多環(huán)境下水稻株高QTL定位研究

興旺，趙宏偉，王江旭，楊洛淼，鄒德堂

（東北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，哈爾濱 150030）

多環(huán)境下水稻株高QTL定位研究

興旺，趙宏偉，王江旭，楊洛淼，鄒德堂*

（東北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，哈爾濱 150030）

為剖析粳稻抗旱性及株高的遺傳基礎，試驗利用旱稻品種小白粳子和水稻品種空育131衍生的218個重組自交系群體在哈爾濱、鐵力、阿城三個地點兩種環(huán)境即灌溉（對照）與自然降雨（干旱脅迫）條件下檢測到8個與株高性狀相關的QTL。主效QTL分三類：第一類即僅在對照條件下檢測到的QTL共4個，第二類QTL受干旱脅迫誘導即僅在干旱條件下檢測到的QTL共3個，第三類即在對照和干旱條件下均檢測出的QTL 1個。此外還檢測到2個影響脅迫與對照條件下性狀差值QTL。

水稻；株高；QTL；干旱

水稻是世界上最重要的糧食作物之一，水稻對糧食安全至關重要，提高水稻單產(chǎn)是水稻遺傳育種重要課題之一。水資源短缺已成為許多國家作物產(chǎn)量主要的限制因素[1]。每年超過0.6億hm2水稻種植區(qū)受到干旱脅迫[2]，培育高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的耐旱品種已成為當前水稻主要育種目標之一[3-4]。株高是水稻重要農(nóng)藝性狀之一，與抗倒伏性顯著相關[5]，是影響產(chǎn)量的重要因素之一。矮稈水稻品種選育成功為提高稻谷產(chǎn)量作出巨大貢獻。目前對水稻株高定位的研究已有諸多報道[6-9]，根據(jù)Gramene數(shù)據(jù)庫（http://www.gramene.org/qtl）公布的數(shù)據(jù)顯示，已有近千個水稻株高QTL，分布在12條染色體上，關于株高定位的研究雖有很多，但研究結果不盡相同，因使用材料不同、定位方法不同，而使定位到的QTL的數(shù)目、在染色體上的分布、效應值及貢獻率等也不盡相同[10-11]。對株高QTL定位研究雖有很多，但干旱脅迫下對水稻株高的研究報道較少。本試驗從水稻抗旱性遺傳分析和分子標記輔助育種兩方面探討利用水稻品種空育131和旱稻品種小白粳子雜交構成的RIL群體為試驗材料，在哈爾濱、鐵力、阿城三個地點的干旱脅迫和正常灌溉條件下對水稻株高進行QTL定位，發(fā)掘水分脅邊下特異表達的QTL及其連鎖標記，為進一步剖析粳稻產(chǎn)量的遺傳機制和節(jié)水抗旱品種的分子輔助選育提供基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

以旱稻品種小白粳子（P1）、生產(chǎn)上廣泛種植的水稻品種空育131（P2）及其雜交后代通過單粒傳衍生的重組自交系群體F8的218個株系為試驗材料。

1.2 田間種植及性狀

2013年將試驗材料種植于黑龍江省哈爾濱市東北農(nóng)業(yè)大學實驗實習基地（47°98′N，128°08′E）、鐵力市雙峰實驗基地（45°75′N，126°63′E）和阿城市實驗基地（45°52′N，126°95′E），設對照與干旱脅迫兩個處理，干旱脅迫從分蘗期開始斷水，以后完全靠自然降雨供水，如遇大雨天氣及時排水，直至完全成熟。對照處理整個生育期正常灌溉，保持2～3 cm的水層。采用旱育稀植技術，4月11日浸種，4月16日播種，5月26日移栽。兩行區(qū)，5 m行長，株距l(xiāng)0 cm，行距30 cm，每穴插單株，按常規(guī)栽培管理。

每個株系于抽穗后25 d測量每個小區(qū)中間5株水稻的株高（Plant height，PH）進行表型分析。

1.3 遺傳圖譜構建與QTL分析

圖譜構建根據(jù)RIL群體中各個標記的多態(tài)性信息，通過QTL IciMapping3.0進行連鎖分析并構建遺傳連鎖圖譜，使用Kosambi函數(shù)，將重組率轉換成圖距（cM），采用MapChart2.2版本繪制連鎖圖譜（見圖1）。同樣用QTLkimappingV3.0進行QTL定位，將三個地點含105個SSR的圖譜數(shù)據(jù)與脅迫表型數(shù)據(jù)、對照表型數(shù)據(jù)、干旱和對照的分子數(shù)據(jù)導入軟件，以LOD值大于或等于2.5為閾值進行QTL定位。定位出的QTL以Mc-Couch等提出的QTL命名方法為參照[12]。采用性狀的英文縮寫、阿拉伯數(shù)字和連字符“-”共同組合命名。

2 結果與分析

2.1 株高的表型與變異

親本小白粳子和空育131及RIL群體在三個地點正常灌溉和干旱脅迫下的表型值及干旱脅迫與正常灌溉下株高的差值表現(xiàn)見表1。

由表1可知，無論在正常灌溉和干旱脅迫下小白粳子和空育131的株高差異都很顯著，并且在干旱脅迫下小白粳子株高降低的幅度低于空育131。從不同環(huán)境下RIL群體的變化范圍也可看出存在超親現(xiàn)象，并且大多數(shù)的偏度和峰度的絕對值也小于或接近1，適合進行QTL定位，親本和群體的表型值分布見圖1。

2.2 RIL群體在正常灌溉和干旱脅迫條件下株高的QTL分析

根據(jù)QTL表達的環(huán)境，可將檢測出的各性狀QTL分為三類。第一類僅在對照條件下檢測出的QTL；第二類僅在干旱脅迫下檢測出的QTL；第三類為對照和旱脅迫下同時檢測出的QTL。

在哈爾濱、鐵力、阿城三個地點的正常灌溉和干旱脅迫下共檢測到8個與株高性狀相關的QTL（表2），分別為qPH-3、qPH-4、qPH-6-1、qPH-6-2、qPH-7-1、qPH-7-2、qPH-7-3、qPH-7-4。這8個QTL分別位于第3、4、6、7共四條染色體上，貢獻率為5.93%～19.47%，加性效應為3.23～5.60。檢測到第一類QTL即僅在對照條件下檢測出的QTL 4個，位于第3和第7條染色體上，分別為qPH-3、qPH-7-1、qPH-7-2、qPH-7-4，其中qPH-3和qPH-7-4增效等位基因來源于空育131，qPH-7-1和qPH-7-2的增效等位基因均來自小白粳子，并且qPH-7-1在哈爾濱、鐵力和阿城三個地點均被檢測到。檢測到第二類QTL即僅在干旱條件下檢測到的QTL 3個，位于第4、6和第7條染色體上，分別為qPH-4、qPH-6-2、qPH-7-3，其中qPH-4的增效等位基因來自于空育131，而qPH-6-2、qPH-7-3的增效等位基因均來自小白粳子。檢測到第三類QTL即在干旱和對照條件下同時檢測出的QTL 1個，在第6條染色體上為qPH-6-1，增效等位基因來自于小白粳子。除以上三類QTL以外還檢測出2個干旱脅迫與對照差值的QTL位于第7條的兩個不同區(qū)段內(nèi)，分別為qPH-7-1和qPH-7-4，其中qPH-7-1的增效等位基因來自于小白粳子，而qPH-7-4的等位基因來自于空育131。

表1 不同環(huán)境下親本及RIL的株高表型值分析Table 1 Phenotypic performance of plant height of two parents and the recombinant inbred line population in different environments

圖1 不同環(huán)境下親本及RIL的株高表型分布Fig.1 Distribution for the phenotypic values of plant height of two parents and the recombinant inbred line population in different environments

表2 不同環(huán)境下株高QTL檢測Table 2 Additive QTLs for the plant height under different conditions

圖2 不同環(huán)境下株高QTL在染色體上的位置Fig.2 Distribution of main-effects on the molecular linkage map under different environment

3 討論與結論

數(shù)量性狀的分子標記技術在理論上研究已日趨成熟，但由于數(shù)量性狀本身的復雜性，將分子標記輔助選擇應用于實踐的不多，已發(fā)表水稻QTL定位研究中，不同研究者對同一性狀的QTL定位研究結果存在較大差異[13-14]。

基因與環(huán)境互作也是影響作物穩(wěn)產(chǎn)重要因素，不同數(shù)量性狀或影響同一性狀不同QTL對環(huán)境具有不同敏感性[15]。開展抗逆QTL定位可剖析不同逆境遺傳基礎，了解相應抗逆機制，并可研究不同抗逆QTL與環(huán)境之間的關系和對環(huán)境的敏感度。對于對環(huán)境敏感的主效QTL，可以在定位該QTL相類似的環(huán)境下對其實施標記輔助選擇，而對環(huán)境不敏感的QTL對抗逆分子標記輔助選擇育種更有利用價值。因此，挖掘在水、旱環(huán)境下均可穩(wěn)定表達的QTL并鑒定與其緊密連鎖的分子標記可有效促進目標性狀選擇。

真正對抗逆性有貢獻QTL不外乎兩類,一是影響脅迫與對照差值的QTL，這部分QTL解釋了由于脅迫造成表型變化的凈值；二是在對照和脅迫條件下能穩(wěn)定表達（第三類QTL），基因效應大小和方向一致的QTL，說明受脅迫影響較小[16]。

本試驗通過對哈爾濱、鐵力和阿城三個地點的對照及干旱脅迫下株高QTL對比研究，群體中檢測到第一類QTL即僅在對照條件下檢測到的QTL 4個（qPH-3、qPH-7-1、qPH-7-2、qPH-7-4），檢測到第二類QTL即僅在干旱條件下檢測到的QTL 3個（qPH-4、qPH-6-2、qPH-7-3）。以上研究表明，水稻株高QTL在正常和干旱環(huán)境中表達差異較大。這與前人的研究結果相似[17-19]。不同環(huán)境下基因表達的差異可能由于不同QTL或同一QTL的不同等位基因控制作用造成。在逆境與非逆境環(huán)境中可能分別有各自的一套QTL負責目標性狀表達，絕大多數(shù)QTL在各自環(huán)境中更為有效[19-20]。說明正常環(huán)境下檢測出的QTL在逆境下并不一定起作用。檢測到第三類QTL即在對照和干旱條件下均檢測出的1個qPH-6-1。在兩種環(huán)境下均表達的QTL占檢測到的QTL比率很低，說明同一QTL在不同環(huán)境中重現(xiàn)的比例較小，這與前人的研究結果相似[17-20]。但這種QTL的基因效應方向相同，大小相似，說明這些QTL對干旱脅迫不敏感，能在兩種不同環(huán)境中穩(wěn)定表達，對抗旱有貢獻[16]。本文還定位到兩個差值QTL分別為qPH-7-1和qPH-7-4，qPH-7-1的增效等位基因來自于母本小白粳子，由于株高的差值小白粳子要小于空育131，說明此QTL能減小脅迫引起的差值，對抗旱有直接貢獻[21]。

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Study on quantitative traits loci of rice plant height under different environ-ments/

XING Wang,ZHAO Hongwei,WANG Jiangxu,YANG Luomiao,ZOU Detang(School of Agriculture,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

To determine the drought resistance of japonica rice and the genetic basis of plant height,this study uses 218 recombinant inbred lines from a cross between Xiaobaijingzi(upland rice) and Kongyu131(Oryza sativaL.).Eight main-effect quantitative trait loci(QTLs)were detected for plant height in three places under drought stress and control conditions.The main-effect QTLs belong to three categories:four QTLs that were detected only in the control condition,three that were detected only in the drought condition and only one that were simultaneously detected in the control and drought conditions.Otherwise two QTLs that impact the difference between the drought stress and control conditions were detected.

Oryza sativaL.;plant height;QTL;drought

S511

A

1005-9369（2014）08-0001-05

2013-11-29

科技部科技攻關項目（2011BAD35B02-01）；科技部科技支撐項目（2011BAD16B11）

興旺（1986-），女，博士研究生，研究方向為作物遺傳育種。E-mail:xyjiayou_086@163.com

*通訊作者：鄒德堂，教授，博士生導師，研究方向為作物遺傳育種。E-mail:zoudt@163.com

時間2014-7-18 15:03:14[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140718.1503.011.html

興旺,趙宏偉,王江旭,等.多環(huán)境下水稻株高QTL定位研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報,2014,45(8):1-5.

Xing Wang,Zhao Hongwei,Wang Jiangxu,et al.Study on quantitative traits loci of rice plant height under different environments[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(8):1-5.(in Chinese with English abstract)