粳稻柱頭外露率QTL定位

李威圣忠華朱子亮魏祥進(jìn)石磊鄔亞文唐紹清王建龍,?胡培松,,?

(1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,長沙410128;2中國水稻研究所,杭州310006;＃共同第一作者;?通訊聯(lián)系人,E-mail:wjl9678＠126．com)

粳稻柱頭外露率QTL定位

李威1,＃圣忠華2,＃朱子亮1魏祥進(jìn)2石磊1鄔亞文2唐紹清2王建龍1,?胡培松1,2,?

(1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,長沙410128;2中國水稻研究所,杭州310006;＃共同第一作者;?通訊聯(lián)系人,E-mail:wjl9678＠126．com)

【目的】柱頭外露是影響雜交水稻制種的一個重要性狀。本研究旨在初步鑒定控制柱頭外露率的QTL。【方法】以高柱頭外露率粳稻兩系不育系大S×低柱頭外露率熱帶粳稻品系D50的F2群體及海南陵水、浙江杭州兩地重復(fù)種植的F2:3群體為材料,考查F2群體及陵水、杭州兩地兩次重復(fù)F2:3群體單邊柱頭外露率(PSES)、雙邊柱頭外露率(PDES)和柱頭總外露率(PES)?！窘Y(jié)果】相關(guān)分析表明,單邊柱頭外露率、雙邊柱頭外露率和柱頭總外露率之間存在極顯著的正相關(guān)。根據(jù)構(gòu)建的大S×D50 F2群體遺傳連鎖圖譜,QTL分析檢測到水稻柱頭外露率QTL 21個,分布于第1、2、3、4、6、7和12染色體上,貢獻(xiàn)率變幅為0．1%～57．6%,除個別貢獻(xiàn)率極低的位點(diǎn)外,絕大部分QTL加性效應(yīng)來自于高值親本大S。其中位于第4染色體和第12染色體的兩個位點(diǎn)qPDES4,q PES12在F2和兩次重復(fù)F2:3群體中均檢測到,貢獻(xiàn)率分別達(dá)17．86%和16.98%。位于第3染色體的qPES3位點(diǎn)在陵水、杭州兩次F2:3群體中重復(fù)檢測到,貢獻(xiàn)率高達(dá)25．6%。【結(jié)論】檢測到的QTL,有些與其他學(xué)者報(bào)道的處于同一位置,有些則是新的柱頭外露率QTL。這些水稻柱頭外露率QTL為今后柱頭外露率基因精細(xì)定位、克隆、以及利用分子標(biāo)記輔助選擇(MAS)選育高柱頭外露率粳型不育系提供理論依據(jù)。

柱頭外露率;QTL定位;分子標(biāo)記輔助選擇(MAS);粳稻

水稻是我國最主要的糧食作物之一。水稻單產(chǎn)的高低事關(guān)我國糧食安全。近半個世紀(jì)以來,三系和兩系雜交水稻體系相繼研制成功,大大提高了我國水稻單產(chǎn),保障了我國的糧食安全[1,2]。然而雜交水稻在發(fā)展初期也受諸多因素困擾,其中尤為突出的是制種產(chǎn)量低、異交結(jié)實(shí)差,從而導(dǎo)致制種成本居高不下,限制了雜交水稻尤其是雜交粳稻的大面積推廣[3]。在水稻的馴化進(jìn)程中,水稻的天然異交結(jié)實(shí)率由野生稻的100%降至栽培稻的2%～4%[4]。Ying等[5]考查了2065份非洲稻種資源的柱頭外露率情況,發(fā)現(xiàn)柱頭外露率從斑點(diǎn)野生稻(100%)、長藥野生稻(85．7%)、非洲野生稻(54．9%)、巴蒂野生稻(34．8%)、雜草型野生稻(20．0%)、亞洲栽培稻(1.0%)依次降低。柱頭外露率在水稻秈粳亞種間差異顯著,尤其秈粳不育系之間,一般而言,秈稻品種的柱頭外露率普遍高于粳稻品種[6]。

粳稻品種柱頭外露率低,特別是低柱頭外露率的粳稻不育系,異交結(jié)實(shí)差,制種產(chǎn)量低,嚴(yán)重制約著雜交粳稻的發(fā)展。目前對于控制雜交水稻異交特性,尤其是水稻柱頭外露率的分子機(jī)理研究尚不夠深入;國內(nèi)外學(xué)者大多利用秈型高柱頭外露率水稻與粳型低柱頭外露率水稻品種構(gòu)建臨時性或永久性群體,篩選檢測控制水稻柱頭外露率的QTL[7]。鄧應(yīng)德等[8]利用柱頭外露率差異顯著的優(yōu)ⅠB和糯5號構(gòu)建F2群體,檢測到3個分別位于第2、5、8染色體的柱頭外露率QTL:q PES-2、q PES-5、q PES-8,貢獻(xiàn)率分別為10．1%,11．1%,9．0%,另外,他們利用高柱頭外露率親本Ⅱ-32B和低柱頭外露率親本岡46B構(gòu)建F2定位群體,采用單標(biāo)記法成功篩選到分別位于第1、2、5、8染色體上的4個柱頭外露率QTL,其中位于第5染色體的位點(diǎn)貢獻(xiàn)率最高,達(dá)到16．65%,被認(rèn)為是主效QTL[9]。王嫘等[10]利用高柱頭外露率品種DS和低柱頭外露率品種C9083構(gòu)建的F2定位群體,共檢測到16個分別位于第1、3、7、9染色體上的柱頭外露率相關(guān)QTL,其中qPSES-1a的LOD達(dá)到12．18,貢獻(xiàn)率為37．62%, q PDES-3a的LOD達(dá)到14．99,貢獻(xiàn)率為31．18%, q PES-3b的LOD達(dá)到19．69,貢獻(xiàn)率為41．91%;增效基因均來自于DS,是迄今為止鑒定的貢獻(xiàn)率最高的QTL。馮玲玲等[11]以高柱頭外露率的不育系50S作母本,低柱頭外露率的連B為父本,構(gòu)建F2定位群體,共檢測到分別位于第3、9、12染色體上的3個QTL(q PES-3,q PES-9,q PES-12);增效基因均來自于不育系50S。岳高紅等[12]利用旱稻保持系滬旱1B與Ⅱ-32B構(gòu)建臨時F2群體,檢測到位于第3、7、9染色體的3個單邊外露率位點(diǎn),位于第3、9染色體的2個雙邊外露率位點(diǎn)和位于第3、4、7、9染色體上的5個總柱頭外露率位點(diǎn),其中位于第3染色體RM6932-RM6959區(qū)間的q PES-3同時控制單邊外露、雙邊外露和總柱頭外露。Miyata等[13]利用IR24和Koshihikari構(gòu)建的F2群體定位到第3染色體上的柱頭外露率位點(diǎn)q PES-3,該位點(diǎn)成功地在水稻新育品種中增加了20%的外露率。同時,研究表明,GS3也位于該區(qū)間內(nèi),GS3在增長粒型的同時增加了柱頭的細(xì)胞數(shù)目,導(dǎo)致柱頭伸長,進(jìn)而提高柱頭外露率。

對于臨時性F2群體檢測到的QTL存在遺傳不穩(wěn)定性,同時受環(huán)境影響,因而其檢測準(zhǔn)確性不高。永久性遺傳群體,由于遺傳穩(wěn)定,可多年多點(diǎn)重復(fù)實(shí)驗(yàn),故檢測到的QTL相對可靠。尹成等[14]使用岳早秈9號和Ⅱ-32B構(gòu)建的重組自交系群體,共檢測到16個分別位于第1、3、5、6、7、9染色體上的QTL,其中只有第1、9染色體上的位點(diǎn)在兩年的重復(fù)數(shù)據(jù)中被穩(wěn)定檢測到。沈圣泉等[15]使用協(xié)青早B×密陽46構(gòu)建的RIL群體和相應(yīng)的分子遺傳圖譜,設(shè)置海南和浙江兩點(diǎn)試驗(yàn),檢測到一個LOD為28．16,貢獻(xiàn)率為14．14%的柱頭外露率QTL。此外,Hu等[16]利用保持系珍汕97B和IRAT109構(gòu)建重組自交系,在正常和干旱脅迫條件下分別檢測到3個和4個柱頭外露率QTL,其中僅有q PES-1在兩種環(huán)境下都能檢測到。李勇等[17]用川香29B× Lemont的F5群體,檢測到3個柱頭外露率QTL,分別位于3條染色體上,命名為q PES-1、q PES-2、qPES-10。李文宏等[18]利用秈稻品種窄葉青8號和粳稻品種京系17構(gòu)建的DH群體,成功地在第2、3染色體上分別定位到2個QTL:qPES-2和q PES-3,同時認(rèn)為總柱頭外露率和單邊柱頭外露率的QTL位點(diǎn)一致。由于水稻柱頭外露率特性屬數(shù)量性狀,遺傳不穩(wěn)定,受環(huán)境因素影響較大,故不同學(xué)者采用不同的定位群體檢測到的水稻柱頭外露率QTL位點(diǎn)差異較大。

本研究以高柱頭外露率的粳稻兩系不育系大S為材料,通過與低柱頭外露的熱帶粳稻品種D50雜交構(gòu)建F2及F2:3遺傳群體,對不同世代群體柱頭外露性狀重復(fù)調(diào)查分析,旨在初步鑒定穩(wěn)定遺傳的控制大S高柱頭外露率的QTL。研究結(jié)果為進(jìn)一步探究控制水稻柱頭外露率基因的克隆,基因功能分析等分子機(jī)理提供理論指導(dǎo)。同時對育種家利用分子標(biāo)記輔助選擇(MAS)選育高柱頭外露的粳型不育系,突破雜交粳稻制種瓶頸,促進(jìn)雜交粳稻發(fā)展提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1．1 供試材料

大S為高柱頭外露率的粳稻兩系不育系;D50為低柱頭外露率的熱帶粳稻品種;大S×D50 F2群體包含177個正?？捎龁沃?F2:3群體包含F(xiàn)2群體衍生的177個株系。

1．2 群體構(gòu)建及農(nóng)藝性狀考查

2013年夏以大S為母本、D50為父本雜交,收F1;2013年冬季種植F1于海南陵水,去雜后收F1種子;2014年夏季種植F2群體于杭州。在抽穗期,從中隨機(jī)選擇177個正?？捎龁沃昃幪?待其開花完全后取各單株一個主穗及分蘗穗分別考查單邊柱頭外露率(PSES)、雙邊柱頭外露率(PDES)及柱頭總外露率(PES)。F2群體成熟時按單株編號收種即為F2:3株系。各單株種子分成兩份。2014年冬,將親本及177個F2:3株系種植于海南陵水,待開花完全后每株系隨機(jī)取6株主穗考查單邊柱頭外露率、雙邊柱頭外露率及柱頭總外露率;2015年夏季,將親本與另一份177個F2:3株系種植于杭州,待開花后每株系隨機(jī)選取6株主穗,考查單邊柱頭外露率,雙邊柱頭外露率及柱頭總外露率。柱頭外露率計(jì)算方法如下:單邊柱頭外露率(%)＝單邊柱頭外露穎花數(shù)/總穎花數(shù)×100%;雙邊柱頭外露率(%)＝雙邊柱頭外露穎花數(shù)/總穎花數(shù)×100%;柱頭總外露率(%)＝單邊柱頭外露率+雙邊柱頭外露率。

1．3 SSR分子標(biāo)記連鎖圖譜構(gòu)建及QTL定位分析

SDS法提取親本及177個F2單株DNA[19]。利用本實(shí)驗(yàn)室的556對以及擎科生物公司合成的83對均勻分布于水稻12條染色體上的SSR標(biāo)記篩選大S和D50之間的多態(tài)性。

利用篩選出的均勻分布在水稻12條染色體上且在大S和D50間具有多態(tài)性的131對SSR標(biāo)記對177個F2單株進(jìn)行基因型分析,采用Map Maker 3．0軟件構(gòu)建連鎖圖譜。遺傳連鎖圖譜結(jié)合各項(xiàng)表型數(shù)據(jù),采用Win QTL cartographer 2．5軟件,取LOD≥2．5進(jìn)行QTL分析[20]。采用McCouch命名系統(tǒng)對QTL命名[21]。

2 結(jié)果與分析

2．1 大S×D50 F2、F2:3群體及親本柱頭外露率表型分析

大S為高柱頭外露率粳稻不育系,D50為低柱頭外露率熱帶粳稻品種,其表型見表1和圖1。大S ×D50 F2和F2:3群體,兩代三次實(shí)驗(yàn)的柱頭外露率表型統(tǒng)計(jì)參數(shù)和表型分布見圖表1和圖2。F2及F2:3群體柱頭外露率表型分離明顯,呈連續(xù)正態(tài)分布(圖2),顯示出數(shù)量性狀的特征,并有超親分離現(xiàn)象;其中單邊柱頭外露率在兩年三次重復(fù)中的偏值小于-1;雙邊柱頭外露率與柱頭總外露率偏值基本在±1以內(nèi)(表1),表明基本呈正態(tài)分布,符合QTL作圖要求。單邊柱頭外露率、雙邊柱頭外露率及柱頭總外露率表型頻率分布在兩代三次實(shí)驗(yàn)中基本一致,顯示出較好的重復(fù)性。

表1 大S×D50 F2與F2:3群體及親本的柱頭外露率表型Table 1．The stigma exsertion rate of F2and F2:3 populations of Da S×D50 combination．

圖1 大S和D50柱頭外露表型Fig．1．Phenotype of stigma exsertion of Da S and D50．

圖2 大S×D50 F2和F2:3群體柱頭外露率頻率分布Fig．2．The frequency distributions of stigma exsertion rate of F2and F2:3populations of Da S×D50 combination．

2．2 大S×D50 F2、F2:3群體柱頭外露率性狀間相關(guān)性顯著

對大S×D50的F2和F2:3群體柱頭外露率性狀間相關(guān)性分析(表2)表明:單邊柱頭外露率、雙邊柱頭外露率及柱頭總外露率三個性狀之間在兩代三次實(shí)驗(yàn)中均表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān),表明水稻柱頭外露率性狀之間關(guān)系密切,互相影響。

2．3 大S×D50 F2、F2:3群體柱頭外露率的QTL分析

利用131對在大S與D50之間表現(xiàn)多態(tài)性的SSR標(biāo)記,采用Map Maker 3．0構(gòu)建了遺傳連鎖圖譜,圖譜總長為1865．6 c M,平均距離為14．6 c M。采用Win QTL cartographer 2．5進(jìn)行QTL區(qū)間作圖分析(表3和圖3),兩代3次重復(fù)共檢測到21個柱頭外露率QTL,分別位于第1、2、3、4、6、7、12染色體上,其中單邊柱頭外露率QTL 6個,雙邊柱頭外露率QTL 7個,柱頭總外露率QTL 8個;至少在兩次重復(fù)中檢測到的QTL有5個,分別為q PSES 3．1,q PSES12,q PDES4,q PES4和q PES12,其中qPSES12、qPDES4和qPES12在F2及2個F2:3群體中均被檢測到,且其加性效應(yīng)均來自于高值親本大S,表明這些QTL受環(huán)境影響相對較小,不同條件下都能穩(wěn)定遺傳表達(dá)。

表2 大S×D50 F2、F2:3群體柱頭外露率性狀間的相關(guān)分析Table 2．Correlation analysis among stigma exsertion rate in F2and F2:3 populations of Da S×D50 combination．

圖3 大S×D50 F2與F2:3群體檢測到的柱頭外露率QTLFig．3．The stigma exsertion rate QTLs detected in F2and F2:3 populations of Da S×D50 combination．

表3 大S×D50 F2與F2:3群體檢測到的柱頭外露率QTL分布Table 3．The QTL distributions of stigma exsertion rate detected in F2and F2:3 populations of Da S×D50．

在大S×D50 F2群體,以及陵水、杭州的F2:3群體中檢測到的單邊柱頭外露率QTL共有6個,分別為q PSES1、q PSES2、q PSES3．1、q PSES3．2、q PES4、q PSES12,貢獻(xiàn)率為0．12%～57．67%(表3和圖3)。其中q PSES12在F2群體,以及陵水、杭州F2:3群體中均被檢測到,該位點(diǎn)在F2群體的加性效應(yīng)來自于D50,但貢獻(xiàn)率極低;在陵水和杭州F2:3群體中被檢測的加性效應(yīng)來自于大S,貢獻(xiàn)率達(dá)16.98%。q PSES3.1在陵水、杭州F2:3群體中均檢測到,貢獻(xiàn)率達(dá)25.6%,來自大S的等位基因可解釋表型變異的5.58%。在這些被檢測到的單邊柱頭外露率QTL中,絕大部分位點(diǎn)的加性效應(yīng)均來自大S。

3 討論

本研究利用高柱頭外露率的粳稻兩系不育系大S為研究材料所定位到的水稻柱頭外露率QTL,部分與其他學(xué)者利用高柱頭外露率的秈稻品種為研究對象所得到的研究結(jié)果相似,同時也檢測到新的穩(wěn)定遺傳的柱頭外露率QTL(表3)。本研究共檢測到21個水稻柱頭外露率QTL,位于10個標(biāo)記區(qū)間。其中位于同一區(qū)間的控制單邊外露率的q PES3．1和總外露率的q PES3,在尹成等[14]、李海濱等[22]和王嫘等[10]的研究中均見報(bào)道,且貢獻(xiàn)率較高;在王嫘等[10]的研究中貢獻(xiàn)率更是高達(dá)31．18%;本研究在兩次重復(fù)的F2:3群體中檢測到,其貢獻(xiàn)率分別達(dá)到21．87%和25．60%。本研究檢測到的單邊柱頭外露率位點(diǎn)q PSES1與李勇等[17]、李海濱等[22]和Wen等[23]的報(bào)道中類似。本研究控制雙邊外露率的qPDES1與李海濱等[22]所報(bào)道的q PES-1,Li等[24]所報(bào)道的qPDES-1位于同一個區(qū)間;另外,本研究同時控制單邊、雙邊和柱頭總外露率的QTL區(qū)間有3個,分別是第2染色體的RM3340-RM5664、第4染色體的RM16942-RM17303和第12染色體的RM1036-RM3448,其中,除第4染色體的定位區(qū)間外,第2染色體和第12染色體所定位區(qū)間分別與鄧應(yīng)德[9]等檢測到的與RM3188緊密連鎖的QTL,Li等[24]報(bào)道的qSSE-12位置相近。此外,本研究中q PDES2．1、q PES2．1與李勇等[17]報(bào)道的q PES-2,陳愛國等[25]檢測到的q PGCES-2兩個位點(diǎn)同屬RM5430-RM6424區(qū)間。與標(biāo)記RM22105緊密連鎖的q PES7和尹成等[14]所報(bào)道的q PDES-7-2位置非常接近。不同學(xué)者檢測水稻柱頭外露率QTL位點(diǎn)存在相似性,表明確實(shí)存在控制水稻柱頭外露的QTL及基因,值得進(jìn)一步的基因挖掘與應(yīng)用。

本研究檢測到的柱頭外露率QTL,絕大多數(shù)的表型變異來自大S,表明大S確實(shí)攜帶控制水稻高柱頭外露率的QTL。同時本研究檢測到的q PSES12在杭州F2群體,以及陵水、杭州F2:3群體中均被檢測到,而該位點(diǎn)在F2群體的加性效應(yīng)來自D50,但貢獻(xiàn)率極低;在陵水和杭州種植的F2:3群體中被檢測的加性效應(yīng)來自大S,其可能原因是水稻柱頭外露特性受遺傳特性、環(huán)境影響較大,不同的環(huán)境條件、不同世代,單株及株系柱頭外露率表型值波動較大,影響檢測結(jié)果[26]。q PSES3．1在陵水、杭州F2:3群體中均檢測到,而在F2群體中未被檢測到,表明某些效應(yīng)值較小的QTL,隨著世代的增加其效應(yīng)值有可能增大。另外,q PSES4、q PDES4、q PES4位點(diǎn)在F2群體,以及陵水、杭州兩次重復(fù)F2:3群體中穩(wěn)定檢測到,貢獻(xiàn)率較大,且位于同一定位區(qū)間,可能是一個新的影響柱頭外露率的QTL,目前已構(gòu)建相應(yīng)的次級分離群體,以期將該控制水稻外露率的QTL精細(xì)定位甚至克隆。

在F2和F2:3群體,兩代三次實(shí)驗(yàn)中也檢測到新的控制柱頭外露率的QTL,如:q PSES4、q PDES4、q PES4,值得進(jìn)一步深入研究。此外,我們在杭州F2:3群體中還檢測到一個新的貢獻(xiàn)率高達(dá)57%的有待進(jìn)一步確認(rèn)的柱頭單邊外露率QTL qPSES3．2。針對已報(bào)道的且貢獻(xiàn)率較大的QTL以及最新檢測到的穩(wěn)定遺傳的QTL,一方面可構(gòu)建次級分離群體進(jìn)一步深入研究,將控制柱頭外露率的基因進(jìn)行克隆、功能分析,闡明控制柱頭外露高低的分子機(jī)理。另一方面,精細(xì)定位柱頭外露率QTL,開發(fā)相應(yīng)的與柱頭外露率緊密連鎖的功能分子標(biāo)記[27],利用分子標(biāo)記輔助選擇選育高柱頭外露率的粳稻類型的保持系、不育系等,進(jìn)而促進(jìn)雜交粳稻發(fā)展。

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QTL Mapping of japonica Rice Stigma Exsertion Rate

LI Wei1,＃,SHENG Zhonghua2,＃,ZHU Ziliang1,WEI Xiangjin2,SHI Lei1,WU Yawen2,TANG Shaoqing2, WANG Jianlong1,?,HU Peisong1,2,?
(1College of Agronomy,Hunan Agricultural University,Changsha 410128,China;2China National Rice Research Institute, Hangzhou 310006,China;＃The authors contributed equally to this work;?Corresponding author,E-mail:wjl9678＠126．com)

【Objective】Stigma exsertion is one of the important traits which contribute to the efficient improrement of commercial seed production in hybrid rice．The objective of the study was to understand the genetic factors involved in the sigma exsertion．【Method】The F2and F2:3populations of Da S×D50 planted in Lingshui,Hainan Province and Hangzhou,Zhejiang Province,respectively were used and the single stigma exsertion rate(PSES),double stigma exsertion rate(PDES)and total stigma exsertion rate(PES)were measured．【Result】Correlation analysis indicated that there were significant relationships among the PSES,PDES and PES．Further,the genetic linkage map of Da S× D50 F2population was constructed,then,21 stigma exsertion rate QTL were located on chromosome 1,2,3,4,6,7 and 12,respectively,with the contribution rate ranging from 0．1%to 57．6%．The additive effect of most QTLs were contributed by high value parent Da Sexcept for some QTL that with extremely low contribution rate．There were two QTLs on Chromosome 4 and Chromosome 12,q PDES4 and q PES12,both detected in F2and F2:3populations with contribution rate as high as 17．86%and 16．98%,respectively．The q PES3 located on Chromosome 3 with high contribution rate were detected in F2:3population for two times．【Conclusion】Some stigma exsertion rate QTL shared the same location with those reported by other researchers,but there were also some new QTLs which provide theoretical support for further fine-mapping,gene cloning,and breeding new japonica male sterile lines with high stigma exsertion rate by using molecular marker-assistant selection．

stigma exsertion rate;QTL mapping;marker-assistant selection(MAS);japonica rice

Q343．1+5;S511．0351

A

1001-7216(2017)01-0023-08

2016-03-14;修改稿收到日期:2016-07-19。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31501285);浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LY14C130009);浙江省公益技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015C32045)。