高產(chǎn)粳稻沈農(nóng)265產(chǎn)量相關(guān)性狀的QTL分析

張喜娟，姜樹(shù)坤，徐正進(jìn)，孟 英，唐 傲，孫 兵，董文軍，王彤彤

（1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所，哈爾濱 150086；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院博士后科研工作站，哈爾濱 150086；3.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所，沈陽(yáng) 110161）

水稻的產(chǎn)量、品質(zhì)和抗逆性等許多重要農(nóng)藝性狀受多基因控制[1]。利用分子標(biāo)記定位控制水稻重要農(nóng)藝性狀的QTL，明確其效應(yīng)大小和作用方式，不僅能加深對(duì)水稻農(nóng)藝性狀遺傳機(jī)理的了解，還為基因克隆和分子標(biāo)記輔助選擇育種提供理論基礎(chǔ)。關(guān)于水稻產(chǎn)量相關(guān)性狀QTL的分子標(biāo)記定位的研究較多[2-3]，但是由于研究所用的遺傳群體和試驗(yàn)環(huán)境等的不同，結(jié)果不盡相同，因此采用與以往不同的群體對(duì)已定位的產(chǎn)量相關(guān)性狀QTL進(jìn)行驗(yàn)證或檢測(cè)新的QTL位點(diǎn)是必要的。目前對(duì)超高產(chǎn)水稻沈農(nóng)265的研究已有報(bào)道，但多集中在高產(chǎn)栽培、生長(zhǎng)發(fā)育和高產(chǎn)生理等方面[4-5]，尚未見(jiàn)其高產(chǎn)遺傳基礎(chǔ)的研究。

本文利用沈農(nóng)265/麗江新團(tuán)黑谷的F2∶3群體和分子標(biāo)記技術(shù)剖析超高產(chǎn)粳稻品種沈農(nóng)265產(chǎn)量相關(guān)性狀的遺傳基礎(chǔ)，以期為沈農(nóng)265高產(chǎn)遺傳研究提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與性狀調(diào)查

以粳型超高產(chǎn)水稻品種沈農(nóng)265和地方粳稻品種麗江新團(tuán)黑谷及其176株F2∶3家系群體為試材。試驗(yàn)于2010年在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所實(shí)驗(yàn)場(chǎng)（東經(jīng)126°62；北緯45°68'）進(jìn)行。4月22日育苗，5月28日移栽，采用3次重復(fù)隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每家系4行，每行10株，栽植行株距為30 cm×13.3 cm。磷酸二銨、氯化鉀、尿素作為基肥，施用量分別為300、225和187.5 kg·hm-2，尿素作為返青肥和分蘗肥，施用量分別為112.5和112.5 kg·hm-2。其他管理與一般大田相同。成熟時(shí)每個(gè)家系選擇中間長(zhǎng)勢(shì)均勻的3穴，調(diào)查穗長(zhǎng)、每穗穎花數(shù)、每穗實(shí)粒數(shù)、著粒密度、結(jié)實(shí)率、有效穗數(shù)和千粒重等7個(gè)性狀。3次重復(fù)的平均值作為后續(xù)分析的數(shù)據(jù)來(lái)源。

1.2 連鎖圖譜構(gòu)建與數(shù)據(jù)分析

每個(gè)家系隨機(jī)選取15株葉片作為DNA提取來(lái)源，以代表其上一代的基因型。DNA提取采用CTAB法[6]，PCR反應(yīng)體系為25 μL，含10×緩沖液2.5 μL、1.5 mmol·L-1MgCl2、1 mmol·L-1引物I和引物II、10 mmol·L-1dNTP、1 U Taq酶、15 ng DNA、ddH2O 16.25 μL。應(yīng)用美國(guó) MJ Research 公司的PTC-200進(jìn)行擴(kuò)增，反應(yīng)程序?yàn)?4℃預(yù)變性5 min；每個(gè)循環(huán)94℃預(yù)變性1 min，50、55或60℃退火1 min，72℃延伸1 min，35個(gè)循環(huán)；最后72℃延伸8 min。擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)6%變性PAGE電泳分離，電泳緩沖液為0.5×TBE。電泳后采用銀染法染色[7]。

將聚丙烯酰胺電泳譜帶結(jié)果轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，與母本沈農(nóng)265相同的帶型記為A，與父本麗江新團(tuán)黑谷相同的帶型記為B，雜合（F1）帶型記為H，缺失或模糊記為-。應(yīng)用Mapmaker/exp 3.0軟件構(gòu)建連鎖圖譜，先用Group命令進(jìn)行標(biāo)記間連鎖分組（LOD=3，最大圖距50 cM），然后用Order和Ripple命令進(jìn)行排序，用Try和Build命令插入標(biāo)記[8]。采用Kosambi函數(shù)將重組率轉(zhuǎn)換成圖距單位（cM）。

用Excel軟件分析性狀間的相關(guān)關(guān)系。利用QGENE 4.09程序?qū)2∶3群體的上述性狀進(jìn)行QTL定位，使用區(qū)間作圖分析：以L(fǎng)OD＞3.0作為閾值[9]。當(dāng)QTL在兩種方法被同時(shí)檢測(cè)到時(shí)就認(rèn)為此位置確實(shí)存在QTL。QTL命名參見(jiàn)文獻(xiàn)[10]方式。

2 結(jié)果與分析

2.1 沈農(nóng)265/麗江新團(tuán)黑谷的SSR標(biāo)記連鎖圖

用500對(duì)SSR引物在兩個(gè)親本間進(jìn)行PCR擴(kuò)增，其中90對(duì)引物能在兩親本間檢測(cè)到多態(tài)性，約占所用引物的18%。應(yīng)用90個(gè)SSR位點(diǎn)進(jìn)行連鎖分析，得到1張包含12條染色體的遺傳圖譜（見(jiàn)圖1），該圖譜覆蓋長(zhǎng)度1 310.4 cM，平均圖距14.56 cM。各染色體上最多的有14個(gè)標(biāo)記，最少的有3個(gè)標(biāo)記，平均每條染色體7.5個(gè)標(biāo)記。

2.2 產(chǎn)量性狀的表現(xiàn)及相關(guān)分析

各產(chǎn)量性狀在沈農(nóng)265/麗江新團(tuán)黑谷的F2∶3群體中表現(xiàn)為接近正態(tài)的連續(xù)分布，變異幅度大，呈現(xiàn)雙向超親分離（見(jiàn)表1），表明這些性狀均為多基因控制的數(shù)量性狀，符合QTL作圖的要求。大穗是目前水稻育種的重要目標(biāo)性狀，而大穗的主要遺傳基礎(chǔ)之一是穗長(zhǎng)。從表2可以看出，穗長(zhǎng)與每穗穎花數(shù)、每穗實(shí)粒數(shù)和千粒重呈極顯著正相關(guān)，與著粒密度呈極顯著負(fù)相關(guān)。而大穗的另一重要遺傳基礎(chǔ)是每穗穎花數(shù)，不僅與穗長(zhǎng)呈極顯著正相關(guān)，還與著粒密度呈極顯著正相關(guān)。結(jié)實(shí)率作為產(chǎn)量構(gòu)成因素中的重要因子，對(duì)最終的實(shí)際產(chǎn)量影響很大，其與千粒重、每穗實(shí)粒數(shù)和有效穗數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與每穗穎花數(shù)和著粒密度呈極顯著負(fù)相關(guān)。

圖1 沈農(nóng)265/麗江新團(tuán)黑谷的SSR標(biāo)記連鎖圖Fig.1 SSR linkage map of Shennong265/Lijiangxintuanheigu

表1 產(chǎn)量相關(guān)性狀在F2∶3 群體中的分布Table 1 Distributions of yield related traits in the F2∶3 populations

表2 產(chǎn)量相關(guān)性狀的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficients between yield related traits

2.3 產(chǎn)量相關(guān)性狀的QTL分析

通過(guò)復(fù)合區(qū)間作圖分析共檢測(cè)到控制產(chǎn)量相關(guān)性狀的17個(gè)QTL（見(jiàn)表3），圖2顯示了它們?cè)趫D譜上的位置。

表3 產(chǎn)量相關(guān)性狀的QTL定位結(jié)果Table 3 QTL result of yield related traits

圖2 產(chǎn)量相關(guān)性狀的QTL在圖譜上的位置Fig.2 Location QTLs detected for the yield related traits on the genetic map

穗長(zhǎng)：共檢測(cè)到3個(gè)QTL，可解釋性狀變異的95%。其中，第9染色體上的qPL9對(duì)性狀的貢獻(xiàn)率為65%，為主效QTL，遺傳正效應(yīng)來(lái)源于麗江新團(tuán)黑谷，該等位基因能增加穗長(zhǎng)2.8 cm；其余2個(gè)QTL分別解釋性狀變異的13%和17%，遺傳正效應(yīng)均來(lái)自沈農(nóng)265。每穗穎花數(shù)：共檢測(cè)到3個(gè)QTL，可解釋性狀變異的65%。其中，第4染色體上的qSPP4-1對(duì)性狀的貢獻(xiàn)率為30%，是主效QTL，遺傳正效應(yīng)來(lái)源于沈農(nóng)265，該等位基因能增加每穗穎花數(shù)29個(gè)；第4染色體上的qSPP4-2對(duì)性狀的貢獻(xiàn)率為17%，遺傳正效應(yīng)亦來(lái)源于沈農(nóng)265；而第12染色體上的qSPP12對(duì)性狀的貢獻(xiàn)率為18%，遺傳正效應(yīng)來(lái)源于麗江新團(tuán)黑谷。每穗實(shí)粒數(shù)：只在第3染色體上檢測(cè)到1個(gè)QTL，qSPP3位于RM426-RM203之間，可解釋15%的性狀變異，遺傳正效應(yīng)來(lái)自沈農(nóng)265。著粒密度：共檢測(cè)到2個(gè)QTL，可解釋性狀變異的52%。其中，第4染色體上的qSD4對(duì)性狀的貢獻(xiàn)率為20%；第9染色體上的qSD9對(duì)性狀的貢獻(xiàn)率為32%，為主效QTL，遺傳正效應(yīng)均來(lái)源于沈農(nóng)265。結(jié)實(shí)率：共檢測(cè)到2個(gè)QTL，可解釋性狀變異的46%。其中，第3染色體上的qRG3對(duì)性狀的貢獻(xiàn)率為20%；第12染色體上的qRG12對(duì)性狀的貢獻(xiàn)率為26%，為主效QTL，遺傳正效應(yīng)分別來(lái)源于沈農(nóng)265和麗江新團(tuán)黑谷。千粒重：共檢測(cè)到3個(gè)QTL，可解釋性狀變異的42%。其中，第3染色體上的qGW3對(duì)性狀的貢獻(xiàn)率為12%，遺傳正效應(yīng)來(lái)源于麗江新團(tuán)黑谷；第8和9染色體上的qGW8和qqGW9對(duì)性狀的貢獻(xiàn)率分別為17%和13%。遺傳正效應(yīng)均來(lái)源于沈農(nóng)265。有效穗數(shù)：只在第9染色體上檢測(cè)到1個(gè)QTL，qPN9位于RM160-RM215之間，可解釋16%的性狀變異，遺傳正效應(yīng)來(lái)自麗江新團(tuán)黑谷。

3 討論與結(jié)論

本研究定位的產(chǎn)量相關(guān)性狀QTL主要集中分布在第3、4、6、8、9和12染色體，且具有集中分布的特點(diǎn)。與其他研究結(jié)果比較表明，主效QTL在不同群體中的重演性較好[2-4]。此外，本文研究結(jié)果進(jìn)一步表明，第9染色體長(zhǎng)臂上RM566-RM215之間的區(qū)域很可能是北方直立大穗型粳稻超高產(chǎn)的重要遺傳基礎(chǔ)。該區(qū)域同時(shí)控制著穗長(zhǎng)、著粒密度、千粒重和有效分蘗數(shù)等4個(gè)重要的產(chǎn)量相關(guān)性狀，北方直穗型高產(chǎn)粳稻的直立穗基因定位在該區(qū)域。這不僅說(shuō)明該主效QTL的客觀存在，也說(shuō)明該QTL在野生稻演化成栽培稻和育種選擇過(guò)程中被保留。麗江新團(tuán)黑谷雖然被作為稻瘟病鑒定中的感病材料，目前未發(fā)現(xiàn)其攜帶任何抗稻瘟病基因，但其仍不失為一個(gè)優(yōu)良的育種親本。本文研究結(jié)果表明其攜帶增加穗長(zhǎng)、每穗穎花數(shù)、千粒重和有效分蘗數(shù)的等位基因，為進(jìn)一步改良沈農(nóng)265提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。

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