2套半同胞秈粳交重組自交系粒形性狀的相關(guān)和遺傳分析

葉乃忠，曾 蓋，唐 偉，肖應(yīng)輝

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙 410128)

(續(xù)表3)

2套半同胞秈粳交重組自交系粒形性狀的相關(guān)和遺傳分析

葉乃忠，曾 蓋，唐 偉，肖應(yīng)輝*

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙 410128)

利用以粳稻品種日本晴為背景與不同粒形供體親本構(gòu)建的2套半同胞秈粳交重組自交系(RILs)為材料，分析了連續(xù)2年田間種植的水稻籽粒粒長、粒寬和粒厚等粒形性狀的表型分布特征。結(jié)果顯示，所有粒形性狀均表現(xiàn)為單峰或多峰連續(xù)分布特征。采用主基因+多基因混合遺傳模型，分析了各性狀的遺傳方式，結(jié)果表明：在日本晴/特大秈RILs中，粒長由2對顯性上位作用的獨(dú)立主基因+多基因控制，粒寬由2對重疊作用的獨(dú)立主基因控制，粒厚由2對等加性作用的連鎖主基因控制；在日本晴/R1126 RILs中，粒長表現(xiàn)為2對互補(bǔ)或抑制作用的獨(dú)立主基因+多基因遺傳模式，粒寬遺傳由2對互補(bǔ)作用的獨(dú)立主基因控制，粒厚由4對主基因+多基因控制。

水稻；半同胞；重組自交系；粒形性狀；遺傳模型

籽粒的粒長、粒寬和粒厚等粒形性狀是水稻重要的經(jīng)濟(jì)性狀，與產(chǎn)量和品質(zhì)均有密切關(guān)系。一方面，水稻的這些粒形性狀直接決定其粒重，進(jìn)而影響水稻產(chǎn)量[1]；另一方面，水稻粒形也是決定稻米外觀品質(zhì)和商用品質(zhì)的重要因素[2]，粒長、粒寬及長寬比是稻米外觀品質(zhì)性狀的重要指標(biāo)[3]，粒長和長寬比更是影響整精米率的關(guān)鍵因子[4]，所有這些都直接關(guān)系到稻米的商品和市場價值。為了降低雜交水稻種子生產(chǎn)成本，近年科學(xué)家們提出了混播制種的雜交制種技術(shù)[5～7]，選育粒形性狀差異顯著、適合機(jī)械分離加工的不育系和恢復(fù)系是該雜交制種技術(shù)得以應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵。因此，加強(qiáng)水稻籽粒粒形的遺傳機(jī)理研究，對于通過遺傳調(diào)控培育符合粒形目標(biāo)要求的水稻品種具有重要意義。

關(guān)于水稻粒形性狀間的相互關(guān)系，國內(nèi)外開展了大量研究，因研究材料不同，結(jié)論存在較大差異。一般認(rèn)為，水稻籽粒粒長與粒寬、粒厚呈負(fù)相關(guān)；粒寬與粒厚呈正相關(guān)[8]。鑒于水稻籽粒大小和粒重在產(chǎn)量形成中的重要作用，其遺傳機(jī)制和調(diào)控機(jī)理方面的研究一直備受關(guān)注。多數(shù)研究觀察到不同自然分離世代粒形性狀表現(xiàn)為連續(xù)正態(tài)分布特征，并存在超親分布現(xiàn)象，推斷水稻粒形性狀屬于多基因控制的數(shù)量性狀[9～11]。近20年來，科學(xué)家們利用不同類型的遺傳群體，累計報道了400多個與水稻籽粒大小和形態(tài)有關(guān)的QTL[12]，但迄今僅有GW2[13]、GS3[14]、GW5[15]、GS5[16]、GW8[17]、qGL3(qGL3.1)[18]、GIF1[19]、TGW6[20]等8個與籽粒大小有關(guān)的QTL被分離克隆。其中，GS3是第一個被克隆的粒形基因，主要影響粒長、長寬比和粒重；qGL3(qGL3.1)對粒長、粒寬、粒厚、粒重和灌漿速率均有影響；GW8與GS5功能相似，通過促進(jìn)細(xì)胞分化和加快籽粒灌漿來增大粒寬和粒重；GW5和GW2則通過增大胚乳細(xì)胞使粒寬和粒重增大；GIF1和TGW6主要通過影響籽粒灌漿速率來調(diào)控粒重，對粒寬和粒厚等性狀不起作用。

不斷發(fā)掘新的粒形相關(guān)基因/QTL，通過分子技術(shù)進(jìn)行精細(xì)定位和分離克隆，闡明粒形性狀的遺傳調(diào)控機(jī)制，是通過分子設(shè)計塑造不同粒形水稻品種的前提。本研究利用小粒粳稻品種日本晴為背景親本，分別以大粒秈稻品系特大秈(TDX)和中粒形秈稻品系R1126為供體親本構(gòu)建的2套半同胞秈粳交重組自交系為材料，旨在探索粒形性狀在不同背景中的遺傳規(guī)律，為進(jìn)一步發(fā)掘新的粒形相關(guān)基因并精細(xì)定位提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

親本品種(系)包括小粒形粳稻品種日本晴(NPB)、大粒形秈稻品種特大秈(TDX)、中粒形秈稻品系R1126。重組自交系群體(RILs)2套，其中日本晴/特大秈(NPB/TDX)RILs(F11)含240個株系，日本晴/R1126(NPB/R1126)RILs(F12)含217個株系，2套群體均是在雜種F1自交分離獲得F2群體的基礎(chǔ)上通過單粒傳法構(gòu)建而成。

1.2 種植方法

田間試驗分別于2012年和2013年在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻試驗基地進(jìn)行。2年均于當(dāng)年5月25日播種所有材料，秧齡25 d左右移栽。每個株系種植1行，每行10株，株行距為20 cm×20 cm。田間管理和病蟲防治按當(dāng)?shù)厮境Ｒ?guī)栽培技術(shù)執(zhí)行，期間未發(fā)生鳥鼠和病蟲為害。

1.3 粒形性狀調(diào)查方法

于成熟期拔除各株系中的異株和雜株，在每株系中隨機(jī)選取非邊行的5株主穗混合收種，籽粒曬干后用于后續(xù)分析。每個株系隨機(jī)選取10粒飽滿種子，用電子游標(biāo)卡尺(精確到0.01 mm)分別測定籽粒粒長、粒寬和粒厚，取10粒平均值作為該株系相應(yīng)性狀的表型值。

1.4 數(shù)據(jù)分析軟件

2 結(jié)果與分析

2.1 親本及重組自交系群體的粒形性狀分布特征

3個親本品種(系)中，粒長、粒寬和粒厚3個性狀均呈現(xiàn)出特大秈>R1126>日本晴的趨勢(表1)，尤其是品種間的粒長差異明顯，特大秈和R1126的粒長分別約為日本晴的2倍和1.5倍。同一品種的同一粒形性狀在不同年份略有差異，所有性狀變化趨勢一致，2013年各性狀表型值小于2012年的對應(yīng)值。與粒長相比，粒寬和粒厚性狀的年際間變異相對較大。

表1 親本在不同年份的粒形性狀表現(xiàn)

在NPB/TDX和NPB/R1126重組自交系群體中，水稻粒形性狀均呈連續(xù)分布，并且大多出現(xiàn)了超親分布現(xiàn)象，暗示2群體中所有粒形性狀均可能是多基因控制的數(shù)量性狀(圖1)。同一群體同一粒形性狀在不同年份的分布特征基本相似，具有較好的重演性。同一粒形性狀在不同群體中的分布特征各有差異，這種差異依具體性狀而異。如NPB/TDX RILs中，粒長表現(xiàn)為雙峰分布，而在NPB/R1126中則呈單峰分布。與之相反，粒寬性狀在NPB/TDX RILs中呈單峰分布，而在NPB/R1126中則呈多峰分布。粒厚性狀總體表現(xiàn)為單峰分布，但在不同群體中表現(xiàn)有一定差異。粒長、粒寬和粒厚性狀在不同群體中的分布差異，暗示在不同遺傳背景中控制這些性狀的遺傳機(jī)制有差異。

圖1 2套半同胞重組自交系粒形性狀的頻率分布Fig. 1 Frequency distribution of the grain shape traits in the two sets of RILs

2.2 重組自交系群體的粒形性狀間的相關(guān)分析

對2套半同胞重組自交系的粒長、粒寬和粒厚性狀分年度進(jìn)行了相關(guān)分析，2年數(shù)據(jù)具有較好的一致性(表2)。在NPB/TDX重組自交系群體2年的數(shù)據(jù)中，粒長、粒寬和粒厚間均呈正相關(guān)，粒長—粒寬間相關(guān)系數(shù)達(dá)0.05顯著水平，粒長—粒厚、粒寬—粒厚均在0.01水平上呈顯著正相關(guān)。對于NPB/R1126重組自交系群體，粒長—粒寬不存在顯著的相關(guān)關(guān)系，而粒長—粒厚、粒寬-粒厚均在0.01水平上呈顯著正相關(guān)。

粒長、粒寬和粒厚不同性狀間的相關(guān)關(guān)系，在2套群體中表現(xiàn)大體一致。相對于粒長，粒寬和粒厚間的相關(guān)性更為密切，推斷兩者在遺傳上可能存在一定的連鎖關(guān)系，有待于進(jìn)一步深入研究。

表2 不同粒形性狀間的相關(guān)系數(shù)

注：*，** 分別表示在5%和1%水平上差異顯著。

2.3 粒形性狀遺傳分析

2.3.1 遺傳模型的選擇及適合性分析

根據(jù)蓋鈞鎰院士等提出的植物數(shù)量性狀主基因+多基因混合遺傳模型，分別計算不同年份不同群體不同粒形性狀各遺傳模型的AIC值(未列出所有數(shù)據(jù))。對于每群體每年度的每一性狀，選取AIC值最小的2個遺傳模型作為備選模型，以用于進(jìn)一步檢驗(表3)。在NPB/TDX重組自交系群體中，粒長性狀在2012年的2個備選模型為E-1-4和E-1-2，2013年的為E-1-4和E-1-1；粒寬性狀在2年中2個備選模型均為B-1-8和B-2-7；粒厚性狀2012年備選模型為B-1-5和B-2-3，2013年為F-3和B-2-3。在NPB/R1126重組自交系群體中，粒長性狀兩年備選模型相同，均為E-1-7和E-1-9；粒寬性狀在2012年備選模型為B-1-7和C-1，2013年為B-1-7和B-2-5；

粒厚性狀在2012年備選模型為I-7和I-8，2013年為I-7和I-6。對所有性狀不同備選模型的適合性檢驗表明，在NPB/TDX RILs中，粒長性狀2年的最優(yōu)遺傳模型均是E-1-4，即該重組自交系群體粒長性狀由2對顯性上位作用的獨(dú)立主基因+多基因控制；粒寬性狀的最優(yōu)模型是B-1-8，即表現(xiàn)為2對重疊作用獨(dú)立主基因遺傳模型；粒厚性狀的最優(yōu)模型為B-2-3，即該性狀由2對等加性作用的連鎖主基因控制。在NPB/R1126 RILs中，E-1-7與E-1-9統(tǒng)計量達(dá)到顯著水平的個數(shù)相等，因此，E-1-7與E-1-9均可作為該重組自交系群體粒長的最優(yōu)模型，即該重組自交系群體粒長性狀表現(xiàn)為2對互補(bǔ)或抑制作用的獨(dú)立主基因+多基因遺傳模式；粒寬性狀的最優(yōu)模型為B-1-7，即2對互補(bǔ)作用獨(dú)立主基因遺傳模型；粒厚性狀的最優(yōu)模型是I-7，即4對主基因(2對等效)加性效應(yīng)+多基因加性上位性控制。

表3 2套重組自交系群體粒形性狀備選模型的適合性檢驗

(續(xù)表3)

群體性狀年份模型U21U22U23nW2DnB-2-717.298917.31950.28964.68440.87222013B-1-80.00080.13891.89894.79890.8882B-2-70.00080.13891.89894.79890.8882粒厚2012B-2-30.00010.02500.35394.75400.9560B-1-50.21670.206113.09804.75490.95572013B-2-32.55422.75480.20184.84890.9530F-33.17791.23336.06154.85630.9521NPB/R1126RILs粒長2012E-1-71.94879.334346.43573.79610.8628E-1-91.94879.334346.43573.79610.86282013E-1-70.00002.956547.23993.77030.8242E-1-90.00002.956547.23993.77030.8242粒寬2012B-1-70.06790.00051.19764.36520.1402C-13.338711.3747423.01694.37650.37942013B-1-736.660534.66040.00984.35320.9754B-2-597.464872.379417.68474.34670.9820粒厚2012I-70.48130.195419.84994.39080.8894I-876.810765.90392.16384.40970.86562013I-70.09041.955645.66934.40150.8913I-64.149317.710980.00364.39810.8922

2.3.2 粒形性狀遺傳模型的參數(shù)估計

根據(jù)極大似然原理估算最優(yōu)遺傳模型的遺傳參數(shù)(表4)，NPB/TDX RILs的粒長主基因遺傳率高達(dá)95%以上，多基因遺傳率相對較小，且其加性效應(yīng)為負(fù)效應(yīng)；控制粒寬性狀的主基因的遺傳率在90%以上，其加性效應(yīng)值表現(xiàn)為負(fù)值，即2對獨(dú)立主基因的重疊作用使粒寬減小0.305～0.337 mm；控制粒厚性狀的2對連鎖主基因的遺傳率相對較大，2年的貢獻(xiàn)率分別為88.13%和91.18%。

在NPB/R1126 RILs中，控制粒長的主基因遺傳率分別為88.71%和89.74%，2對主基因互補(bǔ)或重疊作用，使粒長減少0.592 mm和0.588 mm；控制粒寬的主基因遺傳率分別為92.04%和93.39%，2對主基因的互補(bǔ)作用使粒寬減小0.19～0.21 mm; NPB/R1126 RILs粒厚的遺傳主要表現(xiàn)為多基因遺傳，主基因遺傳效應(yīng)只占44.88%和32.92%，其中遺傳效應(yīng)相對較大的2對等效基因使水稻粒厚減少0.071～0.086 mm。

表4 2套RILs群體粒形性狀最優(yōu)模型的遺傳參數(shù)估計值

3 結(jié)論與討論

前人利用各種不同的遺傳群體，對水稻粒形性狀的遺傳規(guī)律開展了大量的研究，研究結(jié)論各有差異。本研究采用以粳稻品種日本晴為背景構(gòu)建的2套半同胞秈粳交重組自交系，進(jìn)行了粒形性狀的遺傳分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)同一粒形性狀即使在具有同一背景親本的不同群體中的分布特征也不相同，遺傳模型分析進(jìn)一步證實了在不同群體中控制這些性狀的遺傳機(jī)制是不同的。這一現(xiàn)象也暗示，本研究的2套重組自交系群體中的大粒親本特大秈和中粒形親本R1126控制粒形性狀的基因可能具有較大差異。

本研究中，2套重組自交系群體的粒長、粒寬以及NPB/TDX RILs的粒厚均表現(xiàn)為2對主基因+多基因的遺傳模型，其主基因的遺傳效應(yīng)均在88%以上，然而，控制不同性狀的2對主效基因間作用方式不一樣，如控制NPB/TDX RILs的粒長、粒寬和粒厚的主效基因間的互作方式分別為顯性上位作用、重疊作用和等加性連鎖，即使是控制同一性狀的2對主效基因，在不同群體中的作用方式也不盡相同，如在NPB/TDX RILs和NPB/R1126 RILs中，控制粒寬的均為2對主效基因，但前者表現(xiàn)為重疊作用，后者表現(xiàn)為互補(bǔ)作用。值得注意的是，在NPB/R1126 RILs中，粒厚性狀的遺傳模式相對復(fù)雜，該性狀的遺傳以多基因遺傳方式為主，4對主基因中即使是遺傳效應(yīng)相對較大的2對等效基因，也只能使水稻粒厚減少0.071～0.086 mm。

本研究結(jié)果將為進(jìn)一步利用這2套群體進(jìn)行粒形性狀的基因定位提供有益信息，尤其是為后續(xù)的基因精細(xì)定位策略提供參考。如對于粒厚性狀的基因定位，在遺傳群體的選擇上，NPB/TDX RILs優(yōu)于NPB/R1126 RILs，利用前者進(jìn)行基因定位有可能快速準(zhǔn)確地將基因定位于目標(biāo)染色體區(qū)段。又如，利用NPB/TDX RILs群體進(jìn)行粒厚基因的精細(xì)定位時，回交構(gòu)建近等基因系的過程中必須充分考慮到2對主效基因的連鎖效應(yīng)。

[1] 石春海，申宗坦.秈稻粒形及產(chǎn)量性狀的加性相關(guān)和顯性相關(guān)分析[J].作物學(xué)報，1996，22(1)：36-42.

[2] 徐正進(jìn)，陳溫福，馬殿榮，等.稻谷粒形與稻米主要品質(zhì)性狀的關(guān)系[J].作物學(xué)報，2004，30(9)：894-900.

[3] 林建榮，石春海，吳明國.不同環(huán)境條件下粳型雜交稻稻米外觀品質(zhì)性狀的遺傳效應(yīng)[J].中國水稻科學(xué)，2003，17(1)：16-20.

[4] 徐富賢，熊 洪，朱永川，等.雜交中稻整精米率的影響因子及其間接鑒定方法研究[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報，2013，26(1)：1-6.

[5] 劉延斌，楊遠(yuǎn)柱，劉建豐，等.雜交水稻親本混播機(jī)械化制種研究進(jìn)展[J].作物研究，2012，26(1)：85-87，102.

[6] 湯國華，謝紅軍，余應(yīng)弘.雜交水稻機(jī)械化制種研究的現(xiàn)狀問題與對策[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，(3)：133-136.

[7] 王 杰，鄧華鳳，張武漢，等.雜交水稻機(jī)械化制種技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展策略[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41(13)：5682-5683，5686.

[8] 張穎慧，謝永楚，董少玲，等.利用水稻秈粳重組自交系群體研究粒型性狀與千粒重的相關(guān)性[J].江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報，2012，28(2)：231-235.

[9] 王松鳳，李 輝，劉 喜，等.水稻粒形相關(guān)性狀及千粒重QTL的穩(wěn)定性分析[J].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，31(3)：1-7.

[10] 張志勇.水稻粒型和粒重性狀的主效QTL定位研究[D].廈門：廈門大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.

[11]于 波，高冠軍，張慶路.水稻外觀品質(zhì)性狀和千粒重的QTLs分析[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，51(19)：4187-4193.

[12]GRAMENE (2015).GRAMENE Database.[2015-01-31]http：//www.gramene.org/.

[13]Song X，Huang W，Shi M，et al.A QTL for rice grain width and weight encodes a previously unknown RING-type E3 ubiquitin ligase[J].Nat Gene，2007，39：623-630.

[14]Mao H，Sun S，Yao J，et al.Linking differential domain functions of theGS3 protein to natural variation of grain size in rice[J].Proc Natl Acad Sci USA，2010，107：19579-19584.

[15]Weng J，Gu S，Wan X，et al.Isolation and initial characterization ofGW5，a major QTL associated with rice grain width and weight[J].Cell Res，2008，18：1199-1209.

[16]Li Y，F(xiàn)an C，Xing Y，et al.Natural variation inGS5 plays an important role in regulating grain size and yield in rice[J].Nat Genet，2011，43：1266-1269.

[17]Wang S，Wu K，Yuan Q，et al.Control of grain size，shape and quality byOsSPL16 in rice[J].Nat Genet，2012，44：950-54.

[18]Qi P，Lin Y，Song X，et al.The novel quantitative trait locusGL3.1 controls rice grain size and yield by regulating Cyclin-T1;3[J].Cell Res，2012，22：1666-1680.

[19]Wang E，Wang J，Zhu X，et al.Control of rice grain-filling and yield by a gene with a potential signature of domestication[J].Nat Genet，2008，40：1370-74.

[20]Ishimaru K，Hirotsu N，Madoka Y，et al.Loss of function of the IAA-glucose hydrolase geneTGW6 enhances rice grain weight and increases yield[J].Nat Genet，2013，45：707-711.

[21]何小紅，蓋鈞鎰.回交自交系群體數(shù)量性狀遺傳體系的分離分析方法[J].作物學(xué)報，2006，32(2)：210-216.

[22]王金社，李海旺，趙團(tuán)結(jié)，等.重組自交家系群體4對主基因加多基因混合遺傳模型分離分析方法的建立[J].作物學(xué)報，2010，36(2)：191-201.

Genetic and Correlation Analysis of the Grain Shape Traits with Two Set of Half-Sib Recombinant Inbred Lines Derived fromIndica/JaponicaRice Cross

YE Nai-zhong，ZENG Gai，TANG Wei，XIAO Ying-hui*

(College of Agronomy，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China)

Two sets of half-Sib recombinant inbred lines (RILs)，which with the japonica cultivar Nipponbare (NPB) as the common genetic background and crossed donor parents with different grain shape，were developed to research the genetic of grain shape traits.The frequency distribution of the grain shape traits including grain length (GL)，grain width (GW) and grain thickness (GT) of rice seed harvested from the two sets of RILs were analyzed.The results showed that all the grain shape traits showed continuous distribution with single or multi peak.By using the mixed inheritance model with major genes plus polygenes，genetic analysis of the three grain shape traits of the sets of RILs were conducted.Genetic analysis showed that GL was controlled by two independent major genes with epistatic dominance plus polygenes，GW was controlled by two independent major genes with duplicate effect，GT was controlled by two linkage major genes with equal additive effect.In the NPB/R1126 RILs，GL was controlled by two major genes with complementary or inhibiting effect plus polygenes，GW was controlled by two independent major genes，whereas，GT was controlled by four major genes plus polygenes.The above results would provide useful information for the further gene mapping of grain shape traits with the two sets of RILs.

rice；half-Sib; recombinant inbred lines；grain shape trait；genetic model

2014-10-16

葉乃忠 (1989-)，男，福建武夷山人，碩士研究生，Email：477583984@qq.com。

*通信作者：肖應(yīng)輝，博士，教授，Email：xiaoyh@hunau.edu.cn。

教育部創(chuàng)新團(tuán)隊發(fā)展計劃項目(IRT1239)；湖南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊支持計劃項目。

S511.032

A

1001-5280(2015)02-0111-06

10.3969/j.issn.1001-5280.2015.02.01