水稻耐鹽性和耐堿性相關性狀的QTL定位及環(huán)境互作分析

梁銀培，孫健，索藝寧，劉化龍，王敬國，鄭洪亮，孫曉雪，鄒德堂

（東北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院水稻研究所，哈爾濱 150030）

水稻耐鹽性和耐堿性相關性狀的QTL定位及環(huán)境互作分析

梁銀培，孫健，索藝寧，劉化龍，王敬國，鄭洪亮，孫曉雪，鄒德堂

（東北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院水稻研究所，哈爾濱 150030）

【目的】探索水稻在鹽和堿脅迫下產(chǎn)量相關性狀的變化規(guī)律，尋找耐鹽堿主效QTL，并分析QTL加性、上位性與環(huán)境互作效應。揭示單株有效穗數(shù)、結(jié)實率、千粒重和單株穗重在鹽、堿脅迫下的遺傳機制，為水稻耐鹽堿性分子標記輔助育種提供理論依據(jù)?！痉椒ā恳詵|農(nóng)425和長白10號雜交得到的重組自交系為材料，構(gòu)建包含120個SSR標記的遺傳連鎖圖。以濃度6 ds·m-1的NaCl水溶液，pH9.0的Na2CO3水溶液進行全生育期處理，正常水灌溉為對照。對2014年和2015年鹽、堿脅迫和自然條件下水稻的單株有效穗數(shù)、結(jié)實率、千粒重和單株穗重分別采用2種作圖方法同時定位研究，即完備區(qū)間作圖法進行加性QTL定位和混合線性模型的復合區(qū)間作圖法進行加性、上位性QTL與環(huán)境互作聯(lián)合分析?！窘Y(jié)果】2014年和2015年堿脅迫條件下與鹽脅迫條件下各性狀表型值相比，耐堿相關性狀降低較明顯，表明水稻對堿脅迫更為敏感，堿脅迫更大程度地限制了高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)。并且 2年的堿脅迫條件下各性狀與鹽脅迫條件下各性狀均未表現(xiàn)出顯著相關性。水稻在耐鹽性和耐堿性上可能存在遺傳機制上的差異。運用ICIM共檢測到61個水稻耐鹽堿相關性狀加性效應QTL，分布在第1、2、3、4、5、6、7、8、10、11和12染色體上。運用MCIM在6個環(huán)境下進行加性及環(huán)境互作效應的聯(lián)合定位分析，共檢測到17個加性QTL存在環(huán)境互作效應，分布在第1、3、5、7、8、9、11和12染色體上。其中，運用ICIM同時在自然條件和鹽脅迫條件下2年重復檢測到qPN1-1，僅在堿脅迫下2年重復檢測到qPN11-2，同時在鹽脅迫和堿脅迫條件下2年重復檢測到qPN3-3，在鹽脅迫與自然條件比值下2年重復檢測到qRPN1-1，僅在自然條件下2年重復檢測到qGW7和同時在鹽、堿脅迫和自然條件下2年重復檢測到qPW11均被MCIM檢測到。qPW11是1個新的耐鹽堿QTL，其貢獻率為7.94%—20.13%。運用MCIM對水稻耐鹽堿相關性狀在6個環(huán)境下進行上位性與環(huán)境互作效應分析，共檢測到13對上位性QTL與環(huán)境發(fā)生互作效應。檢測到2對有關單株有效穗數(shù)的上位性QTL與環(huán)境互作，檢測到2對脅迫與自然條件比值下單株有效穗數(shù)的上位性QTL與環(huán)境互作；檢測到2對有關結(jié)實率的上位性QTL與環(huán)境互作，檢測到2對脅迫與自然條件比值下結(jié)實率的上位性QTL與環(huán)境互作；檢測到1對有關千粒重的上位性QTL與環(huán)境互作，檢測到1對脅迫與自然條件比值下千粒重的上位性QTL與環(huán)境互作；檢測到3對有關單株穗重的上位性QTL與環(huán)境互作?！窘Y(jié)論】鹽脅迫和堿脅迫都能影響水稻的產(chǎn)量相關性狀，但二者是性質(zhì)有所差別的2種脅迫，堿脅迫破壞更強，降低產(chǎn)量更明顯。

水稻；鹽脅迫；堿脅迫；產(chǎn)量性狀；QTL定位；環(huán)境互作分析

0 引言

【研究意義】水稻（Oryza sativa L.）作為中國乃至世界最為重要的糧食作物[1]，穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的重要性不言而喻。鹽堿脅迫是影響水稻生長發(fā)育的一種嚴重逆境危害，在鹽堿化的土地上種植水稻將使其產(chǎn)量減少近 30%[2]。地球環(huán)境的日益惡化，使得土地沙漠化和鹽堿化日益加劇，水稻的生產(chǎn)和發(fā)展也面臨著巨大的威脅。鹽堿地的改良方案，一般是建造排灌工程，通過灌水排水洗鹽，這種方法浪費水資源、經(jīng)濟投入大，效果不顯著[3]。相比之下，種植耐鹽堿的水稻來修復鹽堿化土地改善板結(jié)土壤生態(tài)[4]，更為直接、有效，同時具有投資小見效快和推動農(nóng)業(yè)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)點。因此，培育耐鹽堿水稻品種意義重大?！厩叭搜芯窟M展】近年來，水稻耐鹽堿的研究很多，WANG 等[5]利用RIL群體和PRASAD等[6]利用DH群體檢測到有關發(fā)芽率的QTL，KIM等[7]定位有關苗高、葉干重、葉鮮重和葉面積的8個QTL，SABOURI等[8]定位有關苗高耐鹽等級和苗干重的 6個 QTL，THOMSON等[9]利用 NILs群體定位苗期耐鹽相關性狀的27個QTL，LEE等[10]利用NILs群體定位苗期鹽害級別的2個QTL，ZHAO等[11]利用F2分離群體檢測到3個苗期耐鹽主效QTL，LIN等[12]應用RIL群體定位到鹽脅迫下3個苗存活天數(shù)的QTL，龔繼明等[13]定位到耐鹽主效基因 Std，顧興友等[14]利用耐鹽品Pokkali和Peta回交群體檢測到苗期的5個QTL，KOYAMA等[15]在第1、4、6、9染色體上定位到與Na+、K+有關的11個QTL，SUN等[16]利用RIL群體在鹽脅迫下檢測到6個控制苗高和3個控制分蘗數(shù)的QTL，錢益亮等[17]以4個BC2F3群體定位出與水稻幼苗耐鹽性有關的43個QTL，邢軍等[18]在鹽脅迫下檢測到5個QTL，其中，位于第3染色體上qSNRC3-1貢獻率最大，與苗期根部Na+濃度有關，CHAI等[19]運用回交育種策略尋找秈稻中耐鹽基因，檢測到產(chǎn)量相關性狀的 47個加性主效 QTL 和 40個上位性 QTL?！颈狙芯壳腥朦c】以上研究多集中在苗期耐鹽性，對大田生育期耐鹽性QTL定位的研究較少，針對指標主要是耐鹽級別、幼苗存活天數(shù)和Na+/K+等相關性狀，而水稻的耐鹽性在不同的生育期存在差異[20]，苗期的耐鹽生理指標與鹽脅迫下成熟期的產(chǎn)量沒有密切聯(lián)系[21]。僅依靠苗期表現(xiàn)評定品種的耐鹽性并不合理，對水稻進行全生育期鹽脅迫，考察累積的最終產(chǎn)量判定耐鹽性更能滿足實際育種需求。前人研究大多集中在水稻耐鹽性上，堿脅迫下水稻的QTL定位鮮見報道。研究表明耐鹽機理和耐堿機理可能存在差異[22]，耐鹽性強的水稻品種耐堿性不一定強。同時進行鹽、堿脅迫下水稻產(chǎn)量相關性狀的研究，探究2種脅迫下水稻產(chǎn)量相關性狀變化規(guī)律和遺傳機制有重要意義?！緮M解決的關鍵問題】本研究利用東農(nóng)425和長白10號衍生的重組自交系為材料，連續(xù)2年分別在鹽和堿2種脅迫方式下處理，考察鹽、堿脅迫下成熟期水稻的單株有效穗數(shù)、結(jié)實率、千粒重和單株穗重，對其進行加性QTL、上位性QTL與環(huán)境互作效應分析，旨在挖掘同時控制耐鹽性和耐堿性的QTL，為水稻耐鹽堿分子標記輔助育種奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以黑龍江省廣泛種植的粳稻品種東農(nóng) 425 （DN425）為母本，吉林省農(nóng)業(yè)科學院水稻研究所選育的耐鹽堿性強的粳稻品種長白10號（CB10）為父本配置雜交組合，通過“單粒傳”獲得180個株系的F6和F7群體作為試驗材料。

1.2 田間試驗方法

試驗于2014年和2015年在東北農(nóng)業(yè)大學實驗基地進行。親本和F6（2014年）、F7（2015年）RIL群體分別于4月20日和25日播種，采用旱育秧苗的方法，分別于5月25日和29日單本移栽到大田。2年的平均氣溫、降水量和日照時長均與往年相近。試驗田土壤全氮0.23%，堿解氮216.4 mg·kg-1、全鉀2.32%、速效鉀 167.4 mg·kg-1、總磷 0.16%和磷 27 mg·kg-1。模擬鹽堿池分為鹽處理、堿處理和對照 3個小區(qū)，采用隨機排列，2行區(qū)，行長 2 m，行距30 cm，穴距10 cm，3次重復。鹽、堿處理小區(qū)返青后開始進行脅迫處理。鹽脅迫處理方式是灌溉濃度定為6 ds·m-1的 NaCl[16]水溶液（0.36%），堿脅迫處理方式是灌溉 pH=9.0[22]的 Na2CO3水溶液，2種處理是保證鈉離子濃度相近的同時脅迫強度為中等脅迫水平，對照為正常水灌溉。病蟲害防治和除草管理方式都保持與大田生產(chǎn)一致。為了確保鹽、堿處理強度穩(wěn)定，濃度不波動，需每天分別在早、中、晚監(jiān)測鹽池內(nèi)NaCl濃度和堿池內(nèi)的pH，若遇降雨或高溫干旱天氣應及時排水，重新灌溉。

在鹽、堿脅迫和對照3種條件6個環(huán)境：E1（2014年對照）、E2（2015年對照）、E3（2014年鹽處理）、E4（2015年鹽處理）、E5（2014年堿處理）和E6（2015年堿處理），每株系隨機選取非邊株的5個單株。測定親本及F6、F7群體的4項產(chǎn)量相關性狀：單株有效穗數(shù)（panicle number per plan，PN）、結(jié)實率（seed setting rate，SS）、千粒重（thousand grain weight，GW）和單株穗重（panicle weight per plant，PW），以3次重復的平均值作為統(tǒng)計單元。

1.3 產(chǎn)量相關性狀表型數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

利用Excel 2013軟件對產(chǎn)量相關性狀的數(shù)據(jù)進行處理，運用SPSS（Version 17.0 for Windows）軟件對各性狀進行統(tǒng)計分析和相關性檢驗分析。

1.4 遺傳連鎖圖譜構(gòu)建與QTL定位

采用DNA提取試劑盒提取葉片DNA，試劑盒由天根生化科技（北京）有限公司提供。從水稻基因組（http//www.gramene.org）中獲得1 000對SSR引物序列，引物由華大基因合成。利用兩親本間有多態(tài)性的138對引物對F7代180個單株DNA的進行PCR擴增，PCR反應和電泳方法參考邢軍等[18]方案，最終確定多態(tài)性好的SSR標記130對。去除10個偏分離標記，剩余120個SSR標記用于構(gòu)建連鎖圖譜，利用Mapchart 2.2軟件繪制遺傳連鎖圖譜。

取2014年和2015年耐鹽堿性相關性狀數(shù)據(jù)的平均值進行2種方案分析。利用QTL IciMapping v3.3軟件的完備區(qū)間作圖法（ICIM）進行加性QTL定位，設定LOD值為2.5。利用QTL Network 2.1軟件把不同年份和鹽、堿脅迫作為環(huán)境因子，對水稻耐鹽堿性相關性狀進行基于混合線性模型的復合區(qū)間作圖法（MCIM）多環(huán)境聯(lián)合分析加性、上位性與環(huán)境互作效應[23]，選取臨界閾值P=0.05，當QTL效應P≤0.05時，判斷QTL存在。QTL命名參照MCCOUCH等[24]的方式。

2 結(jié)果

2.1 水稻耐鹽和耐堿相關性狀的表型值分析

2.1.1 水稻耐鹽相關性狀的表型分析 通過對水稻2014年和2015年的鹽脅迫和自然條件下親本及RIL群體單株的表型分析（表1）。2年自然條件下親本DN425和 CB10的單株有效穗數(shù)和結(jié)實率表現(xiàn)并無顯著差異，千粒重、單株穗重存在顯著差異（P＜0.05），且DN425高于CB10。鹽脅迫下單株有效穗數(shù)、千粒重和單株穗重在兩親本之間表現(xiàn)出極顯著差異，結(jié)實率在兩親本之間表現(xiàn)出顯著差異。鹽脅迫與自然條件比值下，單株有效穗數(shù)和單株穗重在兩親本之間表現(xiàn)出極顯著差異，千粒重在兩親本之間表現(xiàn)出顯著差異。雙親各性狀間的遺傳差異較大且在耐鹽性表現(xiàn)方面存在明顯不同，為QTL分析提供了較好的遺傳背景。

2.1.2 水稻耐堿相關性狀的表型分析 通過對水稻2014年和2015年堿脅迫和自然條件下親本及RIL群體的表型分析（表 1）。發(fā)現(xiàn)堿脅迫下千粒重和單株穗重在兩親本之間表現(xiàn)出極顯著差異，單株有效穗數(shù)和結(jié)實率在兩親本之間表現(xiàn)出顯著差異。堿脅迫與自然條件比值下，單株有效穗數(shù)和單株穗重在兩親本之間表現(xiàn)出極顯著差異。雙親各性狀間的遺傳差異較大且在耐堿性表現(xiàn)方面存在明顯不同，為QTL分析提供了較好的遺傳背景。在鹽、堿脅迫下親本及RIL群體的耐鹽堿相關性狀均受到了脅迫的影響，有減產(chǎn)的情況發(fā)生，CB10表現(xiàn)出較強的耐鹽堿特性，穩(wěn)產(chǎn)性優(yōu)于DN425。且在堿脅迫條件下減產(chǎn)更為明顯，單株有效穗數(shù)、結(jié)實率、千粒重和單株穗重以及堿脅迫與自然條件比值下各性狀的平均值都比鹽脅迫條件下低。表明水稻對堿脅迫更為敏感，堿脅迫更大程度地限制了高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)。各個性狀平均值都介于兩親本之間，且變異范圍較大，存在明顯的超親分離現(xiàn)象，峰度、偏斜度的絕對值均小于或接近 1.0。對數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布的適合性檢驗，表明各個性狀都基本符合正態(tài)分布，符合數(shù)量性狀的遺傳特性（圖1）。

2.2 水稻鹽脅迫和堿脅迫下產(chǎn)量相關性狀的相關分析

2.2.1 水稻鹽脅迫下產(chǎn)量相關性狀間相關分析通過對水稻2014年和2015年的鹽、堿脅迫和自然條件下產(chǎn)量的相關性分析（表2）。2014年自然條件下，結(jié)實率與單株有效穗數(shù)呈顯著正相關；千粒重與結(jié)實率呈顯著正相關；單株穗重與單株有效穗數(shù)成極顯著正相關，與結(jié)實率呈顯著正相關，與千粒重呈極顯著正相關。2015年自然條件下，結(jié)實率與單株有效穗數(shù)呈極顯著正相關；千粒重與單株有效穗數(shù)呈顯著正相關，與結(jié)實率呈極顯著正相關；單株穗重與結(jié)實率呈極顯著正相關，與千粒重呈極顯著正相關。

2014年鹽脅迫條件下，結(jié)實率與單株有效穗數(shù)呈顯著正相關；千粒重與單株有效穗數(shù)呈顯著正相關，與結(jié)實率呈極顯著正相關；單株穗重與單株有效穗數(shù)呈極顯著負相關；結(jié)實率和千粒重呈極顯著正相關。2015年鹽脅迫條件下，結(jié)實率與單株有效穗數(shù)呈顯著正相關；千粒重與單株有效穗數(shù)呈顯著正相關，與結(jié)實率呈極顯著正相關；單株穗重與單株有效穗數(shù)呈極顯著負相關，與結(jié)實率呈極顯著正相關，與千粒重呈顯著正相關。

2.2.2 水稻堿脅迫下產(chǎn)量相關性狀間相關分析

2014年堿脅迫條件下，結(jié)實率與單株有效穗數(shù)呈顯著負相關；千粒重與單株有效穗數(shù)呈顯著負相關，與結(jié)實率呈極顯著正相關；單株穗重與單株有效穗數(shù)呈極顯著負相關，與千粒重呈極顯著正相關，與結(jié)實率呈顯著正相關。2015年堿脅迫條件下，結(jié)實率與單株有效穗數(shù)呈顯著負相關；千粒重與單株有效穗數(shù)呈顯著負相關，與結(jié)實率呈極顯著正相關；單株穗重與單株有效穗數(shù)呈極顯著負相關，與結(jié)實率呈極顯著正相關，與千粒重呈顯著正相關。

2014年和2015年堿脅迫條件下各性狀與鹽脅迫條件下各性狀均未表現(xiàn)出顯著相關性。

2.3 遺傳連鎖圖譜構(gòu)建

利用 120對 SSR引物對兩親本衍生的后代進行基因型鑒定，最終構(gòu)建了遺傳連鎖圖譜，總長2 397.28 cM，覆蓋水稻12條染色體，標記間平均距離為19.97 cM。

表1 水稻大田生育期親本及重組自交系群體在不同環(huán)境下產(chǎn)量相關性狀的表型分析Table 1 Variation of different environments yield related traits of RIL population and parents in field growth period of rice

圖1 鹽脅迫和堿脅迫下水稻產(chǎn)量相關性狀的分布Fig. 1 Distribution of yield-related traits under salt stress and alkaline stress in rice

表2 產(chǎn)量相關性狀間的相關系數(shù)Table 2 Correlation coefficients among yield related traits

2.4 水稻耐鹽和耐堿相關性狀的加性QTL定位分析

2.4.1 水稻耐鹽相關性狀的ICIM加性QTL定位分析運用ICIM對水稻的耐鹽堿相關性狀進行加性QTL的定位分析（表3）。共檢測到61個加性效應QTL，分布在第1、2、3、4、5、6、7、8、10、11和12染色體上。

在鹽脅迫下，檢測到8個與單株有效穗數(shù)相關的QTL，分布在第1、3、5和11染色體上。其中，qPN1-1同時在自然條件和鹽脅迫條件下2年重復檢測到，增效等位基因來自父本CB10。沒有檢測到僅在鹽脅迫條件下2年重復表達的QTL。鹽脅迫與自然條件比值下，檢測到5個QTL，分布在第1、2、10和12染色體上。其中，qRPN1-2在E3/E1下檢測到，增效等位基因來自母本DN425；qRPN2在E6/E2下檢測到，增效等位基因來自母本DN425；qRPN10在E3/E1下檢測到，增效等位基因來自父本CB10；qRPN12在E3/E1下檢測到，增效等位基因來自母本 DN425；qRPN1-1在2年重復檢測到，增效等位基因來自父本CB10。

在鹽脅迫下，檢測到1個與結(jié)實率相關的QTL，分布在第 1染色體上；檢測到 2個與千粒重相關的QTL，分布在第6和11染色體上。僅在鹽脅迫條件下2年重復表達的QTL、同時在自然條件和鹽脅迫條件下2年重復表達的QTL均沒有檢測到。鹽脅迫與自然條件比值下，檢測到結(jié)實率的2個QTL，分布在第4 和7染色體上。其中，qRSS4在E4/E2下檢測到，增效等位基因來自父本CB10；qRSS7-2在E3/E1下檢測到，增效等位基因來自母本DN425。鹽脅迫與自然條件比值下，檢測到千粒重的2個QTL，分布在第3和7染色體上。其中，qRGW3-1在E3/E1下檢測到，增效等位基因來自父本CB10；qRGW7在E4/E2下檢測到，增效等位基因來自父本 CB10；結(jié)實率和千粒重在鹽脅迫與自然條件比值下，均沒有檢測到2年重復表達的QTL。

在鹽脅迫下，檢測到3個與單株穗重相關的QTL，分布在第1和11染色體上。僅在鹽脅迫條件下2年重復表達的QTL、同時在自然條件和鹽脅迫條件下2年重復表達的QTL均沒有檢測到。鹽脅迫與自然條件比值下，檢測到3個QTL，分布在第3和11染色體上。其中，qRPW3在E4/E2下檢測到，增效等位基因來自母本DN425；qRPW11-1在E3/E1下檢測到，增效等位基因來自父本CB10；qRPW11-2在E4/E2下檢測到，增效等位基因來自父本CB10；沒有檢測到2年重復表達的QTL。

綜上所述，李白模仿鮑照的同題新作，多有創(chuàng)新，情感指向個性化，用典密度變小，敘事線條變得疏朗，主題寓義寬泛，成功地超越了鮑照詩歌，如劉熙載說:“太白詩以莊、騷為大源,而于嗣宗之淵放、景之儁上、明遠之驅(qū)邁、玄暉之奇秀,亦各有所取,無遺美焉。 (《藝概·詩》)”成為后代詩人學習的典范。

2.4.2 水稻耐堿相關性狀的ICIM加性QTL定位分析

在堿脅迫下，檢測到7個與單株有效穗數(shù)相關的QTL，分布在第1、2、3、5和11染色體上。其中，qPN11-2僅在堿脅迫下2年重復檢測到，增效等位基因來自母本 DN425；qPN3-3同時在鹽脅迫和堿脅迫條件下 2年重復檢測到，增效等位基因來自母本DN425；沒有檢測到同時在自然條件和堿脅迫條件下2年重復表達的QTL。堿脅迫與自然條件比值下，檢測到2個QTL，其中，qRPN1-1在E5/E1下檢測到，增效等位基因來自母本DN425；qRPN2在E6/E2下檢測到，增效等位基因來自母本DN425；沒有檢測到2年重復表達的QTL。

在堿脅迫下，檢測到3個與結(jié)實率相關的QTL，分布在第1和5染色體上；檢測到1個與千粒重相關的QTL，分布在第11染色體上。僅在堿脅迫條件下2年重復表達的QTL、同時在自然條件和堿脅迫條件下2年重復表達的QTL均沒有檢測到。堿脅迫與自然條件比值下，檢測到結(jié)實率的3個QTL，其中，qRSS1-1 在E5/E1下檢測到，增效等位基因來自母本DN425；qRSS12在 2年重復檢測到，增效等位基因來自父本CB10。檢測到千粒重的2個 QTL，其中，qRGW3-2在E5/E1下檢測到，增效等位基因來自父本CB10；qRGW11在E6/E2下檢測到，增效等位基因來自母本DN425；沒有檢測到2年重復表達的QTL。

在堿脅迫下，檢測到3個與單株穗重相關的QTL，分布在第1和11染色體上。其中，qPW11同時在鹽、堿和自然條件下2年重復檢測到，增效等位基因來自母本DN425，且鹽、堿脅迫下的貢獻率高于自然條件。僅在堿脅迫條件下2年重復表達的QTL、同時在自然條件和堿脅迫條件下2年重復表達的QTL均沒有檢測到。堿脅迫與自然條件比值下，檢測到 1個 QTL，qRPW11-1在E6/E2下檢測到，增效等位基因來自父本CB10；沒有檢測到2年重復表達的QTL。

2.5 水稻耐鹽和耐堿相關性狀的MCIM加性QTL定位分析

運用MCIM對水稻耐鹽堿相關性狀在6個環(huán)境下進行加性及環(huán)境互作效應的聯(lián)合定位分析（表 4）。共檢測到17個加性QTL存在環(huán)境互作效應，分布在第1、3、5、7、8、9、11和12染色體上。

圖2 水稻耐鹽堿相關性狀的加性QTL及上位性QTL與環(huán)境互作效應在染色體上的分布Fig. 2 Additive QTL and epistasis QTL×environment effect of salt and alkali tolerance related traits in rice on chromosomes

表3 RIL群體耐鹽堿相關性狀的QTL及遺傳效應Table 3 QTL mapping for salt and alkali tolerant related traits of the RIL poupulation

續(xù)表3 Continued table 3

表4 RIL群體耐鹽堿相關性狀的加性QTL與環(huán)境互作效應Table 4 Additive QTL for environment interaction of salt and alkali tolerant related-traits in the RIL poupulation

檢測到5個有關單株有效穗數(shù)的加性與環(huán)境互作QTL，分布在第1、3、5和11染色體上。其中，運用ICIM同時在自然條件和鹽脅迫條件下 2年重復檢測到的qPN1-1也被MCIM檢測到，貢獻率是3.63%，加效效應值是-2.36，環(huán)境互作貢獻率是1.22%；運用ICIM僅在堿脅迫下2年重復檢測到的qPN11-2也被MCIM檢測到，貢獻率是2.87%，加效效應值是1.41，環(huán)境互作貢獻率是3.58%；運用ICIM同時在鹽脅迫和堿脅迫條件下2年重復檢測到的qPN3-3也被MCIM檢測到，貢獻率是4.02%，加效效應值是1.97，環(huán)境互作貢獻率是2.92%；qPN5-1和qPN11-1被ICIM和MCIM共同檢測到，但是ICIM沒有2年重復檢測到。脅迫與自然條件比值下，檢測到3個的加性與環(huán)境互作QTL，分布在第1、8和12染色體上。其中，運用ICIM在2年重復檢測到的qRPN1-1也被MCIM檢測到，貢獻率是4.22%，加效效應值是1.84，環(huán)境互作貢獻率是2.33%。

檢測到2個有關千粒重的加性與環(huán)境互作QTL，分布在第7和9染色體上。運用ICIM僅在自然條件下2年重復檢測到的qGW7也被MCIM檢測到。脅迫與自然條件比值下，檢測到2個的加性與環(huán)境互作QTL，分布在第1和7染色體上。qRGW7被ICIM和MCIM共同檢測到，但是ICIM沒有2年重復檢測到。

檢測到 2個有關單株穗重的加性與環(huán)境互作QTL，分布在第7和11染色體上。運用ICIM同時在鹽、堿脅迫和自然條件下 2年重復檢測到的 qPW11也被MCIM檢測到，貢獻率是4.34%，加效效應值分1.78，環(huán)境互作貢獻率是 2.87%。脅迫與自然條件比值下，檢測到1個加性與環(huán)境互作QTL，分布在第11染色體上。qRPW11-1被ICIM和MCIM共同檢測到，但是ICIM沒有2年重復檢測到。

2.6 水稻耐鹽和耐堿相關性狀的MCIM上位性QTL定位分析

運用MCIM對水稻耐鹽堿相關性狀在6個環(huán)境下進行上位性與環(huán)境互作效應分析（表5）。檢測到13對上位性QTL與環(huán)境發(fā)生互作效應。其中，2對互作QTL影響單株有效穗數(shù)，qPN3-1/qPN7貢獻率為1.55%，上位性效應值是1.24，親本型大于重組型，qPN4/qPN8貢獻率為1.75%，上位性效應值是-5.57，重組型大于親本型，同時這2對QTL均檢測到與環(huán)境之間存在互作效應，環(huán)境互作貢獻率分別是 0.78%和2.14%。脅迫與自然條件比值下，檢測到2對互作QTL，qRPN1-1/qRPN1-2貢獻率為2.47%，上位性效應值是2.47，親本型大于重組型；qRPN8/qRPN11貢獻率為3.01%，上位性效應值是 0.98，親本型大于重組型。同時這兩對QTL均檢測到與環(huán)境之間存在互作效應，環(huán)境互作貢獻率分別是1.03%和1.20%。

表5 RIL群體耐鹽堿相關性狀的上位性QTL與環(huán)境互作效應Table 5 Epistatic QTL for environment interaction of salt and alkali tolerant related traits in the RIL poupulation

檢測到2對互作QTL影響結(jié)實率，qSS4/qSS7和qSS6/qSS10貢獻率分別為2.42%和3.14%，均表現(xiàn)為重組型大于親本型，同時這2對互作QTL檢測到與環(huán)境之間存在互作效應，環(huán)境互作貢獻率分別是 1.80% 和1.24%。脅迫與自然條件比值下，檢測到2對互作QTL，qRSS1-2/qRSS7-1貢獻率為2.95%，上位性效應值是-1.22，重組型大于親本型；qRSS5/qRSS8貢獻率為2.34%，上位性效應值是1.35，親本型大于重組型。同時這2對QTL均檢測到與環(huán)境之間存在互作效應，環(huán)境互作貢獻率分別是2.04%和2.18%。

檢測到1對互作QTL影響千粒重，qGW1/qGW5貢獻率為 1.99%，親本型大于重組型，同時這對互作QTL檢測到與環(huán)境之間存在互作效應，環(huán)境互作貢獻率是3.22%。脅迫與自然條件比值下，檢測到1對互作QTL，qRGW2/qRGW3貢獻率為2.34%，上位性效應值是1.35，親本型大于重組型，環(huán)境互作貢獻率是1.12%。

檢測到 3對互作 QTL影響單株穗重，是qPW6/qPW7、qPW1-3/qPW11和qPW2/qPW10，貢獻率分別是5.03%、4.48%和6.03%，重組型大于親本型，同時這3對互作QTL檢測到與環(huán)境之間存在互作效應，環(huán)境貢獻率分別是0.93%、1.79%和1.44%。脅迫與自然條件比值下，沒有檢測到的上位性與環(huán)境互作QTL。

3 討論

3.1 鹽、堿脅迫對水稻產(chǎn)量相關性狀的影響

一直以來，高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)性都是評定水稻抗性強弱的最為重要的標準。提高鹽堿脅迫下的產(chǎn)量是水稻育種的主要目的之一。水稻最早起源于淡水沼澤環(huán)境，是一種對鹽堿脅迫中度敏感的作物[25]。土壤鹽堿化自然也成為了影響水稻產(chǎn)量的主要不利因素之一[2]。

土壤的鹽堿化會影響作物的正常的新陳代謝和各項生理活動。主要是離子毒害、滲透脅迫和營養(yǎng)吸收不平衡等方面[16]。高鹽分環(huán)境下植物生長發(fā)育受限，葉片發(fā)黃、卷曲，影響細胞分裂和伸長，作物生長緩慢，產(chǎn)量降低[26]。值得關注的是，2年的堿脅迫條件下各性狀與鹽脅迫條件下各性狀均未表現(xiàn)出顯著相關性。堿脅迫下水稻單株有效穗數(shù)、結(jié)實率、千粒重和單株穗重降低幅度均大于鹽脅迫，也表明堿脅迫對水稻的傷害更嚴重。堿脅迫與自然條件比值下各性狀降低幅度同樣均大于鹽脅迫與自然條件比值下各性狀，表明水稻耐鹽性和耐堿性存在差異。水稻在耐鹽性和耐堿性上可能存在遺傳機制上的差異，鹽脅迫和堿脅迫可能是性質(zhì)有差別的 2種脅迫。這與前人以星星草[27]、小冰麥[28]、羊草[29]、向日葵[30]、燕麥[31]、黃瓜[32]和玉米[33]為材料的研究結(jié)果一致。原因可能是由于堿脅迫下的較高 pH更嚴重的破壞細胞原生質(zhì)膜系統(tǒng)和光合結(jié)構(gòu)，導致有氧呼吸、光合功能下降有關[34]。此外，pH升高還可能導致Fe、Mg等葉綠素合成有關的微量元素利用率降低[35]，影響光合色素合成，色素含量明顯降低[36]從而導致作物更大程度的生長受限，產(chǎn)量下降。

3.2 ICIM和 MCIM對水稻耐鹽堿性相關性狀的加性QTL定位分析

大量的研究表明，水稻的耐鹽堿性是多種耐鹽、耐堿生理生化變化的綜合呈現(xiàn)，是由不同染色體上的不同基因所調(diào)節(jié)的數(shù)量性狀[37]。耐鹽堿QTL定位研究有許多報道，并多以單個環(huán)境的數(shù)據(jù)為基礎進行QTL檢測，同時以鹽、堿脅迫和自然條件為環(huán)境因素的QTL檢測報道較少。而且從統(tǒng)計上來看，同時分析多個環(huán)境下的數(shù)據(jù)，能夠增強QTL檢測強度，精準估計QTL的位置和效應[38]。本研究還進行了2年檢測，驗證2年重復表達的QTL，進一步提高定位的準確性。

ICIM和MCIM的分析結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，ICIM所得到的QTL基本包括了MCIM的分析結(jié)果，ICIM定位結(jié)果更多，貢獻率也高于MCIM。其原因可能是MCIM對加性、上位性以及與環(huán)境互作效應的綜合分析的結(jié)果[39]。QTL的作圖原理都是數(shù)學統(tǒng)計中的概率事件。雖然ICIM發(fā)現(xiàn)QTL得能力優(yōu)于MCIM[40]，但還不能排除其可能存在假陽性的可能。MCIM的綜合分析，可能更符合實際的遺傳規(guī)律[39]。但是任何單一的作圖方法真實性都需要加以驗證，故本研究采用雙作圖方法，認為共同發(fā)現(xiàn)的QTL可信度較高。

3.3 與前人耐鹽堿性QTL分析結(jié)果的比較

本研究耐鹽堿性定位結(jié)果與前人研究比較發(fā)現(xiàn)（表3），部分大田生育期耐鹽性相關性狀QTL與苗期耐鹽堿性處在相同區(qū)間或相臨區(qū)間，但還是有部分QTL結(jié)果處于不同的區(qū)間。水稻的苗期和大田生育期的耐鹽堿性可能存在一定聯(lián)系，但也保持著一定獨立關系。

定位在第1染色體上的qPN1-1在多個環(huán)境下定位到而且貢獻率高達8.76%—16.68%，這與邢軍等[18]的定位結(jié)果一致，并且環(huán)境互作效應值較低，表示該QTL受環(huán)境影響不明顯。這也符合了當QTL的自身的加性效應較強，環(huán)境互作不明顯的規(guī)律。而且還發(fā)現(xiàn)對提高冷、熱、鹽和干旱脅迫忍耐力有關的已克隆基因OsGSK1[6]也在該區(qū)間，這些證據(jù)表明該區(qū)間可能存在控制水稻耐鹽堿有關的基因。qGW7的定位結(jié)果與LIN等[12]結(jié)果一致，只在自然條件下檢測到并沒有在鹽、堿環(huán)境下檢測到，可能對鹽堿環(huán)境敏感，影響了他們的表達。qPN3-3的定位結(jié)果與MOHAMMADI等[43]一致，與有利于長日照下粳稻早開花，調(diào)控抽穗期的已克隆基因CKI/EL1[46]定位在相同區(qū)間。與粒長粒重主效控制已克隆基因 GS3[47]定位在相鄰區(qū)間。qRSS12的定位結(jié)果與LI等[48]一致，與在細胞壁的形成和植株生長過程中發(fā)揮著重要的作用的已克隆基因OsCSLD4[48]定位在在相鄰區(qū)間

qPN3-3和qPW11既能在鹽環(huán)境下檢測到又能在堿環(huán)境下檢測到，表明鹽和堿脅迫之間存在共同遺傳機制。而qPN1-1和qRPN1-1只在鹽環(huán)境下檢測到，qPN11-2和qRSS12只在堿環(huán)境下檢測到，卻又揭示2種脅迫可能存在獨立的遺傳機制，2種脅迫間的關系需要進一步研究。這些QTL能在多種環(huán)境、不同性狀或者不同的遺傳背景下都定位到，是遺傳表現(xiàn)穩(wěn)定且可靠的QTL，對分子標記輔助選育耐鹽堿的水稻品種有應用價值。此外，本研究檢測到的qRPN10、qRPN12、qGW11、qRGW3-2、qRPW3、qPW11和qRPW11-1在前人的報道中未被檢測到，可能是新的 QTL位點。qPW11同時在鹽、堿脅迫和自然條件下2年重復檢測到，并且貢獻率高達7.94%—20.13%，但在自然條件下的貢獻率要低于鹽、堿脅迫下檢測到的貢獻率，可能是因為鹽堿脅迫促進了QTL表達，qPW11由雙作圖方法共同檢測到，還與qPW1-3存在上位性互作效應，推斷該QTL可能是1個同時控制耐鹽和耐堿性的主效QTL。

另外相同區(qū)間定位到的不同QTL，第1染色體上同一區(qū)間RM5—RM9定位到qPN1-1、qRPN1-1、qSS1-1、qRSS1和qPW1-2，在RM243—RM580定位到的qSS1-2和qPW1-1，在第11染色體上同一區(qū)間RM25986—RM3225定位到的qGW11、qRPW11-1、qPW11，在第12染色體上同一區(qū)間RM1310—RM1264定位到qRPN12和qRSS12，可能存在一因多效性或遺傳連鎖。這就可以解釋產(chǎn)量性狀之間的相互關聯(lián)性，產(chǎn)量相關的不同性狀可能存在著共同的遺傳基礎[49]。

3.4 水稻耐鹽堿相關性狀 QTL上位性與環(huán)境互作效應分析

單純的定位單個加性 QTL不能全面的反映出QTL對性狀調(diào)節(jié)的真實效應。因為一個性狀可能需要不同的基因共同調(diào)節(jié)[50-51]，并且環(huán)境條件也能影響其表達。本試驗定位結(jié)果也表明同一個性狀定位的QTL分布在不同染色體上，且QTL之間存在上位性互作效應和環(huán)境互作效應，它們共同決定了QTL的主效應。環(huán)境互作效應的存在也解釋了數(shù)量性狀易受環(huán)境影響的現(xiàn)象。qPW1-3/qPW11、qRPN1-1/qRPN1-2是2對控制同一性狀的加性QTL之間發(fā)生上位性效應，共同調(diào)節(jié)同一性狀。這種多個基因共同調(diào)節(jié)同一性狀的現(xiàn)象，可能對遺傳的穩(wěn)定性有一定作用。QTL研究中如若忽略了上位性和環(huán)境互作效應，那么，QTL的效應將無法被正確估計[52]。

本研究利用RIL群體進行2年產(chǎn)量相關性狀定位，目的是定位出耐鹽堿的產(chǎn)量性狀 QTL，需要繼續(xù)重復鑒定，準確定位QTL位點。可以考慮提高標記數(shù)目，復雜化數(shù)學模型，提高QTL定位精度，再配合常規(guī)育種手段實現(xiàn)分子標記輔助育種，大力促進耐鹽堿性和高產(chǎn)2種優(yōu)良性狀結(jié)合。針對2年多環(huán)境2種作圖方法共同發(fā)現(xiàn)的qPW11，可以考慮培育近等基因系群體進行精細定位，為克隆耐鹽堿基因做準備。另外，值得關注的是多重逆境脅迫下的水稻遺傳機理，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，土壤的鹽堿化一般伴隨著干旱，且干旱的地區(qū)鹽堿化也更為嚴重[53]，故聯(lián)合干旱和鹽堿多重逆境探究同時控制耐旱性和耐鹽堿性的 QTL也相當有實際意義。

4 結(jié)論

鹽脅迫和堿脅迫都能影響水稻的產(chǎn)量相關性狀，但二者是性質(zhì)有所差別的2種脅迫，堿脅迫破壞更強，降低產(chǎn)量更明顯。

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（責任編輯 李莉）

QTL Mapping and QTL × Environment Interaction Analysis of Salt and Alkali Tolerance-Related Traits in Rice（Oryza sativa L.）

LIANG YinPei, SUN Jian, SUO YiNing, LIU HuaLong, WANG JingGuo, ZHENG HongLiang, SUN XiaoXue, ZOU DeTang
(Rice Research Institute, College of Agriculture, Northeast Agricultural University, Harbin 150030)

【Objective】Experiments were carried out in 2014 and 2015 to study the yield related traits in rice under salt andalkaline stress in order to explore the QTL of major genes of salt and alkaline tolerance, and analyze the interaction effects between QTL and environment, thus revealing the genetic mechanism of panicle number per plant, seed setting rate, thousand grain weight and panicle weight per plant in rice under salt and alkaline stress. The results of the present study will provide a scientific basis for the rice genetic mechanism of salt and alkaline tolerance and molecular marker assisted breeding. 【Method】The recombinant inbred line (RIL) population derived from a cross between Dongnong 425 (DN425) with high yielding ability and quality as the female parent and Changbai 10 (CB10) with salt and alkaline tolerance as the male parent. A genetic linkage map was constructed with 120 SSR markers. The panicle number per plant, seed setting rate, thousand grain weight and panicle weight per plant in rice were measured under 6ds·m-1NaCl solution of salt stress, Na2CO3solution (pH = 9.0) of alkaline stress and the normal water irrigation as control conditions during the whole growing period in 2014 and 2015. The additive quantitative trait loci（QTL）analysis was conducted by using the complete interval mapping method (ICIM)，the additive and epistatic QTL×environment interaction effects was analyzed by using the mixed composite interval mapping method (MCIM). 【Result】Compared with the salt stress, the alkaline tolerant traits of rice decreased significantly, and were more sensitive to the alkaline stress, the alkaline stress was more restrictive to the high-yield and stable-yield in 2014 and 2015. Under the condition of alkaline stress for two years, no significant correlation was found between the traits of salt stress. There may be genetic differences in rice under salt stress and alkaline stress. By using ICIM, a total of 61 additive QTLs for salt and alkali tolerance-related traits were detected, which were distributed on chromosomes 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 10, 11 and 12. By using MCIM, a total of 17 the additive QTL×environment interaction effects QTLs for salt and alkali tolerance-related traits were detected, which were distributed on chromosome 1, 3, 5, 7, 8, 9, 11 and 12. By using ICIM, qPN1-1 which was repeatedly detected under both natural and salt stress conditions for two years, qPN11-2 which was repeatedly detected only under alkaline stress conditions for two years, qPN3-3 which was repeatedly detected under both salt and alkaline stress conditions for two years, qRPN1-1 which was repeatedly detected under both natural and salt stress conditions for two years, qGW7 which was repeatedly detected only under natural conditions for two years and qPW11 which was repeatedly detected under salt, alkaline stress and natural conditions for two years, all of them were detected by MCIM. A new salt and alkali tolerance QTL qPW11, can explain 7.94%—20.13% of phenotypic variance. By using MCIM, a total of 13 epistatic QTL×environment interaction effects QTLs for salt and alkali tolerance-related traits were detected. Two pairs of epistatic QTLs which are related to panicle number per plant were detected have significant environmental interaction effects. Two pairs of epistatic QTLs which are related to panicle number per plant under ratio of stress and natural were detected have significant environmental interaction effects. Two pairs of epistatic QTLs which are related to seed setting rate were detected have significant environmental interaction effects, two pairs of epistatic QTLs which are related to seed setting rate under the ratio of stress and natural conditions were detected have significant environmental interaction effects. One pairs of epistatic QTLs which are related to thousand grain weight were detected have significant environmental interaction effects. One pairs of epistatic QTLs which are related to thousand grain weight under the ratio of stress and natural conditions were detected have significant environmental interaction effects. Three pairs of epistatic QTLs which are related to panicle weight per plant were detected have significant environmental interaction effects.【Conclusion】Both the salt stress and the alkaline stress could affect the yield - related traits in rice, but they are two kinds of stresses with different properties. Alkaline stress damage is more severe, and yield reduction is more significantly.

rice; salt stress; alkaline stress; yield; QTL mapping; environment interaction

2016-11-25；接受日期：2017-01-19

黑龍江省重大科技招標項目（GA14B102-02）

聯(lián)系方式：梁銀培，E-mail：747486836@qq.com。孫健，E-mail：277347680@qq.com。梁銀培和孫健為同等貢獻作者。通信作者鄒德堂，E-mail：zoudt@163.com