日本晴/R1126水稻重组自交系群体粒形性状QTL定位

叶乃忠,曾　盖,唐　伟,肖应辉

(1.湖南农业大学 农学院,湖南 长沙　410128;2.南方粮油作物协同创新中心,湖南 长沙　410128)



日本晴/R1126水稻重组自交系群体粒形性状QTL定位

叶乃忠1,2,曾盖1,2,唐伟1,2,肖应辉1,2

(1.湖南农业大学 农学院,湖南 长沙410128;2.南方粮油作物协同创新中心,湖南 长沙410128)

摘要：为阐明大穗型籼稻品系R1126稻谷籽粒性状的遗传机制,以其与粳稻日本晴构建的重组自交系F10为材料,通过连续2年田间种植并测定各株系的籽粒粒长、粒宽和粒厚等表型性状,结合利用SSR和SFP等分子标记构建的遗传图谱,对控制该群体的稻谷粒形性状进行了QTL分析。2年试验共检测到10个控制粒长、粒宽和粒厚性状的QTL,其中qGL3-1、qGL3-2和qGL9这3个粒长QTL,以及qGW2和qGW5这2个粒宽QTL在2年试验中能被重复检测;而粒厚性状在2年试验中检测到5个QTL,但均只在1年试验中出现。根据连锁的分子标记信息,qGL3-2、qGW2和qGW5可能分别与已报道的主要粒形基因GS3、GW2和GW5等位;而qGL3-1和qGL9可能为新的粒长QTL,且在2年试验中具有很好的重演性和稳定性,两者的加性效应均能使粒长增加0.2 mm以上,对于改善稻谷外观品质性状具有较好的潜在应用价值。

关键词：水稻;粒长;粒宽;粒厚;QTL定位

水稻粒形包括粒长、粒宽、长宽比以及粒厚等性状,是稻谷(米)外观品质性状的重要表现形式[1],同时也是决定粒重进而影响水稻产量的重要因素[2]。然而,稻谷籽粒体积特别是粒宽和粒厚增大,往往伴随着稻米外观品质和加工品质变劣,进而影响稻米的商用和市场价值[3]。另一方面,父母本种子粒形差异可通过机械加工分离,从而使得水稻混播杂交制种成为可能,由于该技术可以大幅降低种子生产成本而备受种子企业关注[4]。因此,剖析水稻籽粒粒形性状的遗传调控机制,是实现水稻籽粒(种子)形态精细调控并通过分子设计塑造不同粒形水稻品种的前提。

鉴于粒形性状在水稻产量和品质形成中的重要作用,粒长、粒宽、粒厚和粒重等粒形相关性状的遗传机理一直是研究的重点。近20年来,科学家们利用不同类型的遗传群体,累计报道了400多个与水稻籽粒大小和形态有关的QTL[5],根据连锁标记信息归类整合发现至少有286个与粒形相关的QTL。其中,与粒长性状相关的QTL 75个,与粒宽相关的QTL 66个,另有92个QTL控制水稻籽粒粒重,这些QTL在12条染色体上均有分布。迄今已有8个与籽粒大小有关的QTL被分离克隆,分别是GW2[6]、GS3[7]、GW5[8]、GS5[9]、GW8[10]、qGL3(qGL3.1)[11]、GIF1[12]、TGW6[13];此外,另有gw3.1[14]、gw8.1[15]、gw9.1[16]、qGL3-3a[17]、GW3[18]、GW6[19]、qGL4b[20]、qGL7[21]、GS7[22]、qGRLl[23]、qSS7[24]、GW1-1[24]、GW1-2[24]、Lk-4(t)[25]、qTGW3.2[26]、GS2[27]16个粒形相关基因/QTL被精细定位。这些与粒形性状相关基因的分离与克隆为水稻外观品质和产量的遗传改良提供了理论基础。

目前,针对这些粒形相关基因,育种家就其在水稻育种应用方面展开了进一步探索。张晓军[28]发现,以水稻品种9311为受体的近等基因系9311NIL-qgl3的株高、分蘖数、穂粒数、穗长等性状与受体亲本保持一致,而籽粒粒长和粒重分别比受体亲本增加约20%和37%,小区产量增产16.2%。杨梯丰等[29]以华粳籼74为遗传背景且携带谷粒长基因GS3的单片段代换系与携带其他优良基因的单片段代换系杂交,分子聚合育成了谷粒长为 9.51~9.67 mm 的长粒形聚合品系,有效地改良了华粳籼 74的外观品质。Wang等[30]通过分子标记辅助选择聚合稻谷粒形基因qgw8与qgs3,创制的新品系 Huabiao1与受体亲本HJX74产量相当,而稻谷粒形性状得以明显改良。这些粒形基因的成功应用,为粒形基因在水稻育种实践上提供了成功先例。

R1126是国家杂交水稻工程技术研究中心选育的大穗型水稻品系,其平均穗粒数一般在400粒以上。笔者利用该大穗品系与粳稻品系日本晴构建的重组自交系群体开展了粒形性状的遗传模型分析[31],本研究拟进一步对粒长、粒宽、粒厚和粒重等粒形相关性状进行QTL定位研究,旨在为大穗型水稻品系R1126在水稻粒形性状改良中提供遗传理论基础。

1材料和方法

1.1试验材料

以大穗籼稻品系R1126与粳稻品系日本晴(Nipponbare,NPB)为亲本,在杂种F1自交分离获得F2的基础上通过单粒传法构建包含185个株系的日本晴/R1126重组自交系群体(F10)。所有试材种子均由湖南农业大学水稻科学研究所提供。

1.2材料种植及表型鉴定方法

田间试验分别于2012,2013年在湖南农业大学耘园试验基地进行。2年均于当年5月25日播种所有试材,秧龄25 d左右移栽。每个株系种植1行,每行10株,株行距为20 cm×20 cm。按照当地水稻栽培技术要求进行田间管理与病虫害防治,保证水稻在整个生长过程中无病虫、鸟及鼠的危害。

于各株系成熟期,选取每株系除边行外的中间8个单株收种,每一单株只收取最大穗,自然晒干后贮存用于性状调查。每个株系随机选取10粒饱满种子,用电子游标卡尺(精确到0.01 mm)分别测定籽粒粒长、粒宽和粒厚,取10粒平均值作为该株系相应性状的表型值。

1.3基因型分析方法

选取在亲本R1126和日本晴间呈多态性且在12条染色体上基本均匀分布的122个SSR和SFP标记,用于基因型分析。SSR和SFP分析方法参照Chen等[32]的方法,10 μL反应体系包括:10 mmol/L Tris-HCl pH值8.3,50 mmol/L KCl,1.5 mmol/L MgCl2,50 μmol/L dNTPs,0.2 μmol/L引物,0.5 UTaqpolymerase和20 ng DNA 模板。扩增反应在ABI PCR system 2700上进行:94 ℃预变性5 min;94 ℃ 30 s，55 ℃ 30 s,72 ℃ 1 min,共35个循环;最后,72 ℃延伸7 min。扩增产物用8%的非变性PAGE胶分离,银染显色。

1.4数据分析方法

采用MapMaker3.0软件[33]计算分子标记间的遗传距离,并绘制分子标记遗传连锁图谱。使用WinQTL Cartographer 2.5软件[34]用复合区间作图法(CIM)进行QTL分析,以LOD值2.5作为检测QTL的阈值,某一标记区间QTL的LOD值高于临界阈值则认为存在一个QTL,同时估算QTL效应及其对性状的贡献率。

2结果与分析

2.1亲本与群体性状的表型分析

2012,2013年的试验数据均表明,对于粒长、粒宽和粒厚性状,在亲本R1126和NPB间均表现出显著性差异(表1)。粒长和粒厚性状值均是亲本R1126大于NPB,而粒宽性状值则是NBP大于R1126。 在重组自交系群体中,粒长平均值介于双亲性状值之间,而粒厚和粒宽的平均值低于双亲性状值。重组自交系群体各粒形性状的变异幅度较大,在2012，2013年不同年份多出现了超亲现象。

在NPB/R1126重组自交系群体中,3个性状的分布特征均表现为连续变异(图1),分布的偏度和峰度系数的绝对值均小于1,基本上符合正态分布,暗示在该群体中所有粒形性状均表现为多基因控制的数量性状遗传模式。同一性状2年间的频率分布特征基本一致,但2012年各性状值多表现为大于2013年,可能因不同年份气候不同导致水稻籽粒灌浆差异。

表1　水稻重组自交系及亲本2年各粒形性状表型

注：数字后的大、小写字母分别代表在1%和5%水平上差异显著。

Note:The capital and lowercase indicated significant difference at level ofP=0.01 andP=0.05,respectively.

图1　日本晴/R1126重组自交系群体粒形相关性状分布特征

2.2粒形性状QTL定位

采用SSR和SFP标记构建了日本晴/R1126重组自交系群体遗传连锁图谱,该图谱包含覆盖水稻全基因组12条染色体的122个标记,连锁图谱全长1 205.6 cM,标记间平均距离约为9.9 cM。该图谱共包含14个连锁群,其中第3,4染色体各包含2个连锁群。依据该遗传连锁图谱,结合稻谷粒形表型数据,对该群体粒形性状进行了QTL分析。

2.2.1粒长性状QTL检测2年试验重复检测到3个稻谷粒长相关的QTL(表2、图2),其中第3染色体上的2个粒长QTL,qGL3-1和qGL3-2,分别位于RM5474-RM4992和RM6080-RM5626标记区间;第9染色体的qGL9位于短臂端SFP9_2附近。粒长相关QTL的遗传效应在2年试验中基本一致,其LOD值为2.73～5.01,贡献率为5.41%～11.76%。3个粒长QTL的加性效应均表现为正效应,其增效等位基因均来自R1126,可增加稻谷粒长0.20～0.31 mm。在3个粒长QTL中,位于第3 染色体RM6080-RM5626区间的qGL3-2贡献率最大,能解释表型变异的10.56%～11.76%。

2.2.2粒宽性状QTL检测粒宽性状的QTL分析表明,位于第2染色体RM7082-RM6853区间的qGW2和第5染色体RM5874-RM405区间的qGW5,在2年试验中均能重复检测(表2、图2)。qGW5在2年试验中的LOD值分别为9.21和8.56,贡献率分别达17.93%和17.44%;而qGW2的贡献率相对较低,为8.26%和8.65%。此外,2个与粒宽性状相关QTL的加性效应均为负加性效应,来自R1126的等位基因分别能使粒宽减小0.08～0.09,0.12～0.13 mm。

表2　粒形相关性状QTL

图2　水稻粒形相关性状QTL在染色体上的分布

3讨论

本研究采用粳稻日本晴和大穗型籼稻品系R1126构建的重组自交系群体对该群体粒形性状进行了QTL分析,2年的田间重复试验共检测到10个粒形相关QTL。其中,3个粒长QTL和2个粒宽QTL均在2年试验中能重复检测到,表明粒长和粒宽的遗传机制相对简单,受环境因素影响相对较小。在2012，2013年试验中分别检测到2,3个粒厚QTL,这些QTL都只能在其中1年被检测到,暗示粒厚性状受环境因素影响较大,其遗传相对复杂。这一现象与水稻籽粒的发育特征是吻合的,粒长和粒宽主要由颖壳长度和宽度决定,而粒厚则主要与籽粒充实度有关,不同环境条件下籽粒灌浆程度差异会造成籽粒厚度变化。

比较已报道的水稻粒形性状基因/QTL[5-27],发现本研究检测到的粒长QTLqGL3-2所在染色体区段RM6080-RM5626与Fan等[7]检测的GS3位置相近;粒宽qGW2所在的RM7082-RM6853和qGW5所在的RM5874-RM405分别与粒宽基因GW2、GW5所在染色体区段一致,推断这3个QTL可能与已报道的粒长、粒宽基因等位。本研究检测的2个粒长QTL,即位于第3染色体RM5474-RM4992区间的qGL3-1和第9染色体短臂端SFP9_2附近的qGL9,在2年试验中具有很好的重演性和稳定性,两者的加性效应均能使粒长增加0.2 mm以上,对于改善稻谷外观品质性状具有较好的潜在应用价值,值得进一步深入研究。

本研究中重组自交系群体亲本之一R1126是一个平均穗粒数400粒以上的大穗型水稻品系,已用于配制杂交稻组合或改良其他水稻品系[35]。本研究发掘的3个粒长QTL使粒长增加的等位基因均来自于R1126,而该品系中的2个粒宽等位QTL却使粒宽变小。通过合理利用R1126的稻谷粒形基因/QTL,可以增大稻谷的长宽比,改善稻谷(稻米)的外观品质性状。因此,本研究所获得的与稻谷粒长、粒宽QTL连锁的分子标记,可望为R1126应用于稻谷粒形性状改良提供技术支持。

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Mapping of QTL Associated with Grain Shape Traits in Nipponbare/R1126 Recombinant Inbred Lines Population of Rice

YE Naizhong1,2,ZENG Gai1,2,TANG Wei1,2,XIAO Yinghui1,2

(1.College of Agronomy,Hunan Agricultural University,Changsha410128,China;2.Southern Regional Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops in China,Changsha410128,China)

Abstract：In order to clarify the genetic mechanism of grain shape traits for large panicle indica rice line,R1126,a set of recombinant inbred lines,which contain 185 lines,was developed by using R1126 crossed to the japonica rice line,Nipponbare.By measuring the grain shape traits include grain length (GL),grain width (GW) and grain thickness (GT) in two years field experiment,combining with the genetic map constructed with SSR and SFP molecular markers,QTL associated with grain shape traits were analyzed.Total ten QTL associated with GL,GW and GT,were detected in two years experiment.Among them,three QTL related to GL including qGL3-1,qGL3-2 and qGL9,and two QTL related to GW including qGW5 and qGW2,were be detected repeatedly in two years,respectively.However,no one QTL related to GT could be detected repeatedly.By comparing the molecular marker information,qGL3-2,qGW2 and qGW5 might be allele with the reported genes of GS3,GW2 and GW5,respectively.The two QTL associated with grain length,qGL3-1 and qGL9,which were expressed stably and repeated in two years experiment,exhibiting the additive effect of increasing the grain length of 0.2 mm,could be used for improving rice appearance quality.

Key words:Rice;Grain length;Grain width;Grain thickness;QTL mapping

doi:10.7668/hbnxb.2016.01.015

中图分类号：S511.03

文献标识码：A

文章编号：1000-7091(2016)01-0090-06

作者简介：叶乃忠(1989-),男,福建武夷山人,在读硕士,主要从事水稻遗传育种研究。通讯作者：肖应辉(1970-),男,湖南涟源人,研究员,博士,主要从事水稻遗传育种研究。

基金项目：教育部“创新团队发展计划”项目(IRT1239)；湖南省高校科技创新团队项目

收稿日期：2015-12-02