大穗型水稻穗部性狀的QTL定位

汪欲鵬 段里成 龍啟樟 徐林典 武志峰 萬建林 石慶華 潘曉華 吳自明

摘要：【目的】對大穗型水稻穗部性狀的數(shù)量性狀基因座（QTL）進行定位，為水稻超高產(chǎn)育種提供優(yōu)質(zhì)的種質(zhì)材料?！痉椒ā坷?5個在雙親具有明顯多態(tài)性的分子標記和213個由大穗型水稻材料lp1與9311構(gòu)建的F2群體單株，采用完備區(qū)間加性模型作圖法（ICIM-ADD）對穗長、每穗粒數(shù)和著粒密度 3個穗部性狀的QTL進行檢測?！窘Y(jié)果】共檢測到5個穗部性狀QTL，其中穗長QTL 1個，每穗粒數(shù)QTL 2個，著粒密度QTL 2個，分布于第3、4、6、10和11號染色體上。檢測到的QTL LOD介于2.63～2.91，表型貢獻率為7.42%～17.72%，貢獻率大于10.00%的主效QTL有2個（qSSD-3-1和qPL-11-1），分別有2個和3個QTL的增效等位基因來源于大穗lp1和9311。【結(jié)論】定位得到的主效QTL qSDD-3-1和qPL-11-1可用于分子標記輔助選擇育種，新的穗長QTL qPL-11-1可用于精細定位和克隆。

關(guān)鍵詞： 水稻；QTL定位；穗部性狀

中圖分類號： S511.103.53 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2016）09-1445-05

Abstract：【Objective】The present study was conducted to locate QTLs of panicle traits in large panicle rice， in order to provide high-quality germplasm resources in breeding programs of super high-yield rice. 【Method】A F2 population including 213 plants derived from hybrid of large panicle materials lp1 and 9311， and 95 molecular markers which had obvious polymorphism in bi-parents were used. Then inclusive composite interval mapping（ICIM） method were utilized to detect QTLs of panicle length（PL）， spikelet number per panicle（SPP）， and seed setting density（SSD） in this population. 【Result】A total of 5 related QTLs were detected on chromosome 3， 4， 6， 10 and 11， including 1 QTLs for PL， 2 Major QTLs for SPP and 2 QTLs for SSD. The LOD scores of QTLs ranged from 2.63 to 2.91， and the phenotypic variation explained（PVE） ranged from 7.42% to 17.72%， and there were 2 QTLs（qSSD-3-1 and qPL-11-1） whose PVE were more than 10.00%. 2 QTLs and 3 QTLs source of positive allele were lp1 and 9311， respectively. 【Conclusion】The detected qSSD-3-1 and qPL-11-1 are used in marker-assisted selection breeding， and qPL-11-1， which is one new QTL of PL， can be used in fine mapping and clone.

Key words： rice； QTL mapping； panicle trait

0 引言

【研究意義】水稻作為世界主要糧食作物，其產(chǎn)量的提高是緩解當今糧食安全問題的關(guān)鍵因素。穗部性狀是水稻產(chǎn)量的直接影響因素，主要包括穗長、一次枝梗數(shù)、二次枝梗數(shù)、每穗粒數(shù)、著粒密度和結(jié)實率等，適當增加穗長、穗部籽粒數(shù)量和提高結(jié)實率一直是水稻高產(chǎn)的主要途徑（董桂春等，2010；陳明亮等，2014）。因此，挖掘控制穗部性狀基因或數(shù)量性狀基因座（Quantitative trait locus，QTL）對提高水稻產(chǎn)量具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】水稻穗部性狀一般表現(xiàn)為多基因控制的數(shù)量性狀。近30年來，隨著分子標記技術(shù)和遺傳統(tǒng)計模型的發(fā)展，越來越多的穗部相關(guān)QTL被定位和克隆。截至目前，通過QTL定位方法已克隆獲得Gnla、Ghd7、qGL7、GW2和DEP1等基因（Ashikari et al.， 2005； Song et al.，2007； Xue et al.，2008； Huang et al.， 2009； Bai et al.，2010），精細定位了qHd1、gw9.1、SPP1、qGN4-1和qSSP7等主效QTL（Xie et al.，2008； Xing et al.，2008； Liu et al.，2009； Deshmukh et al.，2010； Chen et al.，2014）。Ashikari等（2005）利用秈粳交Habataki/Koshihikari及其相應的近等基因系，克隆了與細胞分裂素氧化酶/脫氫酶高度同源的Gnla基因，Gn1a基因編碼一種降解細胞分裂素的酶，細胞分裂素會因為該基因的表達減弱而在花序分生組織中累積，使繁殖器官數(shù)目增加，從而產(chǎn)生更多的穗粒數(shù)，提高了水稻產(chǎn)量。Liu等（2009）通過隨機構(gòu)建近等基因系的F2群體及分子標記技術(shù)，將控制穗粒數(shù)的主效QTL位點SPP1定位到長度為107 kb的BAC上，該區(qū)域預測有一個編碼IAA合成酶的基因，LOC_Os01g12160被認為是最可能的候選基因。Bai等（2010）利用秈稻品種南陽占和粳稻品種川7構(gòu)建F7：8重組自交系群體RIL，并用164個微衛(wèi)星標記SSR構(gòu)建了遺傳連鎖圖，發(fā)現(xiàn)了一系列主效或微效QTL，微效QTL qGL7對粒型、千粒重和每穗粒數(shù)均有影響，通過構(gòu)建近等基因系的F2群體NIL-F2，最終將qGL7定位在標記RID711和RM6389之間258 kb的范圍內(nèi)。此外，曹立勇等（2003）和吳亞輝等（2014）分別利用臨時遺傳群體F2和重組自交系群體挖掘了許多非常重要的穗部性狀QTL?！颈狙芯壳腥朦c】雖然目前已克隆和定位了部分控制穗部性狀的有利QTL或基因，其中一些QTL在育種應用上也取得顯著成果，但穗部性狀QTL被精細定位和克隆的仍然較少，特別是每穗粒數(shù)、著粒密度和結(jié)實率等較復雜的性狀。通過大穗型水稻材料與常規(guī)水稻材料構(gòu)建遺傳群體，是對此類有利的QTL進行挖掘和定位的重要途徑之一。【擬解決的關(guān)鍵問題】利用本課題組在常規(guī)早稻品種96-6種植田間發(fā)現(xiàn)的一大穗材料lp1與9311構(gòu)建F2臨時分離群體，對穗長、每穗粒數(shù)和著粒密度性狀相關(guān)QTL進行定位，旨在為這些性狀QTL的進一步精細定位和克隆打下基礎(chǔ)，同時為大穗材料lp1在育種上的應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

大穗型水稻材料lp1為本課題組在常規(guī)早稻品種96-6種植田間發(fā)現(xiàn)的特殊材料，該材料具有莖稈粗壯、穗長粒大、分蘗力強等優(yōu)點，經(jīng)多年種植，確認其各性狀可以穩(wěn)定遺傳。與一般材料相比，lp1的穗部表現(xiàn)出有效穗數(shù)多、穗長粒少、著粒較稀等特點。本研究利用lp1與9311雜交再自交產(chǎn)生遺傳群體F2，用于穗長、每穗粒數(shù)和著粒密度性狀的QTL定位研究。所有材料均按小區(qū)種植于江西農(nóng)業(yè)大學科技園實驗田，60株/小區(qū)，6行/小區(qū)，每行10株，小區(qū)間距約50 cm×50 cm，行距約20 cm×20 cm，正常水肥管理。

1. 2 穗部性狀考察

成熟期隨機收取除邊株外lp1和9311各10株、F2群體213個單株用于考種分析。參考《水稻種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》對兩親本及F2群體單株進行考種，考察的性狀主要有穗長、每穗粒數(shù)和著粒密度。利用Excel 2010及SPSS 19.0對考種數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

1. 3 穗部性狀的QTL定位

利用兩親本lp1和9311對江西農(nóng)業(yè)大學作物生理生態(tài)與遺傳育種重點實驗室保存的512對SSR引物和InDel引物進行多態(tài)性篩選，共獲得差異顯著的多態(tài)性引物95對，多態(tài)性頻率為18.55%。利用95對多態(tài)性引物對F2群體中213個單株進行基因型鑒定，其中與大穗lp1帶型相同的單株記為2，與9311相同的單株記為0，雜合型單株記為1。結(jié)合表型數(shù)據(jù)和基因型鑒定數(shù)據(jù)，采用QTL IciMapping 4.0中MAP功能構(gòu)建連鎖圖譜，圖譜覆蓋水稻基因組約2196.67 cM，標記間平均距離為23.12 cM，每條染色體標記個數(shù)約7.92個。利用bip功能中的完備區(qū)間加性模型作圖法（ICIM-ADD），以LOD≥2.5作為閾值、1 cM為掃描步長，對相關(guān)性狀QTL進行檢測，QTL的命名遵循McCouch（2008）的原則。

2 結(jié)果與分析

2. 1 F2群體與其親本穗部性狀的表型變異

如圖1所示，與9311相比，大穗lp1植株表現(xiàn)高大、莖稈粗壯、分蘗力強、穗長粒大等特點，是一種優(yōu)質(zhì)的大穗大粒種質(zhì)資源。對于穗部性狀，lp1穗長比9311長15.04%，每穗粒數(shù)和著粒密度分別比9311少19.51%和32.32%，各性狀間（表1）均存在極顯著差異（P<0.01，下同），表明lp1與9311適于構(gòu)建遺傳群體用于穗部性狀的QTL定位。

由表1和圖2可知，F(xiàn)2群體中穗部各性狀均呈現(xiàn)連續(xù)變異的特點，且均存在明顯的超親遺傳現(xiàn)象，表明穗長、每穗粒數(shù)和著粒密度均是由多主效基因控制的數(shù)量性狀。另外，各性狀分布的峰度和偏度均較小，為-0.62～-0.03，說明各性狀均基本呈正態(tài)分布，獲得表型數(shù)據(jù)可用于進一步的QTL定位研究。

2. 2 表型數(shù)據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果

如表2所示，F(xiàn)2群體中穗部各性狀間均存在極顯著的正相關(guān)，說明穗長、每穗粒數(shù)和著粒密度3個性狀可能受同一個主效QTL或緊密連鎖的主效QTL控制。

2. 3 穗部性狀QTL定位結(jié)果

如表3所示，本研究共檢測到5個穗部相關(guān)性狀的QTL，分布于第3、4、6、10和11號染色體上，LOD為2.63～2.91，表型貢獻率為7.42%～17.72%，表型貢獻率大于10.00%的主效QTL有2個，分別有2個和3個QTL的增效等位基因來源于大穗lp1和9311。

本研究檢測到1個控制穗長的QTL qPL-11-1，分布在第11號染色體上，LOD為2.91，表型貢獻率達17.72%，增效等位基因來源于lp1；共檢測到2個控制每穗粒數(shù)的QTL，分布在第4和10號染色體上，LOD分別為2.72和2.75，表型貢獻率分別為8.29%和8.12% ，其中qSPP-10-1增效等位基因來源于親本lp1，qSPP-4-1增效等位基因則來源于9311；檢測到2個控制著粒密度的QTL，分布在第3和6號染色體上，LOD分別為2.88和2.63，其中qSDD-3-1表型貢獻率為11.30%，為主效QTL，增效等位基因來源于9311（圖3）。

3 討論

水稻穗部性狀如穗長、每穗粒數(shù)、著粒密度和結(jié)實率均屬于復雜的數(shù)量性狀，極易受遺傳和環(huán)境或兩者互作的影響，同時各性狀間的相關(guān)性在不同學者的研究中也略有差異。大部分學者認為穗長與每穗粒數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與著粒密度呈正相關(guān)或負相關(guān)，也有學者認為兩者相關(guān)性不顯著；大多數(shù)學者認為每穗粒數(shù)與著粒密度呈顯著正相關(guān)，也有學者認為兩者相關(guān)性不顯著（王智權(quán)等，2011；劉丹等，2013；吳亞輝等，2014；占小登等，2014；周麗慧等，2015）。本研究中，穗長與每穗粒數(shù)、著粒密度呈極顯著正相關(guān)，每穗粒數(shù)與著粒密度呈極顯著正相關(guān)，與大部分學者的研究結(jié)果一致，說明本研究構(gòu)建的遺傳群體具有較強的可靠性。水稻穗部性狀的QTL定位是QTL定位研究的熱點，目前已有較多相關(guān)研究報道。吳亞輝等（2014）以日本晴和大穗秈稻材料H71D為親本構(gòu)建F2群體，以LOD≥3.0為閾值，對穗長、一次枝梗數(shù)、二次枝梗數(shù)、總粒數(shù)和穗著粒密度等穗部性狀進行QTL定位，兩年共檢測到38個QTL。占小登等（2014）以穗部性狀具有明顯差異的大粒秈/小粒粳衍生的重組自交系群體為材料，以LOD≥2.5為閾值，對穗長、每穗總粒數(shù)、每穗實粒數(shù)和著粒密度等性狀進行QTL檢測，兩年共檢測到24個穗部性狀QTL 。張亞東等（2014）通過穗部性狀差異明顯的TD70/Kasalath的重組自交系群體，以LOD≥2.5為閾值，對穗長、每穗總粒數(shù)和著粒密度3個性狀進行QTL檢測，兩年共檢測到5個穗長QTL、8個每穗總粒數(shù)QTL和10個著粒密度QTL。通過對比分析，發(fā)現(xiàn)本研究所定位的一些QTL與前人的相關(guān)研究有很多相似位點，其中第3號染色體中的著粒密度QTL qSSD-3-1、每穗粒數(shù)QTL qSSP-10-1分別與張亞東等（2014）報道的qGD3-2、qTSP10位點相近；第4號染色體上控制著粒密度的QTL qSSD-4-1在已克隆的每穗粒數(shù)基因Gnla和已精細定位的基因SPP1附近區(qū)域（Ashikari et al.， 2005； Liu et al.，2009）。此外，本研究在第6號染色體RM6476～RM1369區(qū)間定位到的控制著粒密度QTL qSSD-6-1及在第11號染色體RM2459～ RM26668區(qū)間中檢測到1個控制穗長的主效QTL qPL-11-1，這兩個標記區(qū)間內(nèi)在收集到文獻中未見相關(guān)的報道，可能是兩個新的穗部性狀QTL位點。

4 結(jié)論

本研究利用大穗材料lp1與9311構(gòu)建的F2臨時分離群體對水稻穗長、每穗粒數(shù)和著粒密度3個穗部性狀的QTL進行檢測，共檢測到5個相關(guān)QTL，其中表型變異貢獻率大于10.00%的主效QTL有2個，分別為qSSD-3-1和qPL-11-1。定位到的主效QTL qSDD-3-1和qPL-11-1可用于分子標記輔助選擇育種，新的穗長QTL qPL-11-1可用于精細定位和克隆。

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（責任編輯 麻小燕）