非洲栽培稻基因渗入系粒形和剑叶形态性状的QTL定位

杨莹莹 李若思 王一平 袁筱萍 章孟臣 杨窑龙 魏兴华 冯 跃

(中国水稻研究所国家水稻改良中心/水稻生物学国家重点实验室,浙江 杭州 310006)

水稻是重要的粮食作物，全世界1/3的人口以水稻为主食。在我国水稻约占粮食播种面积与总产量的35%和45%，是第一大粮食作物，是近65%人口的口粮[1]。近年来，我国人均耕地面积明显减少，极端天气事件频发，粮食安全问题日益突出，提高单产水平成为解决该问题的重要途径。水稻粒形性状是影响产量的重要因素之一，反映粒形性状的指标有粒长、粒宽、粒厚、籽粒长宽比、千粒重等[2]。水稻粒形不仅是评价水稻产量的重要指标，还会影响稻米的外观品质、蒸煮食味品质和营养品质[3]。水稻产量的物质来源主要是光合产物，水稻叶片是光合作用的主要器官，剑叶作为功能叶，可以促进籽粒灌浆，对水稻千粒重起着非常关键的作用，从而影响水稻的产量[4]。因此，研究粒形和剑叶形态性状的遗传基础对水稻高产优质育种具有重要意义。

水稻剑叶形态和粒形性状一般是由多基因控制的数量性状[4-6]。随着分子生物学特别是分子标记技术的飞速发展，DNA分子标记技术已广泛应用于水稻遗传连锁图谱的构建、基因定位克隆、分子标记辅助育种等研究领域。近20年来，越来越多的剑叶形态和粒形性状数量性状位点(quantitative trait locus, QTL)或基因被定位和克隆。尽管目前已经定位了许多剑叶形态性状QTL或基因，但只有如NAL1[7]、NAL2[8]、NAL3[8]、NAL7[9]、NRL1[10]、NRL2[11]等少数几个基因被克隆。目前水稻中已有500多个控制粒形性状的QTL被定位，并已克隆了包括GS3[12]、GW2[13]、GW8[14]、GL7/GW7[15-16]、GS9[17]等共60个粒形基因[18]。

鉴定和发掘不同遗传资源中剑叶形态和粒形性状QTL对提高水稻产量、改善稻米品质具有重要作用。非洲栽培稻作为重要的水稻种质资源，尽管有低产、易倒伏、易落粒等问题，但具有抗病虫、耐干旱、耐高温、耐盐碱等优良基因，对亚洲栽培稻品种改良具有重要意义[19-20]。非洲栽培稻基因渗入系可以为普通栽培稻遗传背景提供新的有利基因，如果能将这些优良基因引入普通栽培稻中，将为水稻高产优质分子设计育种提供具有重要价值的基因资源。本研究以非洲栽培稻基因渗入系YIL60与轮回亲本中9B(Z9B)杂交衍生的包含188个株系的F2和F2∶3群体为材料，对剑叶形态性状包括剑叶长、剑叶宽，粒形性状包括粒长、粒宽、籽粒长宽比、千粒重进行QTL定位，旨在为水稻粒形和剑叶形态性状QTL的精细定位、克隆及分子标记辅助选择育种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

从一套以非洲栽培稻Y4为供体亲本、籼稻品种中9B(Z9B)为轮回亲本构建的基因渗入系群体BC4F5中，筛选到一份剑叶变短变窄、籽粒变宽的基因渗入系YIL60(图1)。以该渗入系YIL60为母本，与Z9B杂交得到F1，F1自交获得包含188个株系的F2群体，F2单株收获种子种植获得F2∶3群体。

1.2 图谱构建

利用均匀分布在水稻12条染色体上的512对SSR引物对Z9B和Y4进行多态性筛选，获得两亲本间扩增条带有差异的183对SSR标记，再利用这183对SSR标记对Z9B和YIL60进行多态性筛选，共筛选得到28对多态性标记，利用该28对SSR标记对F2群体各株系的DNA进行PCR扩增，构建染色体局部遗传连锁图谱，用于QTL定位，染色体图谱见图2，图中白色部分为Z9B的染色体图，黑色部分为YIL60的渗入片段，该片段共有11个，分布于9条染色体上，总长度为209.3 cM。

1.3 田间种植与性状调查

分别于2018年和2019年5—9月将Z9B、YIL60、F2和F2∶3群体种植在中国水稻研究所富阳实验基地。F2、F2∶3群体单本插，F2∶3群体每个株系10行，每行6株，株行距为20 cm×25 cm，常规田间管理。抽穗10 d后，每个株系随机选取中间两行各4株，每株上取主茎剑叶1片，测定剑叶长、宽(剑叶最宽处的宽度)；取8片剑叶的平均值进行数据分析。群体植株成熟后，根据Zhang等[21]的方法挑选籽粒饱满的种子，利用SC-G型万深考种仪(杭州万深检测科技有限公司)测定粒长、粒宽、千粒重，每个株系重复3次，取平均值作为各株系的表型值。籽粒长宽比等于粒长除以粒宽。

1.4 QTL定位

利用Mapmarker/Exp3.0软件[22]进行连锁分析，采用Kosambi函数将标记间的重组率转换成遗传图距(cM)。采用Windows QTL Cartographer 2.5软件(http://statgen.ncsu.edu/qtlcart/WQTLCart.htm)的复合区间作图法对F2和F2∶3群体进行QTL检测，确定每个QTL的位置、加性效应和表型贡献率。QTL阈值设为2.5，检测可能存在的QTL，QTL命名原则遵循McCouch等[23]的方法。

2 结果与分析

2.1 F2、F2∶3群体及亲本粒形和剑叶形态性状的表型分析

Z9B、YIL60、F2和F2∶3群体的粒长、粒宽、籽粒长宽比、千粒重、剑叶长、剑叶宽的表型分布见表1、图3。由表1可知，YIL60的粒长、粒宽、千粒重极显著大于Z9B，而Z9B的籽粒长宽比、剑叶长、剑叶宽极显著大于YIL60；双亲间的遗传差异较大，有利于QTL定位。由表1和图3可见，F2和F2∶3群体各表型值均表现为连续变异，且呈连续的正态分布，各性状的偏度系数和峰度系数均小于1，呈数量性状的遗传特点，符合QTL区间作图的要求。

注：a: bar=30 cm; b： 粒形, bar=1 cm； c：剑叶形态性状，bar=4 cm。Note: a: bar=30 cm. b: Grain shape, bar=1 cm. c: Flag leaf morphology, bar=4 cm.图1 亲本中9B与YIL60株型Fig.1 Plant type of Z9B and YIL60

2.2 F2和F2∶3群体各性状间的相关分析

对Z9B/YIL60的F2和F2∶3群体粒形和剑叶形态性状间的相关分析表明，部分性状间存在显著或极显著的相关性(表2)。其中粒长与粒宽、籽粒长宽比、千粒重在F2、F2∶3群体中均呈极显著正相关；粒宽与千粒重在F2、F2∶3群体中呈极显著正相关，而与籽粒长宽比在F2、F2∶3群体中呈极显著负相关；籽粒长宽比与千

表1 亲本、F2和F2∶3群体粒形和剑叶形态性状的表型值Table 1 Phenotype values of grain shape and flag leaf traits in the F2 and F2∶3populations and their parents

表2 Z9B/YIL60 F2与F2∶3群体粒形和剑叶形态性状的相关系数Table 2 Correlation coefficients among agronomic traits in F2 and F2∶3 population of Z9B/YIL60

注：实心符号表示F2群体；空心符号表示F2∶3群体；染色体上黑色为渗入片段。Note: Solid symbols indicated F2 population, hollow symbols indicated F2∶3 population, the black on the chromosome is the introgression fragment.图2 F2、F2∶3群体中检测到的控制水稻粒形和剑叶形态性状的QTL在染色体上的分布Fig.2 Distribution of QTLs for grain shape and flag leaf traits detected in F2 and F2∶3 populations

图3 Z9B/YIL60 F2与F2∶3群体粒形和剑叶形态性状表型频率分布Fig.3 Phenotypic frequency distribution of grain shape and flag leaf traits in F2 and F2∶3 populations of Z9B/YIL60

粒重、剑叶宽在F2∶3群体中呈显著和极显著负相关；F2群体中粒长与剑叶长之间呈极显著正相关，与剑叶宽呈显著正相关；千粒重与剑叶长、剑叶宽在F2群体中均呈极显著正相关，千粒重与剑叶宽在F2∶3群体中呈显著正相关；剑叶长与剑叶宽在F2、F2∶3群体中均呈极显著正相关。

2.3 F2和F2∶3群体粒形和剑叶形态性状的QTL定位

利用Win QTL cartographer 2.5软件进行QTL符合区间作图法分析，在Z9B/YIL60构建的F2和F2∶3群体中共检测到16个控制粒形和剑叶形态性状的QTL，分布于第1、第6、第7、第10和第11号染色体上(表3和图2)，LOD值介于2.77～13.25，可解释的表型贡献率为2.25%～25.64%。共检测到9个控制粒形性状的QTL，分别位于第1、第6和第7染色体的4个染色体区域，可解释的表型贡献率介于2.25%～25.64%。其中控制粒长的QTL有2个(qGL6和qGL7)，分别在F2∶3和F2群体中被检测到，位于第6和第7染色体的RM1369-RM6775和RM3859-RM3394区间，表型贡献率分别为7.77%和5.75%，增效等位基因均来自YIL60。控制粒宽的QTL有3个(qGW1、qGW7-1、qGW7-2)，分别位于第1、第7和第7染色体的RM1329-RM8068、RM11-RM542和RM3859-RM3394区间，可解释的表型贡献率介于2.25%～18.70%，其中qGW7-1在F2和F2∶3群体中均被检测到，除qGW1增效等位基因来自Z9B，其余2个QTL增效等位基因均来自YIL60。控制籽粒长宽比的QTL有2个(qLWR1、qLWR7)，分别位于第1和第7染色体的RM1329-RM8068和RM3859-RM3394区间，可解释的表型贡献率为3.14%和11.33%，增效等位基因分别来自YIL60和Z9B。控制千粒重的QTL有2个，为qTGW6、qTGW7，分别位于第6和第7染色体的RM1369-RM6775和RM3859-RM3394区间，表型贡献率为7.40%～25.64%，增效等位基因均来自YIL60，其中qTGW7在F2和F2∶3群体中均被检测到，可解释的表型贡献率为7.40%和17.10%。

控制剑叶形态性状的QTL有7个，分别位于第1、第6、第10和第11号染色体上，贡献率为2.56%～16.35%。其中检测到1个剑叶长QTL，位于第10号染色体RM25366-RM216区间，在F2和F2∶3群体中均被检测到，可解释的表型贡献率为7.35%和7.12%，加性效应均来自于Z9B。检测到6个控制剑叶宽的QTL，分别位于第1、第6、第10和第11号染色体上，表型贡献率介于2.56%～16.35%，其中qFLW10在F2和F2∶3群体中均被检测到，可解释的表型贡献率为5.24%和10.40%，增效等位基因来自Z9B；qFLW6和qFLW11仅在F2群体中被检测到，增效等位基因分别来自Z9B和YIL60；而qFLW1、qFLW11-1、qFLW11-2和qFLW11-3仅在F2∶3群体中被检测到，除qFLW1增效等位基因来自Z9B，其余3个QTL增效等位基因均来自YIL60。

3 讨论

水稻粒形和剑叶形态性状是重要的农艺性状，也是育种的主要目标性状，与水稻的产量和品质密切相关，探究水稻粒形和剑叶形态的遗传基础对提高水稻产量和改善稻米品质具有重要意义。目前定位和克隆的粒形和剑叶QTL大部分都来源于亚洲栽培稻。独立起源和驯化的非洲栽培稻含有大量可以用于改良亚洲栽培稻的优良基因[24]。因此，本研究利用粒形和剑叶形态性状差异明显的籼稻Z9B和非洲栽培稻渗入系YIL60作为亲本构建的F2和F2∶3群体为供试材料，对粒形和剑叶形态性状进行QTL定位，共检测到16个QTL，包括9个粒形性状相关的QTL和7个剑叶形态性状的QTL。其中粒宽QTL-qGW7-1、剑叶长QTL-qFLL10、剑叶宽QTL-qFLW10、千粒重QTL-qTGW7在F2和F2∶3群体中被重复检测到。

目前已有许多关于水稻粒形和剑叶形态QTL的相关报道，与前人定位结果相比，本研究检测到的部分QTL与前人定位的区间相近或者一致。如本研究在第7染色体RM3859-RM3394区间检测到同时控制粒长、粒宽、籽粒长宽比和千粒重的QTL，对表型变异的贡献率介于5.75%～17.10%之间，是一个主效QTL位点，其增效等位基因均来自非洲栽培稻基因渗入系

表3 Z9B/YIL60 F2与F2∶3群体检测到的粒形和剑叶形态性状QTL分布情况Table 3 QTL distributions of yield related traits detected in the F2 and F2∶3 population of Z9B/YIL60

YIL60。王小雷等[25]利用越光/昌恢121染色体片段置换系群体在相同区间检测到一个控制粒长的QTL；邹德堂等[26]利用东农425/长白10衍生的F2∶3群体在相同区间也检测到一个控制粒长的QTL；该区间尚未有粒形QTL或基因克隆的报道，值得进一步深入研究。本研究定位在第7号染色体上的qGL7-1与邹德堂等[26]定位的qGL7-2区间重叠，与已克隆的GLW7[27]和GL7[14]/GW7[15]基因分别位于相同和相邻区间。定位在第10号染色体上的qFLW10与李睿等[28]定位到的qFLW10-1位于相邻区间。定位在第11号染色体上的qFLW11-1与周勇等[29]利用日本晴/广陆矮4号染色体片段代换系群体定位到的qFLW11位于临近区间，Cai等[30]也在相邻区间检测到控制叶宽的QTL。这些在不同研究中利用不同遗传群体重复定位到的QTL，能稳定遗传且贡献率较高，有必要进行进一步精细定位和图位克隆。

粒形或剑叶形态性状QTL定位在同一染色体的相同或相邻区域，这可能是一因多效或者相关性状QTL紧密连锁的结果[31-33]。本研究在第7号染色体RM3859-RM3394区间检测到同时控制粒长、粒宽、籽粒长宽比和千粒重的QTL；在第6号染色体RM1369-RM6775区间检测到同时控制粒长和千粒重的QTL；在第10号染色体RM25366-RM216区间检测到同时控制剑叶长和剑叶宽的QTL；表明剑叶长与宽、粒形性状之间存在紧密的相关性，这与相关性分析结果相一致。另外，本研究在F2和F2∶3群体分别检测一个剑叶宽QTL与RM202紧密连锁，沈波等[34]检测到同时控制剑叶长和剑叶长宽比的QTL与RM202紧密连锁，这可能由相关性状QTL紧密连锁造成。

与亚洲栽培稻相比，非洲栽培稻具有许多优良特性，如生物和非生物胁迫抗性强、适应性强、光合吸收利用效率高、耐高温。本研究在F2和F2∶3群体中重复检测到qGW7-1和qTGW7，可解释的表型贡献率高达18.70%和17.10%，增效等位基因均来自非洲栽培稻基因渗入系YIL60，为控制粒宽和千粒重的主效QTL位点。其中，qGW7-1所在染色体区域包含已克隆粒形基因GLW7，位于已克隆基因GL7/GW7相邻区间；而qTGW7所在染色体区域尚未有粒形相关基因克隆的报道，为进一步精细定位、克隆该基因和应用于分子标记辅助育种奠定了基础。

4 结论

本研究利用轮回亲本Z9B与非洲栽培稻基因渗入系YIL60杂交构建的F2和F2∶3群体，对粒形和剑叶形态性状进行QTL分析，共检测到16个控制粒形和剑叶形态性状的QTL，分布于第1、第6、第7、第10和第11号染色体上的7个染色体区域，LOD值介于2.77～13.25，可解释的表型贡献率介于2.25%～25.64%，其中qGW7-1、qFLL10、qFLW10和qTGW7在F2和F2∶3群体中被重复检测到，qTGW7为新鉴定的QTL位点。这些结果可用于进一步开展粒形、剑叶形态性状基因的精细定位、克隆和发掘非洲栽培稻有利基因等研究。