盐碱胁迫下水稻苗期地上部Na+、K+浓度的QTL分析

李佳锐,张萃雯,刘化龙,王敬国,孙 健,李 宁, 雷 蕾,李宪伟,邹德堂,郑洪亮

(东北农业大学 寒地粮食作物种质创新与生理生态教育部重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150030)

气候变化和不合理的灌溉使全球盐碱地的面积日趋增加。据统计,全世界盐碱地的面积约为9.54亿hm2,且每年以1.0×106～1.5×106hm2的速度增长[1]。松嫩平原西部是我国最主要的内陆盐碱地集中区之一,同时也是世界三大片苏打盐渍土集中分布区之一,盐碱化土地面积300万hm2。盐碱地种稻是改良盐碱地最有效的手段之一,所以改良水稻耐盐、碱性是盐碱地种稻的前提。已有研究表明,水稻苗期对盐、碱胁迫最为敏感[2],而苗期迅速返青成活是盐碱地种稻的关键。盐胁迫主要造成离子毒害和渗透胁迫,增加土壤渗透势[3],使植株体内的Na+含量升高,并影响K+的吸收,引起离子平衡失调,进而引起植物体内的各种生理变化[4]。碱胁迫会使植株变矮,叶面积指数变小,分蘖减少,叶绿素含量降低,进而生物学产量和经济产量下降[5-7]。盐、碱双重胁迫则会阻碍水稻的生长发育,使细胞代谢减慢,光合作用和呼吸作用受阻。过度盐碱害甚至还会导致水稻死亡[8]。综上,盐、碱胁迫不仅会限制水稻的生产面积进一步扩大,而且还会降低水稻产量。

近年来,国内外研究学者对水稻的耐盐、碱性进行了大量的QTL定位研究。Sabouri等[9]定位到与耐盐等级、苗高、和苗干质量相关的6个QTL。Thomson等[10]利用NILs群体定位到了27个控制水稻苗期耐盐相关性状的QTL。祁栋灵[11]利用碱胁迫高产106/长白9号的F2:3家系群体,检测到7个影响水稻发芽率的QTL,6个影响水稻碱害率的QTL。杨静[12]利用Lemont和特青的双向回交导入系群体,检测到了18个与耐盐性相关的QTL。Lee等[13]利用NILs群体定位到2个影响水稻苗期盐害级别的QTL。顾兴友等[14]利用Pokkali和Peta的BC1群体,检测到4个影响水稻苗期和成熟期耐盐性的QTL。邢军等[15]利用东农425和长白10号的RIL群体,检测到5个耐盐QTL和10个耐碱QTL。目前,在盐胁迫下对水稻Na+、K+浓度的QTL定位研究较多,但在碱胁迫下的相关研究少有报道,同一试验中在盐、碱胁迫条件下同时进行研究和比较的分析更是鲜见报道。因此,在盐、碱胁迫条件下同时对水稻Na+、K+的遗传机制进行研究具有重大意义,更为耐盐、碱水稻的品种选育奠定基础。

本研究利用小白粳子/空育131衍生的含有200个株系的RIL群体,及其包含142个SSR标记的遗传连锁图谱对盐、碱胁迫条件下水稻苗期盐、碱害级别、地上部Na+浓度、K+浓度及Na+/K+进行QTL分析,旨在进一步获得耐盐、碱主效QTL,为水稻耐盐、碱性QTL的精细定位和分子辅助选择育种提供科学依据并奠定理论基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料

以陆稻品种小白粳子为母本,耐盐、碱水稻品种空育131为父本配置杂交组合,通过“单粒传”得到了包含200个家系的F9群体材料。

1.2 水稻苗期耐盐性和耐碱性鉴定

试验于东北农业大学农学院水稻育种研究室内进行,试验共设盐胁迫和碱胁迫2种处理。选取籽粒饱满的种子在50 ℃烘干48 h打破休眠,用0.5%次氯酸钠处理10 min进行表面消毒,再用清水冲洗3次后催芽。每个家系及亲本种子选取24粒露白发芽一致种子播种于底部剪孔的PCR板中,置于15 L盛有水的塑料盘中,用pH值5.5左右的清水培养至三叶一心期。盐胁迫将清水换成含120 mmol/L NaCl的营养液处理12 d,营养液的pH维持在5.5左右,碱胁迫将清水换成40 mmol/L NaHCO3营养液处理12 d,pH维持在8.5左右,每2 d换1次营养液。在盐、碱胁迫12 d后,每个株系选取10株测量盐、碱害级别,盐、碱害级别规定为1～9级(具体分级标准见表1)。然后收获每个株系的地上部分,105 ℃杀青,随后在80 ℃条件下烘干至恒质量,每个品种称取0.5 g剪碎的烘干苗放入试管中,然后加入10 mL浓度为1 mmol/L的稀盐酸溶液,于55 ℃振荡培养箱(ZHSY-50N型,由上海知楚仪器有限公司制造)中振荡提取3 h,将样品稀释后用火焰光度计(M410型,由上海仪电分析仪器有限公司制造)分别测定Na+、K+浓度并进一步计算Na+/K+(性状缩写见表2)。

表1 水稻苗期盐、碱害级别的评价标准Tab.1 Evaluation criteria for score of salt and alkali toxicity at seedling stage of rice

表2 性状全称及缩写Tab.2 Characters full name and abbreviation

1.3 遗传连锁图谱的构建及 QTL 分析

本研究在Xing等[16]利用两亲本衍生的F6RIL群体构建的包含104个SSR分子标记的遗传图谱基础上新增38个SSR标记。利用Mapmaker 3.0软件构建图谱,使用Kosambi函数将重组率转化为遗传距离(cM),新图谱全长1 290.25 cM,平均标记间距为9.09 cM。采用 Mapchart 2.2 进行遗传连锁图谱的绘制,利用 IciMapping v3.3的完备区间作图法(ICIM)进行QTL定位[17],LOD=2.5为QTL的阈值,QTL的命名原则遵循McCouch等[18]方法。

2 结果与分析

2.1 水稻盐、碱胁迫条件下苗期 Na+、K+浓度分析

通过对亲本及重组自交系群体在盐、碱胁迫条件下盐、碱害级别、地上部Na+、K+浓度及 Na+/K+的统计分析,可得出以下结果(表3)。在盐、碱胁迫条件下SST、SSNC、SSKC、SSNK、SAT、ASNC、ASKC、ASNK在空育131和小白粳子两亲本间均呈极显著差异。RIL群体中SST高于SAT,表明RIL群体相对盐胁迫更耐碱胁迫；SSNC和SSKC分别高于ASNC和ASKC,但ASNK高于SSNK；SSNC数据变异范围最大,为7.83～35.02,其次为ASNC,变异范围为5.87～20.01,SSNK和ASNK的变异系数最大,分别为37.65%和32.47%；除ASKC外,重组自交系的其他性状的平均值均介于小白粳子和空育131之间且存在明显的超亲分离现象。对数据进行正态分布的适合性检验,发现数据基本都符合正态分布,表现出了典型的数量性状遗传特征,符合QTL定位的要求(图1)。

表3 盐、碱胁迫条件下水稻亲本及重组自交系群体的表型性状Tab.3 Phenotypic characters of rice parents and recombinant inbred populations under salt and alkaline stress

注:不同大写字母表示在0.01水平上差异极显著。

Note:Different capital letter indicate extremely significant difference at the level of 0.01.

图1 盐、碱胁迫下盐碱害级别、地上部Na+浓度、K+浓度、Na+/K+的分布Fig.1 The distribution of score of salt toxicity and alkali toxicity,the shoot Na+ concentrations, K+ concentrations,Na+/K+under salt stress and alkaline stress

2.2 水稻盐、碱胁迫条件下 Na+、K+相关表型性状的相关性分析

对盐、碱胁迫条件下SST、SSNC、SSKC、SSNK、SAT、ASNC、ASKC、ASNK等8个性状进行相关分析(表4)。盐胁迫下,SSNK与SSNC呈极显著正相关,而SSNK与SSKC呈极显著负相关,SST与SSNC、SSNK呈显著正相关,说明地上部Na+浓度越高,盐害级别越大；碱胁迫下,ASNC与ASNK呈极显著正相关,与SAT呈显著正相关,ASKC与ASNC呈显著正相关,ASKC与ASNK呈显著负相关。SSNC与SSNK、ASNC与ASNK的相关系数较大,分别为0.821和0.629；SSNK与ASKC呈极显著正相关,相关系数为0.429。

表4 各性状间的相关系数Tab.4 Correlation coefficients of each trait

注:*.在0.05水平上显著相关；**.在0.01水平上极显著相关。

Note:*.Significant correlation at the level of 0.05;**.Extremely significant correlation at the level of 0.01.

2.3 水稻耐盐、碱相关性状的QTL分析

在盐、碱胁迫条件下,对SST、SSNC、SSKC、SSNK、SAT、ASNC、ASKC、ASNK等8个性状进行QTL分析(表5),2种条件下共检测到15个QTL,分布在第2,3,5,7,8,9,11,12染色体上(图2),发现有13个QTL为已知QTL，LOD值2.52～6.59,表型贡献率为6.10%～28.00%。

在盐胁迫条件下共检测到7个QTL。检测到3个与SST相关的QTL,分布在第3,5,11染色体上,其中qSST11的贡献率最大,为9.12%,增效等位基因来自于空育131；在第3和第9染色体上检测到2个与SSNC相关的QTL,其中qSSNC9的贡献率较大,为28.00%,增效等位基因来自于空育131；在第11染色体上检测到1个与SSKC相关的QTL即qSSKC11,它的增效等位基因来自于空育131；在第2染色体上检测到1个与SSNK相关的QTL即qSSNK2,它的增效等位基因来自于空育131。

在碱胁迫条件下共检测到8个QTL。在第3,

表5 水稻苗期各性状的QTL及遗传效应Tab.5 QTLs and genetic effects of rice traits at seedling stage

注:QTL命名中的第一个大写字母S和A分别代表盐胁迫和碱胁迫。

Note:The first capital letter S and A represent salt stress and alkaline stress.

.分别代表盐胁迫下的SST、SSNC、SSKC、SSNK的QTL；.分别代表碱胁迫下的SAT、ASNC、ASKC、ASNK的QTL。 .QTL for SST，SSNC，SSKC，SSNK under salt stress;.QTL for SAT，ASNC，ASKC，ASNK under alkaline stress.

7,8染色体上检测到3个与SAT有关的QTL即qSAT3、qSAT7、qSAT8,其中qSAT3的贡献率最大,为10.13%,它的增效等位基因来自于空育131；在第8,12染色体上检测到2个有关ASNC的QTL,其中qASNC8的贡献率较大,为14.99%,增效等位基因来自于空育131；在第2和第8染色体上检测到2个与ASKC相关的QTL,其中qASKC8的贡献率最大,为14.53%,增效等位基因来自于空育131；在第3染色体上检测到1个与ASNK相关的QTL即qASNK3,它的增效等位基因来自于小白粳子。

3 讨论与结论

3.1 水稻苗期耐盐、碱性及Na+、K+的关系

水稻的耐盐、碱性是极其复杂的遗传性状,涉及水稻生长发育过程中不同阶段的一系列生理生化过程。水稻发育过程中种子萌芽期和分蘖拔节期的耐盐、碱性要强于幼苗期[26],同时水稻苗期是其受盐、碱胁迫较敏感的时期,所以在苗期对水稻进行相关性状的耐盐、碱性的检测,结果会较为准确。郑少玲等[27]认为耐盐的水稻品种自身会对Na+有积累作用,水稻地下部的Na+会抑制其向地上部运输,所以地上部的Na+较少,致使品种本身的耐盐性提高。Sharma[28]对耐碱品种和敏碱品种做了比较分析,研究发现耐碱品种体内积累了较低的Na+和较高的K+,而敏碱品种恰恰相反,说明耐碱品种体内存在一种生理机制,可以在吸收的K+同时控制Na+的进入,进而具有较高的K+/Na+。本研究中发现,盐、碱胁迫条件下水稻的SST与SAT定位在不同区间,说明水稻耐盐性和耐碱性之间可能存在不同的遗传机制,而盐胁迫下与Na+浓度相关的qSSNC3和碱胁迫下与Na+/K+相关的qASNK3定位在了相邻区间,盐胁迫下与Na+/K+相关的qSSNK2和碱胁迫下与K+浓度相关的qASKC2定位在了相同区间,说明盐、碱胁迫条件下的地上部Na+、K+浓度具有一定的遗传重叠。

3.2 盐、碱胁迫下Na+、K+的相关性与QTL分析

影响相关性状的QTL常常被定位在相同或相邻的染色体区域内[29-31]。盐胁迫下,郑洪亮等[32]的研究发现,影响水稻幼苗前期相对苗高的RSH与影响相对根数的RRN呈极显著正相关,qRSH3与qRRN3定位在了第3染色体的相同区间RM1324～RM517；碱胁迫下,邹德堂等[33]的研究表明,影响水稻抽穗期叶长的Ll与影响叶面积的LAR呈极显著正相关,qALl8与qALAR8定位在了第8染色体的相同区间RM22475～Indel66。本研究中,SSNC与ASNK 呈显著正相关,SSNK与ASKC呈极显著正相关,ASKC与ASNC呈显著正相关,SAT与ASNC呈显著正相关。同时通过QTL定位发现,qSSNC3和qASNK3定位在了相邻区间RM13893～RM1350和RM1350～RM504；qSSNK2和qASKC2定位在了相同区间RM341～RM1358；qASKC8与qASNC8定位在了相邻区间RM1235～RM547和RM547～RM22750；qSAT8和qASNC8定位在了相同区间RM547～RM22750,表明这些QTL可能有部分重叠区域或存在紧密连锁,或者为一因多效。

3.3 与前人研究结果的比较分析

到目前为止,前人已对水稻耐盐、碱性QTL定位进行了大量研究[34-36]。通过相同的SSR标记和比较图谱[37-39],将本研究定位到的苗期耐盐、耐碱QTL与前人耐盐、耐碱QTL结果进行比较,发现本研究检测到的15个QTL中有13个与前人定位在相邻或相同区间。本研究中影响苗期地上部盐害级别的qSST3与程立锐[19]在盐胁迫下检测到的影响根部Na+浓度的qSRNC3-1定位在了相邻区间；qSST5与柴路[20]在盐胁迫下检测到的影响单株产量的QTgw5定位在了相邻区间；qSST11与在盐胁迫下检测到的影响千粒质量的QGyp11定位在了相邻区间[20]；qSSNC9、qSSNC3、qSSKC11、qSSNK2分别与在盐胁迫下检测到的影响单株产量的QTgw9[20]、影响发芽率的相对盐害率qSRGP3-2[21]、影响单株产量的GYP[20]、影响Na+浓度的QSnc2[19]定位在了相邻区间。影响苗期地上部K+浓度的qASKC8与在碱胁迫下检测到的影响千粒质量的GW定位在了相邻区间[19]；qASNK3与曲英萍[21]在碱胁迫下检测到的影响死叶率的qADLR3-2定位在了相邻区间；qASKC2、qASNC12、qSAT3、qSAT7分别与在碱胁迫下检测到的影响幼苗前期碱害率的ADS[25]、影响根数的qN-ARN3[24]、影响地上部Na+/K+浓度的qSNK3[22]、影响发芽率相对盐害率的qAGRA7-2定位在了相邻区间[23]。这些QTL能在不同遗传背景下被检测到,表明它们是稳定的QTL。另外,本研究定位在相同区间RM547～RM22750的qSAT8和qASNC8,在前人研究中未见报道,可能是新的QTL位点,有待进一步研究。

3.4 结论

本研究在盐、碱2种胁迫条件下共定位到了15个QTL,其中盐、碱胁迫条件下分别检测到7,8个QTL,分布在第2,3,5,7,8,9,11和12染色体上,表型贡献率在6.10%～28.00%,其中13个QTL与前人定位在相邻或相同区间,而位于RM547～RM22750之间的qSAT8和qASNC8为新的QTL位点。

水稻苗期耐盐性和耐碱性之间可能存在不同的遗传机制,而盐、碱胁迫条件下地上部Na+、K+浓度具有一定的遗传重叠。