水稻穗長和有效穗數(shù)的QTL定位分析

劉穎+葉生鑫+彭強(qiáng)+張大雙+吳健強(qiáng)+王際鳳+黃培英+朱速松

摘要：水稻的穗長和有效穗數(shù)與產(chǎn)量有著密切的關(guān)系。本試驗(yàn)以秈稻品系中的V20B為母本，爪哇稻品系中的CPSLO17為父本雜交，經(jīng)單粒傳法構(gòu)建重組自交系（RIL）為作圖群體，對水稻穗長和有效穗數(shù)2個(gè)穗部性狀進(jìn)行QTL定位及分析。利用SLAF標(biāo)簽構(gòu)建的高密度遺傳圖譜，結(jié)合定位軟件MapQTL5進(jìn)行區(qū)間作圖，閾值設(shè)為3.9，在3條染色體上共檢測到7個(gè)QTL，其中5個(gè)控制穗長QTL（qPL1-1、qPL1-2、qPL6-1、qPL6-2、qPL6-3）分別位于第1、第6號染色體上，QTL的貢獻(xiàn)率分別為6.41%、22.22%、6.15%、12.24%、13.01%，增效位點(diǎn)主要來自于CPSLO17，且qPL1-1為一個(gè)新的QTL；2個(gè)控制有效穗數(shù)QTLs（qPN1、qPN4）分別位于第1、第4號染色體上，QTL的貢獻(xiàn)率分別為13.15%、8.18%，且增效位點(diǎn)來自于親本V20B。這些位點(diǎn)的標(biāo)記為進(jìn)一步克隆穗長和有效穗數(shù)QTL及分子標(biāo)記輔助選擇奠定理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：水稻；QTL；穗長；有效穗數(shù)；產(chǎn)量

中圖分類號：S511.03

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）04-0086-04

提高水稻產(chǎn)量始終是水稻育種追求的目標(biāo)[1]，水稻產(chǎn)量的構(gòu)成包括千粒質(zhì)量、單株有效穗數(shù)、每穗實(shí)粒數(shù)、結(jié)實(shí)率4個(gè)部分，其中有效穗數(shù)的變化對產(chǎn)量高低有著舉足輕重的影響。水稻產(chǎn)量的構(gòu)成與水稻各種穗部性狀有著密切的關(guān)系[2]，穗長是水稻穗部性狀的一個(gè)重要組成部分，在實(shí)踐育種中，雖然穗長這一性狀被廣泛研究，但在闡明其與產(chǎn)量構(gòu)成關(guān)系上卻沒有引起足夠的重視[3]。因此，定位分析控制水稻穗長和有效穗數(shù)的QTL及分析二者關(guān)系更能直接有效地為分子標(biāo)記輔助選擇培育高產(chǎn)品種提供依據(jù)。目前，大量研究表明，水稻穗長[4]和有效穗數(shù)[5]2個(gè)穗部相關(guān)性狀為多基因控制的數(shù)量性狀。近年來，關(guān)于穗長和有效穗數(shù)的QTL定位分析已有許多報(bào)道。潘英華等利用日本晴/B0801的F2群體定位了4個(gè)穗長QTLs[6]，分別位于第1、第2、第5、第9號染色體上，其中qPL9-1為主效QTL。袁愛平等利用中156/谷梅2號的RIL群體，在不同的環(huán)境下，對有效穗數(shù)進(jìn)行非條件和條件QTL定位分析，定位3個(gè)有效穗數(shù)QTLs，分別位于第2、第7號染色體上[7]。徐建龍等利用Lemont/特青的RIL群體，檢測出4個(gè)影響有效穗數(shù)的QTLs，分別位于第3、第4、第11、第12號染色體上[8]。

高密度遺傳連鎖圖譜在基因和基因組的精細(xì)定位和圖位克隆的應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。SLAF-seq技術(shù)是基于SNP的簡化基因組深度測序技術(shù)，該技術(shù)相比RAPD、RFLP、SSR等傳統(tǒng)的定位方法具有通量高、準(zhǔn)確性高、成本低、周期短、有效reads長、適用性廣等突出優(yōu)勢[9]。目前，該技術(shù)在國內(nèi)外已成功用于大豆[10]、芝麻[11]、黃瓜[12]等眾多領(lǐng)域的遺傳圖譜構(gòu)建和QTL定位，且在國內(nèi)也有用于水稻耐冷和粒質(zhì)量等性狀的研究，宋佳諭等利用此技術(shù)進(jìn)行水稻苗期耐冷關(guān)聯(lián)分析[13]；Xu等利用此技術(shù)對水稻粒質(zhì)量進(jìn)行QTL定位[14]。但將此方法應(yīng)用于水稻穗長和有效穗數(shù)研究上的卻少有報(bào)道，因此，本研究較先采用SLAF-seq技術(shù)，以V20B和CPSLO17為雙親，利用覆蓋12條染色體標(biāo)記平均距離為0.29 cM的由8 602個(gè)高質(zhì)量SLAF標(biāo)簽構(gòu)建的高密度遺傳連鎖圖譜，結(jié)合表型數(shù)據(jù)對V20B/CPSLO17構(gòu)建的重組自交系群體（recombinant inbred lines，RILs）的穗長和有效穗數(shù)2個(gè)性狀進(jìn)行遺傳分析，以期為水稻穗長和有效穗數(shù)性狀相關(guān)基因的精細(xì)定位、克隆及分子育種提供相關(guān)信息。

1 材料與方法

1.1 材料

以分蘗強(qiáng)、穗長短、配合力強(qiáng)秈稻V20B為母本，以分蘗弱、穗長長、廣親和性爪哇稻CPSLO17為父本進(jìn)行雜交，通過單粒傳法連續(xù)自交后得到重組自交系群體。

1.2 田間種植與試驗(yàn)方法

1.2.1 田間種植 2015年于貴州省水稻研究所內(nèi)種植雙親和RILs群體，每株系種4行，每行10株，種植行距為寬窄行（寬行30 cm、窄行20 cm）、株距20 cm，單本種植，常規(guī)栽培管理。

1.2.2 性狀考察 成熟后，親本分別隨機(jī)取5株，每株取3穗，測量穗長，取平均值；隨機(jī)選取5株考察有效穗數(shù)；隨機(jī)取150個(gè)RIL群體考察穗長和單株有效穗數(shù)。穗長是指主穗頸節(jié)到穗頂?shù)拈L度（不包括芒）；單株有效穗數(shù)是指單株內(nèi)實(shí)粒數(shù)在5粒以上稻穗的數(shù)目。

1.3 QTL分析

本試驗(yàn)群體SLAF標(biāo)簽的分子數(shù)據(jù)由北京百邁克生物科技有限公司提供，該分子數(shù)據(jù)是利用SLAF-seq（specific-locus amplified fragment sequencing）技術(shù)和HighMap 軟件聯(lián)合開發(fā)所得。該遺傳圖譜共包含8 602個(gè)高質(zhì)量SLAF標(biāo)簽，較均勻地分布在水稻的12條染色體上；覆蓋水稻全基因組 2 508.65 cM，平均每隔0.292 cM分布有1個(gè)分子標(biāo)記。采用軟件IciMapping4.0的ICIM-ADD方法進(jìn)行QTL定位分析，掃描步長設(shè)定為0.1 cM，LOD值設(shè)定為3.0，計(jì)算每個(gè)QTL對水稻穗長和有效穗數(shù)的貢獻(xiàn)率及加性效應(yīng)，參照 McCouch 等提出的方法[15]對所檢測到的QTL進(jìn)行命名，其中加性效應(yīng)值為正指增效等位基因來自于親本V20B，負(fù)值則來源于親本CPSLO17。

2 結(jié)果與分析

2.1 雙親與RIL群體穗長和有效穗數(shù)的表型數(shù)據(jù)

父本V20B穗長為17.5 cm，有效穗數(shù)為16.8個(gè)；母本CPSLO17穗長為21.2 cm，有效穗數(shù)為10.4個(gè)（表1）。2個(gè)性狀的偏度和峰度均小于1，表明穗長和有效穗數(shù)2個(gè)性狀在群體上均呈正態(tài)分布，都為多基因控制的數(shù)量性狀。穗長和有效穗數(shù)頻度分布見圖1、圖2。

2.2 穗長和有效穗數(shù)性狀的QTL分析

共檢測到影響穗長和有效穗數(shù)2個(gè)性狀的7個(gè)QTL（表2、圖3），分布于第1、第4、第6號3條染色體上。

檢測到5個(gè)穗長QTLs，分別位于第1、第6號染色體上，其中qPL1-1被定位于遺傳距離為0.676 cM的Marker614194-Marker644674之間，LOD值為3.37，對表型變異的解釋率為6.41%；qPL1-2被定位于遺傳距離為0.400 cM的Marker741439-Maeker628192之間，LOD值為10.4，對表型變異的解釋率為22.22%；qPL6-2被定位于遺傳距離為 0.600 cM 的Marker1276321-Marker1234489之間，LOD值為6.13，對表型變異的解釋率為12.24%；qPL6-3被定位于遺傳距離為0.400 cM 的Marker1234489-Marker1320428之間，LOD值為6.57，對表型變異的解釋率為13.01%，以上4個(gè)QTLs的增性等位基因均來自親本CPSLO17；qPL6-1被定位于遺傳距離為0.669 cM 的Marker1335574-Marker1231102之間，LOD值為3.23，對表型變異的解釋率為6.15%，其增性等位基因來自親本V20B（表2）。

檢測到2個(gè)有效穗數(shù)的QTLs，其中qPN1被定位于遺傳距離為0.200 cM的 Marker727245-Marker733801之間，LOD值為4.93，對表型變異的解釋率為13.15%；qPN4被定位于遺傳距離為0.326 cM的Marker470548-Marker358668之間，LOD值為3.23，對表型變異的解釋率為8.18%，二者的增性等位基因均來自親本V20B（表2）。

3 結(jié)論與討論

水稻品種可以分為大穗型、中間型和多穗型，不論是大穗型還是多穗型品種都有獲得高產(chǎn)的實(shí)例[16]，在育種實(shí)踐中更希望能獲得兼具穗長長和有效穗數(shù)多的水稻品種。但大多數(shù)穗長相關(guān)的QTL與有效穗數(shù)的QTL定位在不同的染色體上，如果能通過標(biāo)記輔助實(shí)現(xiàn)穗長與有效穗數(shù)的重組，使二者聚合在同一染色體上，則有可能培育出兼具有穗長長和有效穗數(shù)多的水稻品種。本研究以V20B/CPSLO17 RIL為作圖群體，對水稻穗長及有效穗數(shù)進(jìn)行定位分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在第1、第6號染色體上共檢測到5個(gè)控制水稻穗長的QTLs，在第1號、第4號染色體上各檢測到1個(gè)控制水稻有效穗數(shù)的QTL，其中第1號染色體上檢測到同時(shí)存在控制穗長和有效穗數(shù)的QTL且在相近區(qū)域。

將Gramene網(wǎng)站（www.gramene.org，截至2015年11月）上已公布的272 個(gè)穗長QTLs和43個(gè)有效穗數(shù)QTLs與本試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)本試驗(yàn)定位出的控制穗長性狀5個(gè)QTLs中，位于Marker614194-Marker644674間的qPL1-1（2個(gè)Marker間遺傳距離為0.676 cM），沒有發(fā)現(xiàn)與之相同的QTL，推測其是一個(gè)新的QTL。其余4個(gè)QTLs（qPL1-2、qPL6-1、qPL6-2、qPL6-3）定位出的區(qū)間均包含于前人定位的區(qū)間內(nèi)，可能是相同的位點(diǎn)。位于 Marke1335574-Marker1231102 間的qPL6-1（2個(gè)Marker間遺傳距離為 0.669 cM），包含于Cho等定位的qPL-6-2（2個(gè)Marker間遺傳距離為12.3 cM）區(qū)間之內(nèi)[17]；位于Marker1276321-M1320428間的qPL6-2（2個(gè)Marker間遺傳距離為0.600 cM）和qPL6-3（2個(gè)Marker間遺傳距離為 0.400 cM）包含于Suh等定位的qPL6（2個(gè)Marker間遺傳距離為35.4 cM）區(qū)間內(nèi)[18]。位于Marke741439-Marker628912間的qPL1-2（2個(gè)Marker間遺傳距離為0.400 cM）具有較高的LOD值，在與前人的對比中發(fā)現(xiàn)，Hittalmani等定位的qPL-1（2個(gè)Marker間遺傳距離為35.4 cM）[19]、張亞東等定位的qPL1（2個(gè)Marker間遺傳距離為18.8 cM）[20]、姜恭好等定位的qPL1（兩Marker間遺傳距離為15.3 cM）[21]均有發(fā)現(xiàn)此QTL，由此推測qPL1-2是一個(gè)穩(wěn)定遺傳的QTL。

控制有效穗的2個(gè)QTL中，位于Marker727245-Marker733801間的qPN1（2個(gè)Marker間遺傳距離為0.200 cM）與Lanceras等在DH群體中定位的qpn1.1（2個(gè)Marker間遺傳距離為16.9 cM）[22]有部分重疊，且在此區(qū)段內(nèi)發(fā)現(xiàn)1個(gè)與有效穗數(shù)有關(guān)的基因THIS1[23]，THIS1基因可能參與獨(dú)腳金內(nèi)酯和生長素等激素信號通路，在調(diào)控水稻分蘗形成過程中發(fā)揮重要作用。位于Marker470548-Marker358668間的qPN4（2個(gè)Marker間遺傳距離為0.326 cM）則包含于Lanceras在DH群體中定位qpn4.10（2個(gè)Marker間遺傳距離為69.5 cM）區(qū)間之內(nèi)[22]。

本試驗(yàn)利用SLAF標(biāo)簽構(gòu)建的高密度遺傳連鎖圖譜結(jié)合表型數(shù)據(jù)，定位到1個(gè)新的控制水稻穗長的QTL，其余6個(gè)QTLs均處于前人定位的區(qū)間范圍內(nèi)，因此推測是相同的QTL，但此6個(gè)QTLs的定位區(qū)間與前人相比較更加精細(xì)。說明使用SLAF-seq技術(shù)能更加精細(xì)地定位出QTL的位置，從而有利于縮小候選基因選擇范圍和快速準(zhǔn)確地進(jìn)行相關(guān)基因克隆。

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