利用双向导入系和重组自交系解析水稻加工品质的遗传基础

周海平 周 慧 马国华 王成豹 张永鑫 徐秀如 邱先进 徐建龙

(1 温州市农业科学研究院/浙南作物育种重点实验室，浙江 温州 325000；2 长江大学农学院，湖北 荆州 434025；3 中国农业科学院作物科学研究所，北京 100081)

水稻作为世界上最重要的粮食作物之一，是全世界一半以上人口的主食[1]。稻米品质包括加工品质、外观品质、蒸煮食味品质和营养品质，其中加工品质直接决定了稻米的商品价值。水稻加工品质包括糙米率、精米率和整精米率。人们食用的部分是水稻加工产品(包括糙米、精米和整精米)，提高水稻加工品质可增加加工产品的产量，因此能为人们提供更多食物。此外，国际市场上整精米的价格是碎米价格的2～3倍。因此，水稻加工品质是水稻产量的最终体现，直接关系到稻米加工企业的利润和农民的种粮收益[2]。

水稻加工品质的3个指标均为典型的数量性状，受多基因控制，同时受环境影响。近年来，遗传学家利用多种不同的遗传群体定位到大量影响水稻加工品质的数量性状位点(quantitative trait locus，QTL)，这些QTL分布于水稻12条染色体上[2-14]。加工品质性状为种子性状，受到胚、胚乳和细胞质基因型的共同影响，因此水稻加工品质的遗传基础十分复杂，迄今大部分水稻加工品质的遗传研究停留在QTL层面，只精细定位和克隆了影响水稻加工品质的2个基因：Ren等[15]利用台中本地1号和春江06构建的染色体片段代换系共定位到4个影响糙米率的QTL，并将qBRR-10精细定位到39.5 kb区间，区间内包含2个候选基因。Li等[16]克隆了1个位于第5号染色体短臂上影响水稻垩白的主效基因Chalk5，该基因编码1个液泡膜质子转运焦磷酸酶；近等基因系考察发现Chalk5同时影响整精米率。

水稻加工品质除了受遗传因素影响外，还受到环境影响，其中水稻灌浆期间的温度和光照是影响加工品质最重要的环境因素。另外，QTL的表达也容易受遗传背景的影响，例如Qiu等[13]利用272份籼稻种质资源在5个环境下定位到16个影响水稻加工品质的主效QTL，其中未检测到在多个环境下稳定表达的QTL。Nelson等[9]利用以Cypress为共同亲本构建的2套重组自交系共定位到6个影响整精米率的主效QTL中，其中在两套群体中未共同定位到QTL。因此，水稻加工品质主效QTL容易受遗传背景和环境下影响[2]，这也给分子育种改良水稻加工品质带来了巨大挑战。

尽管目前有关水稻加工品质的QTL定位报道较多，但大效应的QTL仍然很少，而且加工品质的遗传基础及其受环境和遗传背景的影响机制剖析不够。鉴于此，本研究利用粳稻品种秀水09和籼稻品种IR2061构建了2套双向导入系和1套重组自交系群体，在温州和三亚两个环境下考察了3套群体的加工品质，结合基因型信息定位影响水稻加工品质的主效QTL和上位性QTL，鉴定在不同环境和不同遗传背景下稳定表达的主效QTL，以期为分子育种改良水稻加工品质提供基因资源。

1 材料与方法

1.1 导入系和重组自交系构建

本研究利用来自秀水09和IR2061构建的2套双向导入系和1套重组自交系及双亲为材料[17]，秀水09是浙江省嘉兴市农业科学研究院选育的高产粳稻品种，IR2061是国际水稻研究所选育的抗旱籼稻品种。其中秀水09背景导入系(XS09-ILs)包含132个家系，IR2061背景导入系(IR2061-ILs)包含110个家系，F7重组自交系包含157个家系。

1.2 材料种植与性状考察

双向导入系和重组自交系2020年6月15日播种于浙江省温州市农业科学研究院试验基地，25 d秧龄移栽。同年11月25日将IR2061背景导入系和重组自交系播种于海南省三亚市中国农业科学院作物科学研究所试验农场，25 d秧龄移栽。两个环境下所有材料均采用随机区组设计，每个家系设置2次重复，每隔50个家系种植双亲作为对照。每个重复内，每个家系种植3行，每行10株。大田管理同当地常规大田管理，成熟后按家系混收中间行的中间8株。脱种后采用盐水法去掉空瘪粒，保留饱满的稻谷。自然晾干后，室温储存3个月。

首先准确称取精选稻谷50 g，利用砻谷机(JLGJ-45，浙江省台州市新恩精密粮仪有限公司)去掉谷壳，并准确称取糙米的重量。糙米的重量占稻谷重量的比率即为糙米率(brown rice rate，BRR)。然后利用精米机(JMNJ-3，浙江省台州市新恩精密粮仪有限公司)将糙米全部碾成精米，并准确称取精的米重量。精米重量占稻谷重量的比率即为精米率(milled rice rate，MRR)。最后利用碎米分离器(FGS-13X20，浙江省台州市新恩精密粮仪有限公司)去掉精米中的碎米，保留整精米，并准确称取整精米的重量。整精米重量占稻谷重量的比率即为整精米率(head milled rice rate，HMRR)。每次重复内每个家系测量2次，取2次的平均值，即为该重复内该家系的表型值，取2次重复的平均值作为该家系的表型值用于数据分析。

1.3 基因型分析和遗传连锁图构建

利用500对简单重复序列(simple sequence repeat，SSR)标记筛选双亲之间的多态性，挑选在全基因组均匀分布的152个SSR标记用于基因型分析，利用重组自交系群体构建遗传连锁图[17]。

1.4 数据分析

利用Statistica5.5软件[1]分析加工品质性状的描述统计和不同性状间的相关性分析，利用IciMapping4.2软件[18]定位主效QTL和上位性QTL，并进行QTL与环境互作分析，主效QTL定位阈值设定为2.5，上位性QTL定位阈值设定为5.0。

2 结果与分析

2.1 遗传连锁图谱

利用重组自交系构建得到一套遗传连锁图，该遗传连锁图的总长度为1 567.80 cM，标记间的平均距离为11.10 cM。秀水09背景导入系的平均背景回复率为90.15%，变幅为79.86%～98.61%；IR2061背景导入系的背景回复率平均为85.82%，变幅为54.14%～96.55%(图1)。

2.2 亲本及群体的加工品质表现

在温州和三亚两个环境下，秀水09和IR2061的糙米率和精米率均无显著差异(表1)。秀水09在两个环境下的整精米率分别为60.35%和62.19%，IR2061分别为38.66%和52.31%，双亲间存在极显著差异。双向导入系和重组自交系群体的加工品质均表现为连续变异，且出现超亲分离，表明糙米率、精米率和整精米率均为典型的数量性状。其中双向导入系的加工品质平均值均偏向受体亲本，而重组自交系3个性状的平均值均介于双亲之间。此外，糙米率和精米率在两个环境下的变异系数均小于10%，而整精米率的变异系数均大于10%，表明整精米率更易受环境影响。

表1 两个环境下亲本、双向导入系和重组自交系的加工品质表现Table 1 Performance of milling quality traits of the parents, reciprocal introgression lines and recombinant inbred lines in two environments /%

图1 双向导入系中IR2061基因组成分的分布Fig.1 Frequency distribution of IR2061 genome in the reciprocal introgression lines

3个群体的加工品质不同性状间的相关性见表2。除秀水09背景导入系在温州环境下和重组自交系在三亚环境下的糙米率和整精米率无显著相关关系，糙米率、精米率和整精米率均表现为显著或极显著正相关，表明糙米率高的材料精米率和整精米率均高。其中糙米率和精米率的相关系数最高，糙米率和整精米率的相关系数最小，表明糙米率和精米率之间的相关性最强，糙米率和整精米率的相关性最弱。

2.3 加工品质主效QTL定位及其与环境互作

利用双向导入系和重组自交系群体共定位到29个影响水稻加工品质的主效QTL(表3、图3)，包括6个影响糙米率、13个影响精米率和16个影响整精米率的主效QTL，这些QTL分布于除第4号染色体以外的11条染色体上。

秀水09背景导入系分别定位到2、6和6个影响水稻糙米率、精米率和整精米率的QTL(表3、图3)，qBRR7.1、qMRR6、qMRR9和qHMRR5这4个QTL来自IR2061的等位基因提高加工品质，其他来源于秀水09的QTL等位基因提高加工品质。第3号染色体RM231～RM489区间和第9号染色体RM257～RM278区间存在同时影响精米率和整精米率的QTL，第7号染色体的RM432～RM11区间存在同时影响糙米率和整精米率的QTL。

表2 两环境下糙米率、精米率和整精米率之间的相关性Table 2 Correlation coefficients of brown rice rate, milled rice rate and head milled rice rate in the reciprocal introgression and recombinant inbred line populations in two environments

IR2061背景导入系共定位到1、4和7个影响水稻糙米率、精米率和整精米率的QTL(表3、图3)，分布于水稻第1、第2、第3、第5、第6、第8、第9和第11号染色体。其中qMRR3.2、qMRR6、qMRR11和qHMRR2仅在温州环境下检测到，qHMRR1、qHMRR3.2、qHMRR5、qHMRR8、qHMRR9和qHMRR11仅在三亚环境下检测到。qMRR6、qMRR8.2和qHMRR5来源于IR2061的等位基因提高精米率和整精米率，而其他QTL的秀水09等位基因提高加工品质。第8号染色体RM80～RM458区间存在同时影响3个加工品质性状的QTL，且在两个环境下同时影响糙米率和精米率；第11号染色体RM457～RM254区间存在同时影响精米率和整精米率的QTL。qBRR8、qMRR8.2和qHMRR2存在环境互作，具体表现为与温州环境互作降低加工品质，与三亚环境互作提高加工品质。

表3 双向导入系和重组自交系定位到的影响水稻加工品质的主效QTL及其与环境的互作效应Table 3 Main-effect QTL and environment interactions for milling quality detected in reciprocal introgression lines and recombinant inbred lines

注：A～C为秀水09背景导入系温州环境下的加工品质；D～F为IR2061背景导入系两环境下的加工品质；H～I为重组自交系两环境下的加工品质。Note: A～C represent the milling quality traits of Introgression Line population at Xiushui09 background at Wenzhou environment. D～F represent the milling quality traits of Introgression Line population at IR2061 background across two environments. G～I represent the milling quality traits of Recombinant Inbred Line population across two environments.图2 三套群体两环境下加工品质性状的频率分布图Fig.2 Frequency distributions of milling quality traits in the three populations across two environments.

重组自交系分别定位到影响糙米率、精米率和整精米率的QTL各3个(表3、图3)，位于水稻第1、第5、第7、第9、第11和第12号染色体。qBRR5、qBRR9、qMRR1、qMRR12、qHMRR7.1和qHMRR11仅在温州环境下定位到，其余3个QTL仅在三亚环境下表达。qBRR9和qMRR12的IR2061等位基因提高糙米率和精米率，其余QTL的IR2061等位基因则降低加工品质。位于第7号染色体的RM432～RM11区间存在同时影响糙米率和精米率的QTL。除qBRR9和qHMRR12外的7个QTL均与环境存在互作，具体表现为与温州环境互作提高加工品质，与三亚环境互作降低加工品质。

2.4 加工品质上位性QTL定位

利用重组自交系共定位到20对影响水稻加工品质的上位性QTL(表4)，其中温州和三亚分别定位到4对和16对。有1对上位性QTL为2个主效QTL互作，有5对上位性QTL对为1个主效QTL与1个随机位点的互作，其余14对上位性QTL对均为2个非主效QTL之间的互作。这些上位性QTL中，有3对QTL互作对降低整精米率，其余互作对均提高加工品质。未定位到在两个环境下同时表达或同时影响不同性状的上位性QTL。

表4 重组自交系加工品质的上位性QTLTable 4 Epistatic effect QTLs for milling quality identified in the RILs

图3 遗传连锁图及加工品质主效QTL在染色体上的分布Fig.3 Linkage map and distribution of main-effect QTL for milling quality

3 讨论

加工品质是典型的数量性状，受多基因控制，同时受环境影响大。研究发现，大多数QTL的表达均受遗传背景的影响。例如，Qiu等[1]利用籼稻三系恢复系明恢63和粳稻品种02428构建的双向导入系定位到62个影响水稻外观品质的主效QTL，仅有9个QTL在2个遗传背景下稳定表达。此外，利用相同群体定位的24个影响产量相关性状的QTL中[19]，仅16.7%的QTL在2个遗传背景下被重复检测到；在定位到的15个影响水稻苗期耐镉性的主效QTL中，没有QTL在2个遗传背景下稳定表达[20]。Qiu等[21-22]和Zhang等[23]以籼稻品种IR75862为供体、测258和中广香1号为受体构建了两套导入系，共检测到18和23个与苗期耐盐性、35个与粒型和产量相关的主效QTL，其中两套导入系中仅同时定位到5个QTL。Zhang等[24]利用籼稻9311和粳稻日本晴构建的回交重组自交系和染色体片段代换系共定位到39个影响水稻休眠的主效QTL，其中仅有4个QTL在两套群体中被重复检测到。本研究利用粳稻品种秀水09和籼稻品种IR2061构建的双向导入系和重组自交系共定位到29个影响水稻加工品质的主效QTL，其中6个QTL(qBRR7.1、qMRR6、qHMRR5、qHMRR7.1、qHMRR9和qHMRR11)在两个遗传背景下均稳定表达，占主效QTL的15.38%。此外，未检测到在三套群体中均稳定表达的主效QTL。该结果与前人研究结果一致，表明水稻加工品质QTL检测受遗传背景影响极大。因此，将主效QTL应用于分子育种改良水稻加工品质时，需尽量避免使用对遗传背景敏感的QTL，选择在不同遗传背景下不稳定表达的主效QTL，或最好利用分子育种群体进行QTL定位，将QTL与性状的分子改良相融合，以提高复杂性状分子改良的效率。

同样地，前人发现加工品质性状也极易受环境影响。Qiu等[13]在4个环境下考察了272份籼稻种质资源的加工品质，结果发现糙米率、精米率和整精米率的遗传力很低。利用该群体共定位到16个影响水稻加工品质的主效QTL，但上述QTL都仅在一个环境下被定位到。胡霞等[25]利用测258和IR75862构建的导入系在两个环境下定位到15个影响水稻加工品质的主效QTL，其中仅4个QTL在两个环境下稳定表达，还有7个QTL与环境有互作效应。在本研究利用IR2061背景导入系和重组自交系定位到的21个影响水稻加工品质的主效QTL中，位于第8号染色体RM80～RM458区间的qBRR8和qMRR8.2在两个环境下稳定表达，仅占所定位QTL的9.52%。此外，在这21个主效QTL中，有10个QTL(47.62%)与环境有互作效应。因此，应用于水稻加工品质分子育种时，应选择在多个环境下稳定表达且无环境互作效应的QTL。总之，需针对性状本身的特点，同时考虑影响该性状的主效QTL及其与环境的互作效应，从而使标记辅助选择育种取得事半功倍的效果。

本研究利用粳稻品种秀水09和籼稻品种IR2061构建的双向导入系和重组自交系共定位到29个影响水稻加工品质的主效QTL，其中大部分QTL与前人报道的主效QTL位于相同或相近区间。例如，本研究定位到的影响水稻精米率的qMRR5和qMRR6、影响整精米率的qHMRR1和qHMRR5分别与胡霞等[25]定位到的qMR5和qMR6a、qHR1和qHR5b位置相近；影响糙米率的qBRR7.2和整精米率的qHMRR3.2与梅德勇等[26]定位到的qBRR7和qHRR3位置相同；影响精米率的qMRR1和qMRR3.2与Swamy等[10]报道的mp1.1和mp3.1处于相同位置；影响精米率的qMRR10与Li等[7]报道的qMR-10位置相近；影响精米率的qMRR9和整精米率的qHMRR2、qHMRR6、qHMRR7.1和qHMRR9与翁剑峰等[27]定位的qMR-9、qHR-2、qHR-6、qHR-7和qHR-9相近；影响精米率的qBRR9与李俊周等[12]定位的qBR9和Ren等[15]定位的qBRR-9位置相同；影响精米率的qMRR8.2和影响整精米率的qHMRR11与方雅洁等[28]报道的qMRR8和qHMRR11位置相近。上述在不同群体和环境下定位到的相同或相近的加工品质性状QTL，可能是影响加工品质的重要QTL，有待进一步精细定位和克隆。

此外，本研究定位到12个影响水稻加工品质的新的主效QTL，包括qBRR5、qBRR7.1和qBRR8等3个影响糙米率的主效QTL，qMRR3.1、qMRR7、qMRR8.1、qMRR11和qMRR12等5个影响精米率的主效QTL和qHMRR3.1、qHMRR7.2、qHMRR8和qHMRR12等4个影响整精米率的主效QTL。后续可针对上述QTL构建分离群体进行验证和精细定位，为改良水稻加工品质的遗传基础提供更多有利基因。

提高加工品质不仅可以间接提高粮食产量，而且可以提高水稻的品质。解析水稻加工品质的遗传基础，利用分子育种将重要加工品质QTL导入到优良品种中，能有效地提高优良品种的加工品质，且保持优良品种的其他性状。本研究利用粳稻品种秀水09和籼稻品种IR2061构建的两套双向导入系和一套重组自交系群体定位了29个影响水稻加工品质的主效QTL，其中秀水09等位基因的大部分QTL能提高加工品质。有6个QTL(qBRR7.1、qMRR6、qHMRR5、qHMRR7.1、qHMRR9和qHMRR11)在两个遗传背景下稳定表达，2个QTL(qBRR8和qMRR8.2)在两个环境下被重复检测到，说明这些QTL受遗传背景和环境影响较小。此外，本研究还发现第7号染色体RM432～RM11、第8号染色体RM80～RM458和第9号染色体RM257～RM278这3个区间同时影响糙米率、精米率和整精米率，秀水09等位基因在这3个区段均能提高加工品质。其中第8号染色体RM80～RM458在两个环境下稳定表达，第9号染色体RM257～RM278不与环境互作。在IR2061背景导入系中，有17份和11份导入系在温州和三亚环境下的整精米率显著高于受体亲本(整精米率大于40%和55%)，其中有5份导入系在两个环境下的整精米率超过55%，且背景回复率均超过85%。这5份导入系中，有2份导入系分别导入了第8号染色体RM80～RM458和第9号染色体RM257～RM278的秀水09片段，这两份导入系在两个环境的整精米率平均为60.01%和58.65%；1份导入系聚合了上述2个片段，在两个环境的整精米率平均为65.67%，表明导入这2个片段的秀水09的有利等位基因均能显著提高加工品质，且片段对提高整精米率具有累加效应。因此，通过分子标记辅助选择导入或聚合这些QTL区段、来自粳稻秀水09的有利等位基因，改良籼稻的加工品质，可以取得理想的效果。

4 结论

本研究利用秀水09和IR2061为亲本构建的双向导入系和重组自交系共定位到29个影响水稻加工品质的主效QTL和20对上位性QTL，其中10个主效QTL与环境互作，6个QTL在两个遗传背景下稳定表达，2个QTL在两个环境下被重复定位到，第8号染色体RM80～RM458和第9号染色体RM257～RM278来自秀水09的等位基因聚合能显著提高籼稻的整精米率。本研究定位到的受遗传背景或环境影响小的主效QTL，能够为分子育种改良水稻加工品质提供有利的基因资源。