大穗型水稻穗部性状的QTL定位

汪欲鹏 段里成 龙启樟 徐林典 武志峰 万建林 石庆华 潘晓华 吴自明

摘要：【目的】对大穗型水稻穗部性状的数量性状基因座（QTL）进行定位，为水稻超高产育种提供优质的种质材料。【方法】利用95个在双亲具有明显多态性的分子标记和213个由大穗型水稻材料lp1与9311构建的F2群体单株，采用完备区间加性模型作图法（ICIM-ADD）对穗长、每穗粒数和着粒密度 3个穗部性状的QTL进行检测。【结果】共检测到5个穗部性状QTL，其中穗长QTL 1个，每穗粒数QTL 2个，着粒密度QTL 2个，分布于第3、4、6、10和11号染色体上。检测到的QTL LOD介于2.63～2.91，表型贡献率为7.42%～17.72%，贡献率大于10.00%的主效QTL有2个（qSSD-3-1和qPL-11-1），分别有2个和3个QTL的增效等位基因来源于大穗lp1和9311。【结论】定位得到的主效QTL qSDD-3-1和qPL-11-1可用于分子标记辅助选择育种，新的穗长QTL qPL-11-1可用于精细定位和克隆。

关键词： 水稻；QTL定位；穗部性状

中图分类号： S511.103.53 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2016）09-1445-05

Abstract：【Objective】The present study was conducted to locate QTLs of panicle traits in large panicle rice， in order to provide high-quality germplasm resources in breeding programs of super high-yield rice. 【Method】A F2 population including 213 plants derived from hybrid of large panicle materials lp1 and 9311， and 95 molecular markers which had obvious polymorphism in bi-parents were used. Then inclusive composite interval mapping（ICIM） method were utilized to detect QTLs of panicle length（PL）， spikelet number per panicle（SPP）， and seed setting density（SSD） in this population. 【Result】A total of 5 related QTLs were detected on chromosome 3， 4， 6， 10 and 11， including 1 QTLs for PL， 2 Major QTLs for SPP and 2 QTLs for SSD. The LOD scores of QTLs ranged from 2.63 to 2.91， and the phenotypic variation explained（PVE） ranged from 7.42% to 17.72%， and there were 2 QTLs（qSSD-3-1 and qPL-11-1） whose PVE were more than 10.00%. 2 QTLs and 3 QTLs source of positive allele were lp1 and 9311， respectively. 【Conclusion】The detected qSSD-3-1 and qPL-11-1 are used in marker-assisted selection breeding， and qPL-11-1， which is one new QTL of PL， can be used in fine mapping and clone.

Key words： rice； QTL mapping； panicle trait

0 引言

【研究意义】水稻作为世界主要粮食作物，其产量的提高是缓解当今粮食安全问题的关键因素。穗部性状是水稻产量的直接影响因素，主要包括穗长、一次枝梗数、二次枝梗数、每穗粒数、着粒密度和结实率等，适当增加穗长、穗部籽粒数量和提高结实率一直是水稻高产的主要途径（董桂春等，2010；陈明亮等，2014）。因此，挖掘控制穗部性状基因或数量性状基因座（Quantitative trait locus，QTL）对提高水稻产量具有重要意义。【前人研究进展】水稻穗部性状一般表现为多基因控制的数量性状。近30年来，随着分子标记技术和遗传统计模型的发展，越来越多的穗部相关QTL被定位和克隆。截至目前，通过QTL定位方法已克隆获得Gnla、Ghd7、qGL7、GW2和DEP1等基因（Ashikari et al.， 2005； Song et al.，2007； Xue et al.，2008； Huang et al.， 2009； Bai et al.，2010），精细定位了qHd1、gw9.1、SPP1、qGN4-1和qSSP7等主效QTL（Xie et al.，2008； Xing et al.，2008； Liu et al.，2009； Deshmukh et al.，2010； Chen et al.，2014）。Ashikari等（2005）利用籼粳交Habataki/Koshihikari及其相应的近等基因系，克隆了与细胞分裂素氧化酶/脱氢酶高度同源的Gnla基因，Gn1a基因编码一种降解细胞分裂素的酶，细胞分裂素会因为该基因的表达减弱而在花序分生组织中累积，使繁殖器官数目增加，从而产生更多的穗粒数，提高了水稻产量。Liu等（2009）通过随机构建近等基因系的F2群体及分子标记技术，将控制穗粒数的主效QTL位点SPP1定位到长度为107 kb的BAC上，该区域预测有一个编码IAA合成酶的基因，LOC_Os01g12160被认为是最可能的候选基因。Bai等（2010）利用籼稻品种南阳占和粳稻品种川7构建F7：8重组自交系群体RIL，并用164个微卫星标记SSR构建了遗传连锁图，发现了一系列主效或微效QTL，微效QTL qGL7对粒型、千粒重和每穗粒数均有影响，通过构建近等基因系的F2群体NIL-F2，最终将qGL7定位在标记RID711和RM6389之间258 kb的范围内。此外，曹立勇等（2003）和吴亚辉等（2014）分别利用临时遗传群體F2和重组自交系群体挖掘了许多非常重要的穗部性状QTL。【本研究切入点】虽然目前已克隆和定位了部分控制穗部性状的有利QTL或基因，其中一些QTL在育种应用上也取得显著成果，但穗部性状QTL被精细定位和克隆的仍然较少，特别是每穗粒数、着粒密度和结实率等较复杂的性状。通过大穗型水稻材料与常规水稻材料构建遗传群体，是对此类有利的QTL进行挖掘和定位的重要途径之一。【拟解决的关键问题】利用本课题组在常规早稻品种96-6种植田间发现的一大穗材料lp1与9311构建F2临时分离群体，对穗长、每穗粒数和着粒密度性状相关QTL进行定位，旨在为这些性状QTL的进一步精细定位和克隆打下基础，同时为大穗材料lp1在育种上的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

大穗型水稻材料lp1为本课题组在常规早稻品种96-6种植田间发现的特殊材料，该材料具有茎秆粗壮、穗长粒大、分蘖力强等优点，经多年种植，确认其各性状可以稳定遗传。与一般材料相比，lp1的穗部表现出有效穗数多、穗长粒少、着粒较稀等特点。本研究利用lp1与9311杂交再自交产生遗传群体F2，用于穗长、每穗粒数和着粒密度性状的QTL定位研究。所有材料均按小区种植于江西农业大学科技园实验田，60株/小区，6行/小区，每行10株，小区间距约50 cm×50 cm，行距约20 cm×20 cm，正常水肥管理。

1. 2 穗部性状考察

成熟期随机收取除边株外lp1和9311各10株、F2群体213个单株用于考种分析。参考《水稻种质资源描述规范和数据标准》对两亲本及F2群体单株进行考种，考察的性状主要有穗长、每穗粒数和着粒密度。利用Excel 2010及SPSS 19.0对考种数据进行统计分析。

1. 3 穗部性状的QTL定位

利用两亲本lp1和9311对江西农业大学作物生理生态与遗传育种重点实验室保存的512对SSR引物和InDel引物进行多态性筛选，共获得差异显著的多态性引物95对，多态性频率为18.55%。利用95对多态性引物对F2群体中213个单株进行基因型鉴定，其中与大穗lp1带型相同的单株记为2，与9311相同的单株记为0，杂合型单株记为1。结合表型数据和基因型鉴定数据，采用QTL IciMapping 4.0中MAP功能构建连锁图谱，图谱覆盖水稻基因组约2196.67 cM，标记间平均距离为23.12 cM，每条染色体标记个数约7.92个。利用bip功能中的完备区间加性模型作图法（ICIM-ADD），以LOD≥2.5作为阈值、1 cM为扫描步长，对相关性状QTL进行检测，QTL的命名遵循McCouch（2008）的原则。

2 结果与分析

2. 1 F2群体与其亲本穗部性状的表型变异

如图1所示，与9311相比，大穗lp1植株表现高大、茎秆粗壮、分蘖力强、穗长粒大等特点，是一种优质的大穗大粒种质资源。对于穗部性状，lp1穗长比9311长15.04%，每穗粒数和着粒密度分别比9311少19.51%和32.32%，各性状间（表1）均存在极显著差异（P<0.01，下同），表明lp1与9311适于构建遗传群体用于穗部性状的QTL定位。

由表1和图2可知，F2群体中穗部各性状均呈现连续变异的特点，且均存在明显的超亲遗传现象，表明穗长、每穗粒数和着粒密度均是由多主效基因控制的数量性状。另外，各性状分布的峰度和偏度均较小，为-0.62～-0.03，说明各性状均基本呈正态分布，获得表型数据可用于进一步的QTL定位研究。

2. 2 表型数据相关性分析结果

如表2所示，F2群体中穗部各性状间均存在极显著的正相关，说明穗长、每穗粒数和着粒密度3个性状可能受同一个主效QTL或紧密连锁的主效QTL控制。

2. 3 穗部性状QTL定位结果

如表3所示，本研究共检测到5个穗部相关性状的QTL，分布于第3、4、6、10和11号染色体上，LOD为2.63～2.91，表型贡献率为7.42%～17.72%，表型贡献率大于10.00%的主效QTL有2个，分别有2个和3个QTL的增效等位基因来源于大穗lp1和9311。

本研究检测到1个控制穗长的QTL qPL-11-1，分布在第11号染色体上，LOD为2.91，表型贡献率达17.72%，增效等位基因来源于lp1；共检测到2个控制每穗粒数的QTL，分布在第4和10号染色体上，LOD分别为2.72和2.75，表型贡献率分别为8.29%和8.12% ，其中qSPP-10-1增效等位基因来源于亲本lp1，qSPP-4-1增效等位基因则来源于9311；检测到2个控制着粒密度的QTL，分布在第3和6号染色体上，LOD分别为2.88和2.63，其中qSDD-3-1表型贡献率为11.30%，为主效QTL，增效等位基因来源于9311（图3）。

3 讨论

水稻穗部性状如穗长、每穗粒数、着粒密度和结实率均属于复杂的数量性状，极易受遗传和环境或两者互作的影响，同时各性状間的相关性在不同学者的研究中也略有差异。大部分学者认为穗长与每穗粒数呈极显著正相关，与着粒密度呈正相关或负相关，也有学者认为两者相关性不显著；大多数学者认为每穗粒数与着粒密度呈显著正相关，也有学者认为两者相关性不显著（王智权等，2011；刘丹等，2013；吴亚辉等，2014；占小登等，2014；周丽慧等，2015）。本研究中，穗长与每穗粒数、着粒密度呈极显著正相关，每穗粒数与着粒密度呈极显著正相关，与大部分学者的研究结果一致，说明本研究构建的遗传群体具有较强的可靠性。水稻穗部性状的QTL定位是QTL定位研究的热点，目前已有较多相关研究报道。吴亚辉等（2014）以日本晴和大穗籼稻材料H71D为亲本构建F2群体，以LOD≥3.0为阈值，对穗长、一次枝梗数、二次枝梗数、总粒数和穗着粒密度等穗部性状进行QTL定位，两年共检测到38个QTL。占小登等（2014）以穗部性状具有明显差异的大粒籼/小粒粳衍生的重组自交系群体为材料，以LOD≥2.5为阈值，对穗长、每穗总粒数、每穗实粒数和着粒密度等性状进行QTL检测，两年共检测到24个穗部性状QTL 。张亚东等（2014）通过穗部性状差异明显的TD70/Kasalath的重组自交系群体，以LOD≥2.5为阈值，对穗长、每穗总粒数和着粒密度3个性状进行QTL检测，两年共检测到5个穗长QTL、8个每穗总粒数QTL和10个着粒密度QTL。通过对比分析，发现本研究所定位的一些QTL与前人的相关研究有很多相似位点，其中第3号染色体中的着粒密度QTL qSSD-3-1、每穗粒数QTL qSSP-10-1分别与张亚东等（2014）报道的qGD3-2、qTSP10位点相近；第4号染色体上控制着粒密度的QTL qSSD-4-1在已克隆的每穗粒数基因Gnla和已精细定位的基因SPP1附近区域（Ashikari et al.， 2005； Liu et al.，2009）。此外，本研究在第6号染色体RM6476～RM1369区间定位到的控制着粒密度QTL qSSD-6-1及在第11号染色体RM2459～ RM26668区间中检测到1个控制穗长的主效QTL qPL-11-1，这两个标记区间内在收集到文献中未见相关的报道，可能是两个新的穗部性状QTL位点。

4 结论

本研究利用大穗材料lp1与9311构建的F2临时分离群体对水稻穗长、每穗粒数和着粒密度3个穗部性状的QTL进行检测，共检测到5个相关QTL，其中表型变异贡献率大于10.00%的主效QTL有2个，分别为qSSD-3-1和qPL-11-1。定位到的主效QTL qSDD-3-1和qPL-11-1可用于分子标记辅助选择育种，新的穗长QTL qPL-11-1可用于精细定位和克隆。

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（責任编辑 麻小燕）