水稻粒型与垩白性状相关分析和QTL定位

崔 磊,韩雷锋,王 晨,林翠香,甘 泉,倪大虎,吴德祥,宋丰顺

(1.安徽农业大学 农学院,合肥 230036; 2.安徽省农业科学院水稻研究所,合肥 230031)

水稻是中国最重要的粮食作物之一,稻米品质包括加工品质、外观品质、食味品质、营养品质,随着生活水平不断提高,市场上外观品质好的大米更受消费者欢迎[1]。因此,稻米外观性状的遗传研究,对借助分子育种培育优质水稻有着重要意义。

根据前人研究的结果,稻米的外观品质主要体现在稻米粒型和垩白两个方面[2],目前,控制粒型相关基因较多[3-12],水稻大部分染色体上都含有粒型调控基因。垩白性状目前只有位于5号染色体上的chalk5[13]被成功克隆,稻米外观品质相关基因的定位与研究,为培育优质水稻品种提供了理论基础。

本研究以RH003和华占杂交构建的重组自交系为试验材料,利用SNP分型数据,构建遗传图谱,对外观品质5项指标(粒长、粒宽、长宽比、垩白粒率、垩白度)进行相关分析和QTL定位,为外观品质性状的分子育种提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

以籼型水稻RH003与华占进行杂交获得的106个重组自交系后代,采用单粒传法获得的F8代重组自交系群体,作为试验材料。

1.2 田间实验及性状测量

试验材料于2020年冬季在海南省陵水黎族自治县安徽省农业科学院南繁试验田种植,2021年夏季于安徽省合肥市农科院岗集生态农业实验示范基地种植,试验材料单苗栽插,每个小区种植3行,每行10株,株行距为16.5 cm×20.0 cm,田间水肥管理及病虫害防治同一般大田。成熟期分株系混收,晾干保存,干燥后,称取150 g稻谷,放入浙江台州市粮仪场LTJM-5188精米机,加工20 s,成精米。

对供试材料外观性状测量方法如下:取20 g左右精米平铺于万深扫描仪上,扫描仪参数设置:亮度26,对比度66,滤镜为自动锐化(中度),属性勾选为反相。扫描介质为正片,RGB色彩,分辨率300 ppi。电脑分析向导设置为大米垩白低。收集分析结果可得稻米粒长、粒宽、长宽比、垩白度、垩白粒率数据。

数据分析:收集得到的表型数据使用Excel软件进行初步的计算和整理,使用SPSS软件对各性状之间进行相关性分析。

1.3 图谱构建和QTL分析

双亲及106个重组自交系叶片送华智生物技术有限公司进行标记检测,使用CTAB法提取样品DNA,1KmGPS标记检测;共得到5 308个SNP数据位点,其中,多态性标记771个,覆盖水稻基因组1 192.56 cM,标记间平均距离为1.5 cM。采用 QTL Ici Mappingv 4.2的完备复合区间作图(ICIM)方法进行QTL定位。LOD(Likelihood of odd,极大似然函数比的常用对数)阈值设为2.5,当实际LOD值大于2.5时,就认为该区段存在1个QTL,同时估算每个QTL的加性效应值和贡献率大小,QTL的命名遵循McCouch等[14]的命名原则。

2 结果与分析

2.1 稻米外观品质数据及相关性分析

对亲本RH003和华占及其重组自交系的外观品质两季数据进行分析,结果见表1。由表1知,除合肥试验点的粒宽外,双亲在其他外观品质上均呈极显著性差异。重组自交系群体呈正态分布,超亲分离现象明显,表明外观品质是多基因控制的数量性状。

表1 重组自交系群体及亲本外观品质性状

两季数据之间,陵水亲本长宽比略高于合肥亲本,在垩白和垩白粒率性状上,合肥亲本高于陵水亲本。对于重组自交系群体,合肥试验点的长宽比均值高于陵水的,合肥试验点的垩白度和垩白粒率均值均高于陵水的。不同外观品质性状之间,两季数据垩白性状(垩白粒率和垩白度)的标准差均大于粒型性状(粒长、粒宽和长宽比)。

对两季数据各项指标进行相关性分析,结果见表2。由表2知,合肥试验点,粒型性状之间,粒长和粒宽之间相关关系不显著,粒长、粒宽与长宽比分别呈极显著正相关和负相关。垩白性状之间,垩白度和垩白粒率呈极显著正相关。粒型和垩白性状之间,粒长与垩白度呈显著负相关,而与垩白粒率相关性不显著;粒宽与垩白粒率呈极显著正相关,而与垩白度之间关系不显著;长宽比与垩白粒率和垩白度均呈极显著负相关。

表2 RIL群体垩白和粒形性状间的相关系数

陵水试验点,粒型性状之间,粒长和粒宽之间呈极显著的正相关,粒长、粒宽和长宽比分别呈极显著正相关和负相关。垩白性状之间,垩白度和垩白粒率也呈极显著正相关。粒型和垩白性状之间,粒长与垩白度和垩白粒率的相关性均达到显著水平;粒宽与垩白度和垩白粒率呈显著的正相关;长宽比与垩白粒率和垩白度均呈极显著负相关。

总体来看,长宽比与垩白度和垩白粒率的相关性最紧密,两季数据均达极显著负相关水平,即长宽比越大往往垩白越小;其次粒宽,除与合肥试验点的垩白度未达到显著相关外,与其他垩白性状均为显著或极显著正相关,即粒宽常常会增加垩白;粒长与垩白相关性较小,仅合肥试验点粒长和垩白度达到负相关显著水平,其他均未达到显著水平。

2.2 QTL定位结果及分析

利用复合区间作图法,对外观品质5项指标进行QTL定位,两季数据共定位到17个QTL,分布在1、2、4、6、7、12号染色体上,LOD介于2.57～11.93,加性效应值在-2.95～3.69,QTL表型贡献率为4.18%～32.5%,结果详见表3和图1。

注:黑色表示两季同时出现的QTL。

表3 在海南陵水、安徽合肥两地检测到的 QTL 位点

粒长共定位到6个QTL,陵水点检测到3个,合肥点检测到3个。分别位于1、2、12号染色体上,其中,位于2号染色体的qGL2a和qGL2b在两季数据中都被定位到。其中,qGL2a增效等位基因来自RH003,两个不同生态地点贡献率分别为陵水18.18%、合肥7.03%。qGL2b增效等位基因来自华占,表型贡献率分别为陵水18.25%、合肥11.13%。

粒宽共定位到4个QTL,陵水点3个,合肥点1个,分别位于2号和4号染色体上。2号染色体的增效等位基因都来自华占,4号染色体的增效等位基因都来自RH003,其中位于2号染色体的qGW2b在两个生态点均被检测到,贡献率分别为陵水10.96%和合肥10.74%。

长宽比共定位到4个QTL(陵水点2个、合肥点2个),分别位于2、6、12号染色体上,其中,位于2号染色体的qAR2在两季都被检测到,陵水贡献率为19.68%,合肥贡献率21.69%。长宽比增效等位基因都来自RH003。

垩白粒率共定位到5个QTL,陵水点检测到2个,合肥点检测到4个,分别位于2、4、6、7染色体上,其中,位于4号染色体的qCR4在两季都检测到,陵水贡献率23.08%,合肥贡献率10.16%。2号染色体和6号染色体的增效等位基因来自华占,4号染色体和7号染色体增效等位基因来自华占。

垩白度共定位到4个QTL,陵水点检测到1个,合肥检测到3个,分别位于2、4、6号染色体上,其中,位于4号染色体的qCD4在两个种植点都检测到,位于陵水种植点检测到的贡献率16.66%,合肥种植点贡献率22.74%。2号染色体和6号染色体增效等位基因来自华占,4号染色体增效等位基因都来自RH003。

3 讨论

垩白是划分稻米外观品质等级的重要指标。稻米垩白越小,外观品质越好。挖掘控制稻米外观品质的候选基因,可通过分子育种手段培育出外观更优良的稻米品种。

但是,外观品质受环境影响较大[15]。本研究采用重组自交系在不同生态点种植,定位外观品质QTL,以减小环境对外观品质的影响。研究共定位到17个QTL,分布在1、2、4、6、7、12号共6条染色体上,平均每个性状的QTL位点3～4个,说明外观品质是由多基因控制的数量性状。其中,qGL2a、qGL2b、qGW2b、qGLW2、qCR4和qCD4在陵水和合肥定位结果中重复出现。

本文定位的QTL中,有4个与前人研究一致,粒长QTLqGL2b的位置与前人克隆的FUWA一致,FUWA主要使籽粒变宽、变短[16]。粒宽QTLqGW2a位置与已克隆的GW2[17]高度一致,GW2主要控制水稻的粒宽。垩白性状中,本研究两季都定位到的垩白粒率位点qCR4和垩白度位点qCD4与王林森等[18]利用高世代回交群体定位到的qPGWC4.1和qWPGWC4.1位置相近,且表型贡献率较大,暗示这个区间可能存在主效基因调控垩白,有待进一步研究。

粒型常常和垩白相关[19],育种实践表明细长粒的品种一般垩白度和垩白粒率较低。本研究中,对粒型和垩白性状进行了相关分析,发现长宽比与垩白粒率及垩白度的相关性最高,其次是粒宽,即育种过程中选择高长宽比的品种能降低垩白,或选择粒宽较小的品种。QTL定位结果也显示,在chr2染色体的46～55 cM区间内存在如粒宽qGW2b、长宽比qCR2、垩白粒率qCR2和垩白度qCD2共4个QTL,验证了粒型和垩白的相关关系。但是分别位于chr4 52～54 cM和chr6 92 cM位置的QTL qCR4/qCD4和qCR6/qCD6周边却没有定位到粒型基因,这暗示有些垩白位点可能与粒型无关。

4 结论

利用重组自交系,在海南陵水和安徽合肥两季,对稻米外观品质5个性状(粒长、粒宽、长宽比、垩白粒率、垩白度)进行相关分析和QTL定位,发现垩白性状与长宽比呈极显著的负相关,与粒宽呈显著正相关。QTL定位共检测到17个QTL位点,两季重复检测到的QTL位点有6个(qGL2a、qGL2b、qGW2b、qGLW2、qCR4、qCD4),且LOD值和表型贡献率较高,表明这些区间可能存在主效基因,为外观性状的基因发掘和分子育种提供了参考。