051的4个F2单株进行重叠群分析，qKGW8介于笫8染色体分子标记PSM151和RM547之间，两标记之间的估计长度为20.2 cM（图2）。携带qKGW8等位基因的4个单株平均粒重都重于受体华粳籼74，说明等位基因qKGW8能够促使华粳籼74千粒重效应值增加，其加性效应为1.04～1.57 g（表2）。

利用编号为F2023的4个F2单株形成重叠群，qGS8介于第8染色体分子标记PSM155和RM25之间，两标记之间的估计长度为3.0 cM（图2）。携带qGS8等位基因的4个单株粒长宽比都大于受体华粳籼74，说明等位基因qGS8能够促使华粳籼74粒长宽比效应值增加，其加性效应为0.095～0.205（表3）。

3 讨论

利用单片段代换系进行QTL定位与传统的定位方法相比具有很大的优势，单片段代换系只带有一个供体片段，其它组成与受体基因组完全相同，这一特点消除了遗传背景及QTL之间的相互干扰，使QTL的定位更精确。在单片段代换系构建过程中，复杂性状的QTL被分解为多个单一的Mendel因子，利用重叠群定位可以把QTL定位在较小的区域内。此外，单片段代换系在遗传上更稳定，可以多地点、多季节、多年用于QTL分析。

本试验利用重叠群作图在代换片段上找到一个株高QTL（qPH8）、一个千粒重QTL（qKGW8）和一个粒型QTL（qGS8），为其精细定位及基因克隆奠定基础。qGS8、qPH8和qKGW8在第8染色体上的位置与功能均和已克隆的抽穗期基因Ghd8相似，Ghd8对水稻抽穗期和产量性状兼具主效作用，其迟熟等位基因提高株高、每穗实粒数、每穗总粒数和产量[3]。endprint