利用水稻MAGIC群體關(guān)聯(lián)定位白葉枯病抗性QTL和創(chuàng)制抗病新種質(zhì)

陳天曉朱亞軍密雪飛陳 凱孟麗君左示敏徐建龍2，，4，*

1揚(yáng)州大學(xué)江蘇省作物遺傳生理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育點(diǎn) / 糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心， 教育部植物功能基因組學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇揚(yáng)州 225009；2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所， 北京 100081；3中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所， 廣東深圳 518210；4中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳生物育種創(chuàng)新研究院， 廣東深圳 518210

利用水稻MAGIC群體關(guān)聯(lián)定位白葉枯病抗性QTL和創(chuàng)制抗病新種質(zhì)

陳天曉1，2朱亞軍3密雪飛3陳 凱3孟麗君3左示敏1，*徐建龍2，3，4，*

1揚(yáng)州大學(xué)江蘇省作物遺傳生理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育點(diǎn) / 糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心， 教育部植物功能基因組學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇揚(yáng)州 225009；2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所， 北京 100081；3中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所， 廣東深圳 518210；4中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳生物育種創(chuàng)新研究院， 廣東深圳 518210

以 8個不同親本構(gòu)建的遺傳上相互關(guān)聯(lián)的多親本高代互交系（multi-parents advanced generation inter-cross，MAGIC）群體， 包括2個4親本群體（DC1和DC2）和1個八親本群體（DC3）為材料， 接種我國白葉枯病強(qiáng)致病力V型菌系（GD-V）和弱致病力II型菌系（C2）， 關(guān)聯(lián)分析定位MAGIC群體對白葉枯病的抗性QTL， 篩選抗病種質(zhì)。結(jié)果表明， 大多數(shù)親本對C2菌系表現(xiàn)抗病， 而對GD-V菌系表現(xiàn)感病， 3個MAGIC群體的病斑長度均出現(xiàn)超親分離。共檢測到 7個白葉枯病抗性 QTL， 大多表現(xiàn)數(shù)量抗性， 而且抗性 QTL表達(dá)存在明顯的遺傳背景效應(yīng)。QBbr11-1和QBbr11-2受遺傳背景影響較小， 具有一定的育種應(yīng)用價值。從3個群體篩選出8份不同抗病QTL聚合的抗病材料， 表明質(zhì)量抗性基因和水平抗性數(shù)量性狀位點(diǎn)的結(jié)合可以顯著提高抗性水平。8份不同抗病QTL的聚合系可以用作抗病育種的中間抗源。研究結(jié)果表明， MAGIC群體可以將遺傳研究和育種應(yīng)用有機(jī)結(jié)合， 是遺傳研究和開展標(biāo)記輔助育種的理想群體。

MAGIC； 水稻白葉枯??； QTL； 全基因組關(guān)聯(lián)分析； 水稻

由黃單胞桿菌水稻致病變種（Xanthomonas oryzae pv.oryzae， Xoo）引起的水稻白葉枯病是一種造成稻米產(chǎn)量損失的細(xì)菌病害。最早在日本福岡地區(qū)， 之后陸續(xù)在世界主要水稻產(chǎn)區(qū)發(fā)現(xiàn)該病， 當(dāng)前已經(jīng)成為我國水稻生產(chǎn)中的三大病害之一［1-2］。實(shí)踐證明，挖掘并利用抗性基因培育抗病品種是防治水稻白葉枯病最經(jīng)濟(jì)有效的手段［3］。

白葉枯病菌與水稻抗病基因之間存在典型的特異性互作， 水稻的 R基因與病原菌無毒基因（Avr）產(chǎn)物之間直接或間接相互作用產(chǎn)生的“基因?qū)颉笨剐裕?是水稻對白葉枯病抗性表現(xiàn)的重要形式［4］， 同時被微效多基因控制的水平抗性也在水稻白葉枯病抗性中發(fā)揮重要作用［5］。迄今， 經(jīng)國際注冊確認(rèn)和公開報道的水稻白葉枯病抗性基因已達(dá)30多個［6］。多數(shù)白葉枯病抗性基因由于抗譜狹窄或?yàn)殡[性基因未被直接應(yīng)用于抗病育種實(shí)踐， 僅 Xa3、Xa4、xa5、Xa7、xa13、Xa21、Xa23等少數(shù)抗白葉枯病基因得到較廣泛的應(yīng)用［7-8］， 在一定程度上降低了白葉枯病帶來的產(chǎn)量損失。然而， 根據(jù)“基因?qū)颉奔僬f［9-10］，在抗病基因的選擇壓下， 致病菌將不斷進(jìn)化， 使得某些抗性主效基因逐漸失去抗性。因此， 發(fā)掘新的抗性基因培育抗病品種將是抗病育種研究永恒不變的研究方向。在白葉枯病抗病遺傳育種領(lǐng)域， 除直接利用抗性基因的策略外， Li等［11］也提出將垂直抗性基因和多個微效基因聚合以期獲得水稻對白葉枯病的持久抗性的策略。

起源于不同地域的種質(zhì)資源中往往隱藏著豐富的有利等位基因［12］。先前， Meng等［13］以8個來自國際水稻研究所、中國和其他國家的優(yōu)良種質(zhì)為親本，構(gòu)建了3個相互關(guān)聯(lián)的MAGIC群體， 成功開展了重要農(nóng)藝性狀的QTL定位研究。在本研究中， 我們對這3個MAGIC群體接種2個致病力不同的水稻白葉枯病菌， 開展了水稻抗白葉枯病QTL的定位研究，并篩選出部分抗病中間材料。研究結(jié)果為發(fā)掘白葉枯病抗性新基因和培育抗白葉枯病水稻新品種提供了相關(guān)信息和材料基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)群體

3 個MAGIC群體是利用來自不同育種項(xiàng)目的8個多樣性豐富的優(yōu)良種質(zhì)為親本構(gòu)建的， 包括 2個四親本群體和 1個八親本群體。8個親本分別是SAGC-08 （A）、HHZ5-SAL9-Y3-Y1 （B）、BP1976B-2-3-7-TB-1-1 （C）、PR33282-B-8-1-1-1-1-1 （D）、FFZ1 （E）、CT 16658-5-2-2SR-2-3-6MP （F）、IR 68 （G）和IR 02A127 （H）， 其來源及特點(diǎn)見表1。將8個親本分成ABCD和 EFGH 2組， 2組四親本間兩兩成對雜交（A×B、C×D 和 E×F、G×H）， 產(chǎn)生 4對雙親本雜交種， 將4對雙親本雜交種F1再成對雜交產(chǎn)生2種四親本雜交種（A/B//C/D 和E/F//G/H）， 2種四親本雜交種通過單粒傳法加代， 自交 6代， 建成 2個四親本MAGIC群體， 獲得221個穩(wěn)定株系的A/B//C/D群體（記作DC1）和241個穩(wěn)定株系的E/F//G/H群體（記作DC2）。分別從四親本雜交種 A/B//C/D和 E/F//G/H中選 25個 F1單株， 通過互交產(chǎn)生八親本雜交種（A/ B//C/D///E/F//G/H）， 經(jīng)過單粒傳法加代， 建成包含455個穩(wěn)定株系的八親本MAGIC群體（記作DC3）。

1.2 田間設(shè)計(jì)與抗性鑒定

接種鑒定試驗(yàn)在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所北京昌平實(shí)驗(yàn)基地完成。2015年5月1日播種， 5月27日單本移栽， 株行距為20 cm ×17 cm。田間按2重復(fù)隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)， 每系每重復(fù)種植2行， 每行6株。全生育期田間采用常規(guī)管理， 僅治蟲， 不防病。

用于接種的白葉枯病菌為 2個遺傳穩(wěn)定的菌系GD-V （強(qiáng)致病病菌）和C2 （弱致病菌）。首先將保存于-80℃的甘油中的菌種在 PSA培養(yǎng)基上復(fù)壯， 挑取單菌落經(jīng)毒力測試后保存于 4℃。然后將篩選過的有毒菌株再培養(yǎng)于PSA培養(yǎng)基上于28℃培養(yǎng)48 h，進(jìn)而配制成1×108～1×109cfu mL-1細(xì)菌懸浮液， 并于分蘗末期采用Kauffman剪葉法接種［14］。規(guī)定每個株系第1行的6株統(tǒng)一接種強(qiáng)致病菌GD-V， 第2行的6株接種弱致病菌C2； 從每株選取3～4張完全展開的葉接種。接種后保持田間有適度水， 以促進(jìn)病斑擴(kuò)展。待充分發(fā)病且病情穩(wěn)定時（20 d）調(diào)查病斑長度。調(diào)查每重復(fù)6株， 測量每株 3張感病最長的葉片， 以這 3個表型值的平均值代表所調(diào)查單株的病斑長度， 每個株系的表型值為單個重復(fù)中所有單株病斑長度的均值。病斑長度＜1 cm為高抗、1～5 cm為抗病、5～10 cm為中抗、10～15 cm為中感、>15 cm為感病。

表1 用于構(gòu)建MAGIC群體的品系來源及其主要特征Table1 Origin and agronomic characteristics of eight founder lines used in developing the MAGIC population

1.3 SNP基因型

DC1、DC2和 DC3群體的 DNA提取和基于Illumina Infinium技術(shù)的Rice 6K SNP芯片基因型分析在國際水稻研究所（International Rice Research Institute， IRRI）的基因型分析實(shí)驗(yàn)室完成。Rice 6K SNP芯片由美國康奈爾大學(xué)Susan McCouch博士實(shí)驗(yàn)室完成。按以下3個步驟過濾SNP基因型數(shù)據(jù)， 一是所有雜合基因型作為缺失數(shù)據(jù)， 刪除缺失 10%以上標(biāo)記數(shù)據(jù)的株系； 二是剔除所有稀有等位基因頻率低于 3%的標(biāo)記； 三是刪除標(biāo)記間相關(guān)性很高（在0.95以上）的關(guān)聯(lián)標(biāo)記。最終在 DC1、DC2和DC3群體中分別得到907、892和1329個高質(zhì)量SNP位點(diǎn)用于群體結(jié)構(gòu)分析和QTL定位研究。

1.4 群體結(jié)構(gòu)分析

使用TASSEL V5.2.3軟件［15］評估群體結(jié)構(gòu)和檢測位點(diǎn)間的連鎖不平衡（linkage disequilibrium， LD）水平。群體結(jié)構(gòu)由主成分分析（principal components analysis， PCA）中的PC1和PC2來揭示。使用r2來衡量LD程度， 計(jì)算出所有可能位點(diǎn)組合的r2， 選用極顯著（P ＜ 0.001）的位點(diǎn)對， 繪制LD衰減散點(diǎn)圖， 并繪制擬合曲線。以 LD衰減至起始值一半時所對應(yīng)的物理距離作為LD衰減距離［13］。

1.5 數(shù)據(jù)分析和QTL定位

使用 SAS V9.2 （SAS Institute Inc.， Cary NC， USA） PROCGLM分析不同基因型、不同菌系及菌系與基因型互作在不同群體中的方差組成， PROCCORR對不同菌系病斑長進(jìn)行相關(guān)分析。利用 TASSEL V5.2.3軟件中的MLM （Mixed Linear Model）程序?qū)NP標(biāo)記與表型值進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析， 以 P ＜0.001為閾值確定與白葉枯抗性顯著關(guān)聯(lián)的標(biāo)記位點(diǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 親本及MAGIC群體的抗病性表現(xiàn)

從 8個親本對 2個菌系的抗性差異比較（表2）可以看出， 無論是接種強(qiáng)致病菌還是弱致病菌， 8個親本間的抗性差異都達(dá)到極顯著水平。接種弱致病力菌系C2， 除親本B和E外， 其余親本都表現(xiàn)抗病。接種強(qiáng)致病力菌系GD-V， 8個親本對白葉枯病的敏病程度均顯著增加， 但親本D和G仍然表現(xiàn)中抗水平?？傮w而言， 來自中國的3個品種（A、B、E）對這2個致病菌系的抗性相對較差， 而來自東南亞和哥倫比亞的品種對2種菌株的抗性都相對較好。

對于3個MAGIC群體， 表型分析結(jié)果表明接種2個菌系各群體的病斑長度都表現(xiàn)出超親分離， 呈連續(xù)變異（表3和圖1）。因用于構(gòu)建DC2群體及DC3群體的親本E中感C2菌系， 接種C2菌系后DC2和DC3群體的平均病斑長度顯著大于DC1群體； 接種菌系 GD-V， 不同群體的整體表現(xiàn)較為一致。從 3個群體病斑長度的頻率分布中可以看出接種C2菌系引起的病斑長度分布存在較高的峰， 表明各群體對 C2菌系的抗性受主基因控制， 但感病株系呈較大變異， 說明存在微效多基因的分離； 接種 GD-V型菌系， 3個群體病斑長度呈連續(xù)變異， 出現(xiàn)抗、感雙向均存在大幅度超親分離， 表現(xiàn)為典型的數(shù)量性狀遺傳。

表2 親本對不同菌系的抗性差異比較Table2 Comparison of resistance to the Xoo strains among eight parents

表3 MAGIC群體接種白葉枯病菌后的病斑長度Table3 Lesion length （cm） of the MAGIC populations after inoculating two Xoo races

方差分析結(jié)果表明（表4）， 重復(fù)間差異不顯著，不同菌系、不同基因型及菌系與基因型的互作均達(dá)到極顯著水平， 它們在DC1群體中分別解釋表型變異的66.04%、17.56%和11.95%， DC2群體中分別為45.78%、38.02%和 10.98%， DC3群體中分別為43.11%、39.24%和14.47%。相關(guān)分析表明， 接種強(qiáng)弱 2個致病菌后， 相同群體的病斑長度存在極顯著正相關(guān)， DC1群體接種C2和GD-V的相關(guān)系數(shù)為0.69， DC2群體為0.77， DC3群體為0.79， 表明多數(shù)株系對這2個菌系的抗性表現(xiàn)比較一致。

2.2 群體結(jié)構(gòu)和連鎖不平衡分析

主成分分析結(jié)果表明， DC1群體的PC1和PC2分別是6.4%和5.0%， DC2群體的PC1和PC2分別是13.1%和3.0%， DC3群體的PC1和PC2分別是8.6% 和3.2%。所有群體沒有表現(xiàn)出明顯的群體結(jié)構(gòu)。

圖1 MAGIC群體接種C2 （A）和GD-V （B）菌株的病斑長度頻率分布Fig.1 Frequency distributions of lesion length caused by Xoo strain， C2 （A） and GD-V （B） in the MAGIC populations親本A～H的代號見表1 。Codes of A-H represent varieties given in Table1.

表4 MAGIC群體接種不同菌系病斑長度的方差組成Table4 Variance component estimates for multiple factors of lesion length caused by Xoo in the MAGIC populations

連鎖不平衡（LD）分析顯示3個群體的r2臨界值分別為0.14、0.20和0.08， 均表現(xiàn)出隨物理距離（Mb）增加而下降的趨勢， 且 DC3群體 LD衰減幅度比DC1和DC2群體快（圖2）。以LD降低至原始值的50% （r2> 0.2）作為LD的閾值， 3個群體LD衰減至一半的物理距離分別為 2.50、2.50和 1.25 Mb。從 r2臨界值和LD衰減幅度上來看， 8個親本群體DC3的連鎖不平衡程度最小， 衰減距離最短， 衰減速度最快， 而2個四親本群體DC1和DC2的連鎖不平衡表現(xiàn)趨于一致（圖2）。

2.3 白葉枯病抗性QTL定位

圖2 3個MAGIC群體的LD衰減Fig.2 LD （r2） decay of marker-pairs over all chromosomes as a function of physical distance （Mb） for three MAGIC populations

3 個群體中共檢測出7個抗白葉枯病QTL， 分布在第2、第6、第7、第9和第11染色體上（圖3和表5）。接種C2菌系， DC1群體共檢測出3個QTL， 即QBbr2-1、QBbr11-1和 QBbr11-2， 分別解釋表型變異的6.63%、9.45%和12.40%； DC2群體檢測出2個QTL，即QBbr11-1和QBbr11-2， 分別解釋表型變異的9.40% 和26.04%； DC3群體共檢測出3個QTL， 即QBbr6、QBbr11-1和QBbr11-2， 分別解釋表型變異的2.47%、9.75%和26.90%。接種GD-V菌系， DC1群體檢測出2 個QTL， 即QBbr2-2和QBbr9， 分別解釋表型變異的5.96%和6.32%； DC2群體檢測出2個QTL， 即QBbr11-1 和QBbr11-2， 分別解釋表型變異的4.82%和6.22%； DC3群體檢測出3個QTL， 即QBbr7、QBbr11-1和QBbr11-2，分別解釋表型變異的2.37%、2.61%和2.83%。

所有被檢測的 QTL中， 只有 QBbr11-1和QBbr11-2在不同群體中被檢測到對不同菌系都表現(xiàn)抗性， 但抗性效應(yīng)存在顯著差異。顯然QBbr11-2對弱毒性 C2菌系表現(xiàn)出主基因抗性， 但對強(qiáng)毒性GD-V表現(xiàn)出數(shù)量抗性， 表明抗性QTL存在小種專化性， 這種?；跃唧w表現(xiàn)在同一抗病QTL對不同菌系的抗性反應(yīng)不同及對不同菌系抗性效應(yīng)存在差異。QBbr11-2在不同群體中對不同菌系均能被檢測到且效應(yīng)都最大， 該位點(diǎn)的有利等位基因來自親本A、C、D、G和H。

圖3 全基因組關(guān)聯(lián)分析定位影響MAGIC群體對2個白葉枯病菌的抗性QTLFig.3 Genome-wide association analysis of QTLs underlying resistance to two bacterial blight strains in MAGIC populations

2.4 抗病QTL定位的遺傳背景效應(yīng)

2 個四親本群體DC1和DC2， 盡管它們的親本數(shù)目相同、群體大小和標(biāo)記密度相近， 但親本的遺傳差異較大導(dǎo)致群體間的遺傳差異也較大。DC1群體共檢測出5個QTL， DC2群體共檢測出2個QTL，其中QBbr11-1和QBbr11-2在2個群體中都被檢測到。接種C2菌系， QBbr11-2在DC2群體中解釋表型變異的 26.04%， 為 DC1群體（12.40%）的 2倍多；接種GD-V菌系， QBbr11-1和QBbr11-2只在DC2群體中被檢測到， 表型貢獻(xiàn)率相似， 而在 DC1群體中均未被檢測到。相似地， 八親本群體相對四親本群體親本數(shù)目加倍， 群體大小也接近 2倍。比較四親本群體和八親本群體接種 C2菌系的定位結(jié)果發(fā)現(xiàn)，QBbr11-1和QBbr11-2在DC1、DC2和DC3群體中均被檢測到， QBbr11-1在3個群體中的表型貢獻(xiàn)率相似， 但QBbr11-2在DC1群體中的表型貢獻(xiàn)率幾乎是DC2和DC3群體中的一半。接種GD-V菌系時只在DC2和DC3群體中檢測到QBbr11-2， 對表型貢獻(xiàn)率均較小， 而在DC1群體中未檢測到該QTL。表明抗病QTL的表達(dá)具有明顯的遺傳背景效應(yīng)， 具體體現(xiàn)在同一抗病QTL在不同群體中被檢測的效果不同， 而且表型效應(yīng)也存在明顯差異。

2.5 抗病材料的篩選

根據(jù) 3個群體對強(qiáng)致病菌GD-V的抗性， 從 3個群體中共篩選出 8份抗病材料， 其中從 DC1和DC2群體各篩選出1份， DC3群體篩選出6份（表6）。這些材料接種弱致病力菌系C2的病斑長度除L1602 和L1959外均小于1 cm， 達(dá)到高抗水平； 接種強(qiáng)致病力菌系GD-V的病斑長度均小于4 cm， 達(dá)到抗病水平。通過對比這些株系攜帶的抗病位點(diǎn)可以看出，同一遺傳背景下如DC3群體， 不同株系的抗性水平與攜帶的抗病QTL數(shù)目之間具有較高的一致性， 而且?guī)в械?1染色體QBbr11-2主基因的株系抗性較強(qiáng)， QBbr11-1與QBbr11-2互作表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗性效應(yīng)。表明對弱毒菌系通過主效抗病QTL與微效QTL的累加， 或?qū)?qiáng)毒菌系通過不同微效 QTL的累加，都可以顯著提高寄主對白葉枯病菌的抗性水平。

表6 MAGIC群體中篩選出抗病株系的抗性及抗病QTL的分布Table6 Lines exhibiting resistance to bacterial blight screened from MAGIC populations and distributions of resistant QTLs

3 討論

3.1 利用MAGIC群體定位QTL的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的雙親本群體如RIL相比， MAGIC群體中更多的親本數(shù)量增加了等位基因多樣性， 大量累積的重組事件會提高被檢測QTL準(zhǔn)確性， 并提高作圖分辨率［1 6-1 7］。與種質(zhì)資源等自然群體相比，MAGIC群體降低了假陽性的出現(xiàn)并提高稀有等位基因檢測的效率。利用MAGIC群體定位QTL還具有三項(xiàng)優(yōu)勢： （1）相比傳統(tǒng)雙親本定位群體， MAGIC群體中包含來源于不同親本的多個等位基因， 可以同時探討多個等位基因?qū)δ硞€性狀的影響。（2）以前通過雙親群體定位的很多QTL在離開了特定的遺傳背景后， 對相應(yīng)的農(nóng)藝性狀無效。MAGIC群體由不同親本來源的多個群體構(gòu)成， 比較不同遺傳背景群體的定位結(jié)果， 就能發(fā)現(xiàn)受親本背景影響較小的QTL， 使QTL的效應(yīng)能夠更加確定和具有通用性。如本研究中定位出的QBbr11-1和QBbr11-2在不同群體中均被檢測到， 說明這2個QTL受遺傳背景影響小， 可靠性較高， 可以用于進(jìn)一步研究。（3）構(gòu)建MAGIC群體可選用育種項(xiàng)目中性狀優(yōu)異的材料作為親本， 多次重組創(chuàng)造大量的遺傳變異， 群體中出現(xiàn)的優(yōu)良株系可用做育種中間材料或直接選育品種，定位到的QTL可以直接指導(dǎo)育種， 真正做到育種群體和定位群體的有機(jī)整合［18-20］。本研究篩選了 8份抗病株系， 聚合多個抗病 QTL， 不但可以用于進(jìn)一步的遺傳研究， 還具有較高抗病育種價值。我們已經(jīng)將部分抗病材料與感病材料配組， 構(gòu)建主效抗病QTL的精細(xì)定位群體， 以期挖掘新的抗病基因或驗(yàn)證本研究定位到的主效抗病QTL與已往報道的抗病基因或QTL的關(guān)系。

不可否認(rèn)， 由于本研究所用芯片通量不高， 造成在每個群體中呈現(xiàn)多態(tài)的標(biāo)記數(shù)量有限， 因而無法有效實(shí)現(xiàn)抗病位點(diǎn)的有利等位基因的剖析， 使得多親本群體在基因定位上的優(yōu)越性受到一定程度的制約。有鑒于此， 我們正有利用3K重測序種質(zhì)資源開發(fā)的56K芯片， 重新鑒定這3套多親本群體SNP基因型， 以實(shí)現(xiàn)基因或QTL的精細(xì)定位。

3.2 QTL定位結(jié)果的比較

根據(jù)與定位到的QTL顯著關(guān)聯(lián)SNP標(biāo)記的物理位置， 我們將本研究定位到的抗水稻白葉枯病QTL與前人的定位結(jié)果比較， 發(fā)現(xiàn)第 11染色體QBbr11-1所在區(qū)域26 301 538～27 591 935存在已被定位的水稻白葉枯抗性基因 Xa4［21］、Xa22［22］、Xa32［23］、Xa35［24］和Xa36［25］， 在QBbr11-2所在區(qū)域27 994 133～28 739 518存在Xa3/Xa26［26］和Xa40［6］基因。本研究結(jié)果表明QBbr11-1對弱毒力菌系C2和強(qiáng)毒力菌系 GD-V均表現(xiàn)為一個微效基因， 而QBbr11-2對C2表現(xiàn)為質(zhì)量抗性基因， 但對GD-V仍有顯著的殘效， 表現(xiàn)為一個加性效應(yīng)的微效 QTL。上述定位到的2個抗病QTL與所在區(qū)域已報道的白葉枯病抗性基因的關(guān)系， 還需加密標(biāo)記精細(xì)定位后方能知曉。此外， 在第2、第6、第7和第9染色體上定位到的 5個抗病 QTL （QBbr2-1、QBbr2-2、QBbr6、QBbr7和 QBbr9）所在區(qū)域， 未發(fā)現(xiàn)有抗白葉枯病基因或QTL的報道， 可能屬于新發(fā)現(xiàn)的抗白葉枯病位點(diǎn)。

3.3 抗病QTL定位的遺傳背景效應(yīng)

QTL表達(dá)的遺傳背景效應(yīng)在水稻抗旱［27-28］、耐鹽［29-30］等性狀上已有報道。在植物抗病基因表達(dá)上也存在遺傳背景效應(yīng)， Banerjee等［31］發(fā)現(xiàn)擬南芥抗細(xì)菌性斑點(diǎn)病菌（P.syringae）基因RPS2在Po-1遺傳背景下不起作用， 但該基因在哥倫比亞（Col-0）品種背景下對細(xì)菌性斑點(diǎn)病菌的 avrRpt2致病因子具有完全抗性。在水稻抗白葉枯病基因表達(dá)的遺傳背景方面， Xa21［32］和Xa26［33］的表達(dá)受遺傳背景影響， 認(rèn)為這兩個抗性基因在粳稻背景下比在秈稻背景下抗性表達(dá)更完全。本研究中， 同樣2個四親本群體DC1 和DC2， 群體大小相似， 對C2和GD-V菌系DC1群體共檢測出5個QTL， 而DC2群體只檢測出2個QTL， 其中 QBbr2-1、QBbr2-2和 QBbr9只在 DC1中被檢測到， 未能在 DC2群體中檢測到。接種 C2菌系， 盡管QBbr11-1和QBbr11-2在2個群體中都被檢測到， QBbr11-2在 DC2群體中的表型變異（26.04%）比在DC1群體（12.40%）中高出2倍多。同樣， 接種 GD-V菌系， QBbr11-1和 QBbr11-2只在DC2群體中檢測到， 在DC1群體中未檢測到， 表明抗白葉枯病QTL存在明顯的遺傳背景效應(yīng)。抗性基因表達(dá)存在遺傳背景效應(yīng)， 意味著抗性基因從一個背景轉(zhuǎn)育到另一個完全不同的背景下， 其抗性水平可能會發(fā)生變化， 這種遺傳背景效應(yīng)在抗病育種中應(yīng)引起足夠的重視。

3.4 抗病QTL的育種應(yīng)用

近幾十年來， 利用來自雙親構(gòu)建的重組自交系、DH系、雙向?qū)胂档热后w定位了大量水稻抗白葉枯病QTL［34-37］， 但多數(shù)QTL效應(yīng)不大， 有些與環(huán)境間有很強(qiáng)的互作， QTL表達(dá)的遺傳背景效應(yīng)明顯，育種應(yīng)用價值較小。一直以來， 對水稻白葉枯病的遺傳研究和抗性育種主要集中在主基因抗性［37］。迄今雖然定位到了30多個質(zhì)量抗性基因， 但抗病育種大多集中利用Xa4、Xa21、Xa23等少數(shù)廣譜抗性基因［7，38］。這種抗性基因的集中利用會導(dǎo)致白葉枯病菌的消長， 產(chǎn)生新的致病菌系， 造成對帶有 Xa4基因的品種在中國和帶有Xa21基因的品種在菲律賓、韓國、印度和中國喪失抗性［39-41］。因此， 發(fā)掘新的抗性基因或?qū)⒉煌剐曰蚶奂邮翘岣咂贩N的抗性水平或延長抗病品種使用年限的重要舉措。本研究表明， 水稻對白葉枯病存在主基因抗性和多個微效基因抗性， 它們共同影響抗性水平， 這與3個多親本群體中觀察到抗性的極端超親分離相符合。鑒于水平抗性數(shù)量化及抗病 QTL小種?；匀醯奶攸c(diǎn)， 利用標(biāo)記輔助選擇方法借助緊密連鎖的分子標(biāo)記進(jìn)行質(zhì)量抗性基因和水平抗性QTL的組合， 可能是提高品種抗性水平的有效措施［42］。本研究定位了來自不同親本的 7個抗性 QTL， 大多表現(xiàn)為數(shù)量抗性， 具有明顯的抗性聚合效應(yīng)。將篩選出的 8個不同抗病QTL的聚合株系作抗性供體， 通過分子標(biāo)記輔助選擇將這些抗性基因?qū)氲絻?yōu)良品種背景， 可以培育出符合育種目標(biāo)的抗病品種。

4 結(jié)論

在遺傳上相互關(guān)聯(lián)的2個四親本群體和1個八親本群體中觀察到對白葉枯病弱毒菌系 C2和強(qiáng)毒菌系GD-V的抗性超親分離。共檢測到影響水稻白葉枯病抗性的7個QTL， 大多QTL均表現(xiàn)數(shù)量抗性，抗性表達(dá)存在明顯的遺傳背景效應(yīng)。QBbr11-2對C2表現(xiàn)質(zhì)量抗性， 對GD-V表現(xiàn)一定的抗性殘余效應(yīng)。QBbr11-1和QBbr11-2受遺傳背景影響較小， 具有一定的育種應(yīng)用價值。從3個群體篩選出8份不同抗病QTL聚合的抗病材料， 可用作抗病育種的中間抗源。本研究證實(shí)了水稻多親本群體既是遺傳研究群體也是理想的育種群體， 可以實(shí)現(xiàn)基因定位與育種應(yīng)用的有機(jī)結(jié)合。

致謝: 感謝中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所水稻分子遺傳與分子育種實(shí)驗(yàn)室周永力老師和王明明同學(xué)幫助培養(yǎng)菌株， 張強(qiáng)、張建、王小倩等同學(xué)幫助田間接種和病斑調(diào)查。

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Mapping of QTLs for Bacterial Blight Resistance and Screening of Resistant Materials Using MAGIC Populations of Rice

CHEN Tian-Xiao1，2， ZHU Ya-Jun3， MI Xue-Fei3， CHEN Kai3， MENG Li-Jun3， ZUO Shi-Min1，*， and XU Jian-Long2，3，4，*

1Key Laboratory of Plant Functional Genomics of Jiangsu Province / Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology of Jiangsu Province， Yangzhou University， Yangzhou 225009， China；2Institute of Crop Science， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Beijing 100081， China；3Agricultural Genomics Institute at Shenzhen， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Shenzhen 518210， China；4Shenzhen Institute of Breeding & Innovation， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Shenzhen 518120， China

Three genetically interconnected multi-parents advanced generation inter-cross （MAGIC） population， including two populations （DC1 and DC2） derived from four parents and one population from eight parents （DC3） were used to detect QTLs for resistance to two strains， a weak virulent C2 and a strong virulent GD-V of Xanthomonas oryzae pv.oryzae （Xoo） and to screen resistant breeding materials.Most parents were resistant to C2 and susceptible to GD-V.Transgressive segregations of lesion length for the two strains were observed in the three MAGIC populations and showed continuous distributions.A total of seven QTLs affecting lesion length of two strains were detected.Most QTLs showed quantitative resistance and obvious genetic background effect.Among the seven QTLs， QBbr11-1 and QBbr11-2 had less genetic background effect， which is valuable in ricebreeding for disease resistance.Eight resistant lines pyramiding different QTLs were screened from the three MAGIC populations，indicating the combination of qualitative resistance gene and quantitative resistance gene can significantly improve resistance level.The eight resistant breeding lines could be used as resistant donors in rice breeding for resistance.The results indicated that the MAGIC populations are ideal material for genetic study and marker-assisted breeding， showing a tight integration of genetic research and breeding application in rice.

Multi-parent Advanced Generation Inter-Crosses （MAGIC）； Rice bacterial blight； Quantitative trait loci （QTL）； Genome-wide association study （GWAS）； Rice

10.3724/SP.J.1006.2016.01437

本研究由國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目（2014AA10A601）， 深圳孔雀團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目（20130415095710361）， 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程團(tuán)隊(duì)和江蘇重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（現(xiàn)代農(nóng)業(yè)）（BE2015363）項(xiàng)目資助。

This study was supported by National High-Tech Research & Development Plan （863 Program） （2014AA10A601）， Shenzhen Peacock Plan （20130415095710361）， Scientific and Technological Innovation Project of Chinese Academy of Agricultural Sciences， and the Key Research Plan of Modern Agriculture of Jiangsu Province （BE2015363）.

（Corresponding authors）： 徐建龍， E-mail： xujlcaas@126.com， Tel： 010-82105854； 左示敏， E-mail： smzuo@yzu.edu.cn， Tel：0514-87972136

聯(lián)系方式： E-mail： chentx2006@163.com， Tel： 010-82105855

Received（）： 2016-03-07； Accepted（接受日期）： 2016-06-20； Published online（網(wǎng)絡(luò)出版日期）： 2016-07-04.

URL： http：//www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20160704.0826.012.html