彭 強(qiáng)，張大雙，吳健強(qiáng)，張玉珊，王際鳳，黃培英，朱速松*

(1.貴州省水稻研究所，貴州 貴陽 550006；2.貴州省生物技術(shù)研究所，貴州 貴陽 550006)

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水稻粒形性狀QTL定位分析

彭 強(qiáng)1，張大雙1，吳健強(qiáng)1，張玉珊2，王際鳳1，黃培英1，朱速松1*

(1.貴州省水稻研究所，貴州 貴陽 550006；2.貴州省生物技術(shù)研究所，貴州 貴陽 550006)

為稻米品質(zhì)分子育種改良提供新的輔助選擇標(biāo)記和理論依據(jù)，以秈爪交(秈稻×爪哇稻)組合V20B/CPSLO17衍生的150份重組自交家系(RIL)為作圖群體，結(jié)合RIL群體的粒形性狀表型數(shù)據(jù)，運用QTL IciMapping 4.0軟件進(jìn)行粒形性狀QTL檢測及其遺傳效應(yīng)分析。結(jié)果表明，在7條染色體(1，2，3，4，5，7，10)上共檢測出5個粒長性狀QTLs(qGL-1，qGL-2，qGL-3，qGL-7，qGL-10)、3個粒寬性狀QTLs (qGW-2，qGW-4，qGW-5)和4個長寬比性狀QTLs(qLWR-1，qLWR-3，qLWR-5，qLWR-7)。第3染色體的Marker910209-Marker823024標(biāo)記區(qū)間對粒長和長寬比具有較大遺傳效應(yīng)，表型變異貢獻(xiàn)率分別為21.37 %和28.35 %；第5染色體的Marker1642127-Marker1514505標(biāo)記區(qū)間對粒寬和長寬比具有較大遺傳效應(yīng)，表型變異貢獻(xiàn)率分別為29.71 %和17.42 %。

秈稻; 外觀品質(zhì); 分子標(biāo)記; 連鎖圖譜; 數(shù)量性狀座位

隨著生活水平的提高，稻米品質(zhì)越來越受到人們的重視，稻米品質(zhì)改良已成為水稻育種領(lǐng)域的重點和熱點。稻米品質(zhì)通常包括外觀品質(zhì)、碾磨品質(zhì)、蒸煮與食味品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)4個方面。其中，外觀品質(zhì)直接體現(xiàn)著稻米商品屬性的優(yōu)劣，而粒形(包括粒長、粒寬、粒厚和長寬比)是衡量稻米外觀品質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)[1]。因此，開展稻米粒形性狀QTL研究對稻米品質(zhì)分子改良具有重要的理論和應(yīng)用價值。

近年來學(xué)者們運用新興的分子生物技術(shù)已獲得200多個粒形(粒長、粒寬和長寬比)性狀QTLs，每條染色體都分布著多個粒形QTLs[2]，但目前已克隆的粒形性狀主效控制基因不多[3-10]。GL7[3-4]基因位于第7染色體上，是一個控制粒長和粒寬的主效QTL，也影響長寬比；GW2[6]和GW5[7]基因是粒寬主效控制基因；PGL1[8]和PGL2[9]基因位于同一位點，都是粒長正調(diào)節(jié)子，且兩者存在功能冗余。上述QTL定位研究多以秈秈交(秈稻×秈稻)、秈粳交(秈稻×粳稻)組合衍生的遺傳群體為研究材料，鮮有利用秈爪交(秈稻×爪哇稻)組合構(gòu)建重組自交系進(jìn)行稻谷粒形性狀QTL定位的報道。為此，筆者以廣親和性的爪哇稻品種CPSLO17和配合力強(qiáng)的秈稻品種V20B作為親本材料，構(gòu)建遺傳作圖群體，進(jìn)行稻谷粒形性狀(粒長、粒寬和長寬比)QTL定位分析，旨在為稻米品質(zhì)分子育種改良提供新的輔助選擇標(biāo)記和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

研究所用的RIL群體是由V20B/CPSLO17雜交F1代通過單粒傳法得到的F10代。2014年夏季在貴州省水稻研究所(貴陽)試驗田種植150份RIL群體，每份材料種植2行，每行10株，水稻成熟期隨機(jī)選取10株混合收種。

1.2 稻谷粒形性狀考查

稻谷晾干貯藏 3 個月后(含水量13 %左右)，進(jìn)行稻谷粒形性狀統(tǒng)計分析。

稻谷粒長(Grain length，GL)測定：隨機(jī)挑取10粒飽滿的種子首尾相接，排成一行，不重疊，不留隙，用電子游標(biāo)卡尺測量10粒種子總長度，重復(fù)3次，取平均值。

粒長(mm)=10粒種子總長度平均值/10

稻谷粒寬(Grain width，GW)、粒厚(Grain thickness，GT)測定：隨機(jī)挑選10粒飽滿種子，以寬度最寬處或厚度最厚處擺成一排，不重疊，不留隙，分別測量10粒種子總寬度和總厚度，重復(fù)3次，取平均值。

粒寬(mm)=10粒種子總寬度平均值/10

粒厚(mm)=10粒種子總厚度平均值/10

根據(jù)粒長和粒寬計算稻谷的長寬比(length-width ratio，LWR)。

1.3 QTL分析

研究所用的遺傳連鎖圖譜及其相關(guān)分子數(shù)據(jù)(未發(fā)表)是由北京百邁客生物科技有限公司利用SLAF-seq(Specific-Locus Amplified Fragment Sequencing)技術(shù)[11]和HighMap 軟件[12]開發(fā)獲得。該圖譜覆蓋水稻全基因組2508.65 cM，共有8602個多態(tài)性SLAF標(biāo)簽較均勻地分布在12條染色體上，標(biāo)記間平均距離為0.292 cM。結(jié)合RIL群體粒形表型數(shù)據(jù)，利用軟件IciMapping 4.0的ICIM-ADD方法進(jìn)行QTL分析，掃描步長設(shè)定為0.1 cM，LOD值設(shè)定為3.0，并計算每個 QTL的貢獻(xiàn)率和加性效應(yīng)，QTL的命名原則遵循McCouch等[13]提出的方法。加性效應(yīng)為正值表示增效等位基因來源于親本V20B，負(fù)值表示來源于親本CPSLO17。

2 結(jié)果與分析

2.1 群體中谷粒的粒形性狀

2.1.1 粒形表型值 從150份RIL群體的粒形性狀(粒長、粒寬、粒厚和長寬比)表型數(shù)據(jù)分析結(jié)果(表1)可知，RIL群體稻谷粒長的均值為(9.1455±0.864)mm，變異幅度為7.22～11.56 mm；稻谷粒寬均值為(2.9063±0.2444)mm，變異幅度為2.2667～3.4833 mm；稻谷粒厚均值為(2.0005±0.2873)mm，變異范圍為1.4133～4.02 mm；群體稻谷長寬比的均值為3.172±0.4279，變異范圍為2.2833～4.7967 mm。

2.1.2 粒形指標(biāo)分布 4個稻米品質(zhì)性狀在RIL群體中的分布頻率如圖1所示，RIL群體的粒長、粒寬、粒厚和長寬比在各自的變異范圍內(nèi)均呈連續(xù)分布，都表現(xiàn)出受多基因控制的數(shù)量性狀遺傳特征。

表1 RIL 群體中谷粒性狀的表現(xiàn)

表2 RIL 群體粒形性狀的相關(guān)系數(shù)

注：GL: 粒長，GW: 粒寬，GT: 粒厚，LWR: 長寬比.； **表示極顯著水平(P<0.01), *表示顯著水平(P<0.05)。

圖1 粒形性狀在RIL群體中的分布Fig.1 The distribution of grain shape trait in RIL population

2.2 群體粒形性狀間的相關(guān)性

4個粒形性狀間的相關(guān)性分析結(jié)果(表2)表明，粒長與長寬比，粒長與粒厚、粒厚與長寬比呈正相關(guān)，粒長與粒寬、粒寬與長寬比、粒寬與粒厚呈負(fù)相關(guān)。t檢驗結(jié)果表明，4個性狀間6組相關(guān)性分析的P值都小于0.01，達(dá)極顯著水平。

2.3 粒形性狀的QTL定位

利用軟件IciMapping 4.0的ICIM-ADD方法進(jìn)行品質(zhì)性狀QTL分析，共檢測到12個外觀品質(zhì)性狀相關(guān)QTLs，LOD 值在3.28～16.60，貢獻(xiàn)率( percentage of variance explained，PVE)變幅為4.39 %～29.71 %(表3)。5個與粒長性狀相關(guān)的QTLs(分別命名為qGL-1、qGL-2、qGL-3、qGL-7和qGL-10)，分別位于第1、2、3、7和10染色體上，其表型貢獻(xiàn)率變幅為4.39 %～21.37 %，其中qGL-3(LOD=14.59)的貢獻(xiàn)率最高(21.37 %)。3個與粒寬性狀相關(guān)的QTLs(分別命名為qGW-2、qGW-4和qGW-5)，分別位于第2、4和5染色體上，其表型貢獻(xiàn)率變幅為6.51 %～29.71 %，其中，qGW-5(LOD=12.61)對表型貢獻(xiàn)率最高(29.71 %)。4個與長寬比相關(guān)的QTLs(分別命名為qLWR-1、qLWR-3、qLWR-5和qLWR-7)，分別位于第1、3、5和7染色體上，其表型貢獻(xiàn)率變幅為6.73 %～28.35 %，其中，qLWR-3(LOD=16.60)對表型貢獻(xiàn)率最高(28.35 %)。

表3 稻米粒形QTL定位及其遺傳效應(yīng)

圖2 粒形性狀QTL在遺傳圖譜上的位置分布Fig.2 The QTL position of grain shape trait in genetic mapping

研究檢測到的12個QTLs分布在7條染色體上(圖2)，第4和10染色體各有1個QTLs，而第1、2、3、5和7染色體上各有2個不同性狀的QTLs，其中qLWR-3和qGL-3 QTLs在遺傳圖譜上的位置很近，均位于Marker910209～Marker823024標(biāo)記之間；qGW-5和qLWR-5 QTLs在遺傳圖譜上的位置很近，均位于Marker1642127～Marker1514505標(biāo)記之間。

3 結(jié)論與討論

大量研究表明，數(shù)量性狀具有復(fù)雜的遺傳背景和廣泛的遺傳多樣性，不同遺傳背景的作圖群體、不同種植環(huán)境得到的QTL分析結(jié)果不同[14-16]。本研究利用秈爪交(秈稻×爪哇稻)組合衍生的RIL群體進(jìn)行粒形QTL定位研究，共檢測到10個影響粒形性狀的染色體區(qū)域，其中，第3染色體短臂Marker910209～Marker823024標(biāo)記區(qū)間和第5染色體短臂Marker1642127～Marker1514505標(biāo)記區(qū)間是粒形主效QTL的重點區(qū)域，這與前人研究結(jié)果相一致[17-19]。第3染色體Marker910209～Marker823024區(qū)間內(nèi)檢測出控制粒長和長寬比的主效QTL(qGL-3和qLWR-3)，貢獻(xiàn)率分別為21.37 %和28.35 %，其增效等位基因均來自于親本V20B；第5染色體Marker910209～Marker823024區(qū)間檢測出控制粒寬和長寬比的主效QTL(qGW-5和qLWR-5)，貢獻(xiàn)率分別為29.71 %和17.42 %，其增效等位基因分別來自于親本V20B和CPSLO17。

研究結(jié)果表明，粒形性狀間廣泛存在著一因多效，且性狀間(如粒長與長寬比，粒寬與長寬比之間)存在遺傳相關(guān)性，這與目前大多數(shù)研究結(jié)論一致[2]。此外，根據(jù)NCBI(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/)和RiceVarMap(http://ricevarmap.ncpgr.cn/)網(wǎng)站相關(guān)信息，選擇MSU/TIGR Rice Psedomolecule Release 7.0進(jìn)行blast比對分析發(fā)現(xiàn)，Marker1642127～Marker1514505區(qū)間覆蓋了粒寬基因GW5[7]；而Marker910209～Marker823024區(qū)間與粒形基因GS3[10]無關(guān)，兩者所對應(yīng)的物理位置(MSU/TIGR 7.0)相距約37 kb，表明該區(qū)間的粒形QTL極可能是一個新的粒形主效控制基因，且具有一因多效功能，這需要后續(xù)工作進(jìn)一步探索驗證。本研究結(jié)果不僅為克隆粒形控制基因和開發(fā)相關(guān)分子標(biāo)記提供參考，也展現(xiàn)了不同稻種資源在水稻性狀基因及其育種改良研究中的潛在價值。

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(責(zé)任編輯 姜 萍)

QTL Analysis of Grain Shape Trait of Rice

PENG Qiang1, ZHANG Da-shuang1, WU Jian-qiang1, ZHANG Yu-shan2, WANG Ji-feng1, HUANG Pei-ying1, ZHU Su-song1*

(1.Guizhou Rice Research Institute, Guiyang Guizhou 550006, China; 2.Guizhou Institute of Bio-technology, Guiyang Guizhou 550006, China)

A mapping population of 150 lines (recombination inbred lines, RIL), derived from a cross between rice varieties V20B and CPSLO17, and their grain shape phenotype data were used to analyze QTLs location and evaluate their genetic effects by using ICIM-ADD method of IciMapping 4.0 software. The results showed that a total of 12 QTLs for grain shape trait were detested, of whcih 5 for grain length (namedqGL-1,qGL-2,qGL-3,qGL-7 andqGL-10, respectively), 3 for grain width (namedqGW-2,qGW-4 andqGW-5, respectively), 4 for length/width ratio (namedqLWR-1,qLWR-3,qLWR-5 andqLWR-7, respectively). These QTLs distributed on chromosomes 1, 2, 3, 4, 5, 7 and 10. A QTLs cluster with major effects on grain length and length/width ratio was located in the Marker910209-Marker823024 interval on chromosomes 3. The phenotypic variances were explained by this QTLs were 21.37 % and 28.35 %, respectively. QTLs control grain width and length/width ratio were clustered in the Marker1642127-Marker1514505 region of chromosomes 5, which contributed 29.71 % and 17.42 % to the phenotypic variances, respectively.

Indicarice; Appearance quality; Molecular marker; Linkage map; Quantitative trait locus

1001-4829(2016)08-1766-05

10.16213/j.cnki.scjas.2016.08.002

2015-10-10

貴州省聯(lián)合基金項目“水稻高密度遺傳圖譜構(gòu)建和堊白QTL定位分析”[黔科合LH字(2014)7689]

彭 強(qiáng)(1986-)，男，助理研究員，碩士，從事水稻分子育種研究，E-mail：450058876@163.com,*為通訊作者。

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