粳稻种质资源苗期耐盐相关性状的SSR标记关联分析

2019-10-21 08:00谢菲菲田普江马帅国白天亮陈静茹田蓉蓉杨治伟李培富
河南农业科学 2019年10期
关键词:耐盐粳稻亚群

谢菲菲,田普江,马帅国,白天亮,陈静茹,张 倩,田蓉蓉,杨治伟,田 蕾,李培富

(宁夏大学 农学院/宁夏优势特色作物现代分子育种重点实验室,宁夏 银川 750021)

在世界范围内盐碱土分布十分广泛,总面积已达10亿hm2[1-2]。我国盐碱土面积庞大[3],分布广泛,盐渍化土壤面积为3.6×107hm2[4],耕地盐渍化比例达6.62%[5]。近年来,随着气候变暖及化肥的大量施用、不合理灌溉等农业措施的影响,我国农业用地盐碱化程度不断加剧[6-7],严重影响了盐渍土地区农业生产的发展。

土壤盐渍化是危害水稻生产的重要非生物胁迫之一[8-10]。水稻(OryzasativaL.)是全世界1/2以上人口的主食来源[11],也是我国主要的粮食作物之一,属于盐敏感作物。当土壤EC值达到3 dS/m时,水稻即表现出受害症状,最终导致显著减产[12]。水稻在幼苗期对盐胁迫最敏感[13]。因此,如何提高水稻苗期耐盐性,已成为培育耐盐水稻品种、增加盐渍土条件下水稻产量、充分利用盐渍土资源的关键。

众多研究表明,水稻苗期耐盐性是受多基因控制的复杂数量性状[14-22]。前人采用连锁分析方法结合各种类型的遗传群体定位了许多控制苗期耐盐相关性状的QTL,主要包括提高水稻耐盐级别[7,19-22]、延长盐胁迫下水稻幼苗存活天数[16,22]、增加株高[11,17,21]、提高植株干鲜质量[7,17,21]、增加地上部和根中的K+含量[15-16,18,21-22]、减少Na+含量[16,18,21-22]、提高钾钠比[11,18,21]的QTL。关联分析是检测QTL的另一种主要方法,利用覆盖全基因组的分子标记获得关联群体的基因型,并与目标性状进行关联分析,扫描引起表型变异的位点。与连锁分析相比,关联分析不需要构建特殊的作图群体,可同时检测相同基因座上的多个等位基因,提供更加丰富的等位变异[23]。近年来,关联分析已广泛应用于水稻农艺性状[24-26]、产量性状[26]、抗稻瘟病[27]基因位点的发掘。在水稻耐盐相关性状关联位点的研究中,ZHENG等[28]利用341份粳稻种质资源结合SSR标记,检测到4个控制幼苗存活天数和8个控制地上部钾钠比的关联位点;KUMAR等[29]在大田条件下评价了220份水稻种质资源的耐盐性,利用基因芯片技术检测到多个在盐胁迫下控制单株产量、有效分蘖数、结实率和钠钾比的关联位点。本研究在前人的基础上,选用38对均匀分布在水稻全基因组的SSR标记对160份粳稻种质资源进行检测,分析多个水稻苗期耐盐相关性状与SSR标记的关联性,以期为水稻苗期耐盐相关位点的发掘、耐盐优异亲本的选择及后代标记辅助选择提供理论支持和材料保障。

1 材料和方法

1.1 试验材料

160份粳稻种质资源由宁夏大学农学院遗传育种实验室李培富教授提供,其中,中国124份、阿尔巴尼亚1份、朝鲜3份、韩国4份、法国1份、南斯拉夫1 份、葡萄牙2份、日本21份、俄罗斯1份、意大利1份、几内亚1份(表1)。

表1 160份粳稻种质资源名称及来源

续表1 160份粳稻种质资源名称及来源

续表1 160份粳稻种质资源名称及来源

1.2 试验方法

1.2.1 水稻苗期耐盐性评价 试验分别于2017、2018 年7 月在宁夏大学实训基地日光温室内进行。参照田蕾等[30]的方法培养粳稻幼苗,并分析耐盐相关性状。于种子萌发的第15 天,设对照组和盐胁迫组(含125 mmol/L NaCl)2 个处理,每处理3个重复,每个重复24株。于胁迫的第6天测定各种质的耐盐级别、叶片伤害百分率(盐胁迫下水稻叶片的电导率大于CK叶片的电导率时,叶片表现为受伤害)、苗高、根长、茎粗、地上部鲜质量和根鲜质量,计算根冠比以及除耐盐级别和叶片伤害百分率之外各指标的相对值(处理指标值/CK指标值)。

1.2.2 DNA的提取及SSR分子标记检测 参照ZHENG等[28]的方法,提取各粳稻种质叶片总DNA,选取均匀分布在水稻全基因组的38对SSR引物对160份粳稻种质资源进行PCR扩增和聚丙烯酰胺凝胶电泳检测。

1.3 数据处理分析

试验数据用Excel 2010软件进行整理和计算,利用SPSS 19.0软件进行相关性分析。

每对SSR引物代表1个位点,将每条扩增条带视为1个等位变异,有条带记为1,无条带记为0,缺失记为9,建立0-1矩阵,按照不同软件要求进行数据应用格式的转换。参照马翠苹等[31]的方法,利用Popgene软件计算Shannon’s信息指数和Nei’s遗传多样性指数。

利用Structure 2.2软件的等位变异发生频率非相关模型和混合模型[32]分析群体结构。亚群数设为2~8个,每次运行的不作数迭代和重复次数均设置为50 000次。每个参数运行5次,以最大似然值△K为标准选取最佳的亚群数。根据相似性最大的运算结果划分组群,后验概率Q≥0.6的种质被划分到相应的组群中,后验概率Q<0.6的种质被划分到混合组群。

使用Tassel 2.1软件的一般线性模型(GLM)进行关联分析[33],将利用Structure 2.2软件计算的后验概率作为协变量,将SSR标记与水稻耐盐相关性状进行回归分析。在P<0.01时,认为SSR标记与耐盐相关性状的关联性显著,统计关联位点对表型变异的贡献率。

2 结果与分析

2.1 粳稻种质资源苗期耐盐相关性状间的相关性分析

由表2可以看出,耐盐级别与相对苗高、相对地上部鲜质量、相对根鲜质量均呈极显著正相关,与相对茎粗呈显著正相关,与叶片伤害百分率、相对根冠比均呈极显著负相关。其中,耐盐级别与叶片伤害百分率的相关系数最大,为-0.657。叶片伤害百分率与相对苗高、相对茎粗、相对地上部鲜质量均呈极显著负相关,与相对根冠比呈极显著正相关。相对苗高与相对根长、相对茎粗、相对地上部鲜质量均呈极显著正相关,与相对根鲜质量呈显著正相关,与相对根冠比呈极显著负相关。相对茎粗与相对地上部鲜质量呈极显著正相关,与相对根冠比呈极显著负相关。相对根长与相对根鲜质量呈显著正相关。相对地上部鲜质量与相对根鲜质量呈极显著正相关,与相对根冠比呈极显著负相关。

表2 盐胁迫下粳稻苗期耐盐相关性状之间的相关系数Tab.2 Correlation coefficient of traits related with salt tolerance of japonica rice germplasm resources at seedling stage under salt stress

注:**表示极显著相关(P<0.01),*表示显著相关(P<0.05)。STS:耐盐级别;LDP:叶片伤害百分率;RPH:相对苗高;RRL:相对根长;RSD:相对茎粗;RSFW:相对地上部鲜质量;RRFW:相对根鲜质量;RRS:相对根冠比。下同。

Notes:** and * mean significant correlations at 0.01,0.05 levels respectively.STS represents salt tolerant score,LDP represents leaf damage percentage,RPH represents relative plant height,RRL represents relative root length,RSD represents relative stem diameter,RSFW represents relative shoot fresh weight,RRFW represents relative root fresh weight,RRS represents relative ratio of root to shoot,the same below.

2.2 粳稻种质资源SSR标记遗传多样性分析

利用38对多态性好且均匀分布在水稻全基因组的SSR引物对160份粳稻种质资源进行遗传多样性分析发现,160份粳稻种质资源表现出较大的遗传变异。共检测到192个等位基因,其中,有效等位基因109.60个,有效等位基因所占比例为57.1%;各位点的等位基因数介于2~11个,平均每个位点检测到5.05个等位基因,有效等位基因数介于1.09~6.88个,平均有效等位基因数为2.88个(表3)。SSR标记RM3513的多态性最好,其有效等位基因数为6.88个,Shannon’s信息指数、Nei’s遗传多样性指数分别为2.092 5、0.854 6;RM1136的多态性最差,其有效等位基因数仅为1.09个,Nei’s遗传多样性指数和Shannon’s信息指数均为最低。

表3 粳稻种质资源SSR标记遗传多样性

续表3 粳稻种质资源SSR标记遗传多样性

2.3 粳稻种质资源群体结构分析

由图1可知,当粳稻种质资源亚群数为3时,△K值最高,参试的粳稻种质资源分布于稳定的类群中。后验概率Q≥0.6的粳稻种质主要分为3个亚群(图2),深灰色区域为第一亚群,包括63份种质,大部分来源于我国的东北地区及云南、江苏等省,来自欧洲的6份种质都属于该类群;浅灰色区域为第二亚群,包括48份种质,主要来源于我国吉林、黑龙江、贵州、山西等省及日本、韩国、朝鲜等东亚国家;黑色区域为第三亚群,包括47份种质,除日本晴外,全部来源于宁夏回族自治区和新疆维吾尔自治区;剩余2份种质的后验概率Q<0.60,被划为混合类群,分别为盐城268和黄叶彩稻。

图1 ΔK值随亚群数的变化Fig.1 Change of ΔK value with the subgroup number

图2 160份粳稻种质资源的群体结构

对3个亚群粳稻种质的耐盐级别、叶片伤害百分率、相对苗高等耐盐相关性状进行分析(图3)发现,第三亚群粳稻种质的耐盐级别显著高于第二亚群,第一亚群种质的叶片伤害百分率显著低于第二亚群,第三亚群的相对苗高显著高于第一、二亚群,第二亚群的相对茎粗和相对根冠比显著高于第三亚群,第一亚群的相对地上部鲜质量显著高于第二亚群,相对根长和相对根鲜质量在3个亚群间均无显著差异。总体来看,3个亚群中第三亚群耐盐性相对较强,第二亚群耐盐性较弱。

不同小写字母表示不同亚群间的差异达到显著水平(P<0.05)Different lowercase letters mean significant differences among different subgroups(P<0.05)图3 不同亚群粳稻种质资源苗期耐盐相关性状表现

2.4 粳稻苗期耐盐相关性状与SSR标记的关联分析

共检测到与水稻苗期耐盐相关性状显著关联的SSR位点11个,分布于水稻第1、3、4、7、8、9、10、11、12染色体上,表型贡献率为4.10%~18.85%(表4)。其中,位于第11染色体的相对地上部鲜质量关联位点RM286-7的贡献率最高,表型效应值为-8.83%,载体种质为TOPOLea;表型贡献率最低的是位于第10染色体与相对苗高关联的位点RM333-7,表型效应值为8.97%,载体种质为宁粳41号。在有利于提高水稻苗期耐盐性的关联位点中,位于第4染色体的耐盐级别关联位点RM7585-1的表型贡献率较高,为6.80%,表型效应值为1.32,载体种质为Bertone。另外,同一位点的不同等位变异间表型效应存在一定的差异,如位点RM5647的2个等位变异中,1个为增效,1个为减效。

表4 与苗期耐盐相关性状显著关联的SSR位点及其表型贡献率、表型效应值和载体种质

3 结论与讨论

作物种质资源在漫长的自然进化和人工选择过程中,积累了丰富的遗传变异,其遗传多样性的高低是育种家在遗传改良和新品种选育过程中选择杂交亲本的重要依据。在水稻种质资源遗传多样性评价中,多采用分子标记分析群体结构和遗传多样性指数[32-35]。本研究利用38个SSR标记对160份粳稻种质资源的遗传多样性进行分析发现,Shannon’s信息指数和Nei’s遗传多样性指数的平均值分别为1.139 4和0.586 9,与张晓丽等[34]的研究结果较为一致,遗传多样性低于张科等[35]的研究结果,这可能与种质资源的来源、群体的大小、分子标记的种类和数量密切相关。

关联分析是剖析复杂数量性状遗传基础、发掘目标性状基因位点的重要方法。陈氏秋江等[33]利用SSR标记检测了540份水稻品种的基因型,发掘了多个与水稻粒长、粒宽、粒厚和千粒质量等籽粒性状紧密关联的位点;在水稻耐盐相关性状的关联分析研究中,李宪伟等[36]以176份粳稻种质资源为研究材料,利用中度苏打盐碱土进行芽期胁迫,共检测到13个与粳稻芽期耐盐碱性显著关联的SSR位点。本研究利用160份粳稻种质资源开展水稻苗期耐盐相关性状的SSR标记关联分析,共检测到与水稻苗期耐盐相关性状显著关联的SSR位点11个,分布于除水稻第2、5、6染色体外的其他染色体上,表型贡献率介于4.10%~18.85%。其中,位于水稻第3染色体上的与相对地上部鲜质量关联的位点RM5474与GHOMI等[37]检测到的控制盐胁迫下水稻地上部鲜/干质量和生物量的QTLsqSFW-3、qSDW-3、qBM-3位于相同的染色体区间;在水稻第4染色体上检测到的与耐盐级别相关联的位点RM7585与ZHENG等[28]检测到的控制水稻地上部钾钠比的关联位点位于相近的染色体区间;在水稻第8染色体上检测到的分别与耐盐级别、相对地上部鲜质量、相对根冠比和叶片伤害百分率4个性状相关联的位点RM5647与控制地上部干质量的qDM-8[38]和调控地上部钾钠比的qSNK-8[37]位于相近的染色体区间;THOMSON等[39]在水稻第9染色体上RM24330附近分别检测到控制地上部钠钾比、根钠钾比、耐盐级别的qSNK9、qRNK9、qSES9,该位点在本研究中与相对根长相关联。

分子标记聚合育种是作物遗传改良的重要手段之一,通过多个有效基因的聚合,可有针对性地改良水稻的不良性状,实现优良基因的整合。本研究检测到多个水稻苗期耐盐相关性状的关联位点,其中贡献率较高的位点和等位变异可用于该关联性状的分子标记辅助选择;用相应的载体种质为供体,与宁夏主栽水稻品种配制杂交组合,在F2直接选择目标性状位点为纯合耐盐等位变异的单株,在之后的世代可通过农艺性状筛选,获得综合性状良好、苗期耐盐性强的优良品系,可为耐盐水稻品种的选育提供优良的中间材料和技术支持。

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