基于染色體片段代換系的水稻穗部性狀ＱＴＬ定位

楊旭東 趙芳明 羅洪發(fā) 趙福勝 潘清潔 張治海 查仁明

摘 要：水稻穗部性狀與產(chǎn)量直接相關(guān)，篩選控制水稻穗部性狀的基因?qū)τ谒居N具有重要意義。本研究以日本晴為母本，染色體片段代換系Z1347為父本構(gòu)建 F2群體，用SSR標(biāo)記對(duì)穗長(zhǎng)、二次枝梗數(shù)等穗部性狀進(jìn)行了QTL定位。結(jié)果表明：Z1347的穗長(zhǎng)和二次枝梗數(shù)均顯著高于日本晴，但兩者的一次枝梗數(shù)無(wú)差異;SSR標(biāo)記檢測(cè)出5個(gè)QTL，其分布于水稻第1、6、7和 11染色體上，其中與穗長(zhǎng)相關(guān)的qPL1、qPL6、qPL7和qPL11等4個(gè)QTL，分別與RM5389、RM2126、RM6063和RM457連鎖，與二次枝梗數(shù)相關(guān)的QTL （qNSB7）與RM6063連鎖。5個(gè)QTL中，qPL11和qNSB7可能為新的位點(diǎn)，可在后續(xù)試驗(yàn)中加強(qiáng)其遺傳效應(yīng)的研究，為進(jìn)一步的分子輔助育種提供參考。

關(guān)鍵詞：QTL;染色體片段代換系;穗部性狀;水稻

Abstract：Rice panicle traits are directly related to yield. Screening out the genes that control rice panicle traits are important for analyzing the molecular mechanisms and breeding of their cultivars. In this study， Nipponbare and the chromosome fragment substitution line Z1347 were used as the female parent and male parent to construct the F2 population. QTL mapping of panicle traits of panicle length， number of primary branches and number of secondary branches were performed using SSR markers. The results showed that the number of panicle length and secondary branches of Z1347 were significantly higher than that of Nipponbare. However， there was no difference in the number of primary branches between two cultivars. SSR markers detected 5 QTLs which were distributed on chromosomes 1， 6， 7， and 11. Among them， 4QTLs （qPL1， qPL6， qPL7， and qPL11）related to the panicle length were linked to RM5389， RM2126， RM6063 and RM457， respectively. The QTL of qNSB7 related to the secondary branch number was linked to RM6063. Among the 5 QTLs， qPL11 and qNSB7 might be new location， which can be used to strengthen the research of their genetic effects in subsequent experiments and provide references for further molecular-assisted design breeding.

Keywords：quantitative trait locus; chromosome segment substitution lines; panicle trait; Oryza sativa.

水稻是全球最重要的糧食作物之一[1]，提高產(chǎn)量是水稻育種的重要目標(biāo)。水稻產(chǎn)量經(jīng)歷了由高稈到矮稈，由常規(guī)稻到雜交稻的兩次飛躍。但自上世紀(jì)九十年代以來(lái)，水稻產(chǎn)量提高緩慢。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，分子育種越來(lái)越受到人們重視，已成為研究作物育種的重要方法，是提高產(chǎn)量的重要途徑。水稻穗部性狀包括穗長(zhǎng)、一次枝梗數(shù)、二次枝梗數(shù)以及穗粒數(shù)和千粒重等，決定了產(chǎn)量的高低。穗部性狀屬數(shù)量遺傳性狀，由多個(gè)基因控制，其相關(guān)基因的鑒定和分離是水稻分子設(shè)計(jì)育種的前提和基礎(chǔ)。因此，發(fā)掘水稻穗部相關(guān)基因，對(duì)于相關(guān)分子機(jī)制的解析及其品種選育具有重要意義[2]。前人檢測(cè)出不少水稻穗部性狀QTL，主要包括穗長(zhǎng)、一次枝梗數(shù)和二次枝梗數(shù)[3-6]，定位結(jié)果存在較大差異。定位分別使用F2[4-6]、重組自交系[7]、DH[8]和回交[9]等群體。據(jù)作者統(tǒng)計(jì)，穗長(zhǎng)定位于水稻第1～12染色體上，其中第4、6染色體上最多;一次枝梗數(shù)QTL定位于第1～8、10～12染色體上等，其中第4、8染色體上最多;二次枝梗數(shù)QTL定位于第1～4、6～7、9、11～12染色體上，其中第1、6染色體上較多。我國(guó)利用水稻染色體片段代換系（CSSL）進(jìn)行QTL定位的研究比較多，特別是穗部性狀。朱文銀等[10]定位了落粒性QTL，張晨昕等[11]定位出株高、有效穗數(shù)和穗長(zhǎng)QTL，崔國(guó)慶等[12]鑒定出穗長(zhǎng)、一次枝梗數(shù)和二次枝梗數(shù)QTL，鄧世峰[13]鑒定出穗長(zhǎng)QTL，馮飛翀[14]鑒定出穗長(zhǎng)、株高和千粒重QTL等。CSSL群體內(nèi)整個(gè)基因組僅在代換片段中不同，通常只有一個(gè)或幾個(gè)不同，其與受體親本間存在差異，即遺傳背景上的代換片段，進(jìn)行QTL定位時(shí)，QTL定位結(jié)果在消除其背景干擾的前提下更精確。本研究以日本晴為母本，Z1347為父本構(gòu)建含有310個(gè)單株的F2群體，用SSR標(biāo)記對(duì)部分穗部性狀進(jìn)行QTL定位，為挖掘水稻穗部相關(guān)基因，開(kāi)展理想株型的分子育種提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

QTL定位F2群體是以日本晴為母本、染色體片段代換系Z1347為父本構(gòu)建。Z1347是利用日本晴為受體親本、西恢18號(hào)為供體親本，增加經(jīng)分子標(biāo)記雙重選擇獲得。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 材料種植

2016年在重慶，以日本晴為母本，Z1347為父本雜交，收獲F1并于秋季在海南種植，在收獲F2種子后，2017年3月在重慶播種親本及F2群體。4月移栽，行株距分別為26.7cm和16.7cm，單本定植，采用常規(guī)大田管理。成熟后，隨機(jī)收獲親本各10株以及310個(gè)F2單株，風(fēng)干后考察穗長(zhǎng)、一次枝梗數(shù)、二次枝梗數(shù)等田間農(nóng)藝性狀。測(cè)定穗長(zhǎng)、一次枝梗數(shù)、二次枝梗數(shù)時(shí)用每株全部有效穗的平均值，其中日本晴和Z1347農(nóng)藝性狀數(shù)據(jù)使用Excel和SPSS軟件進(jìn)行親本性狀方差和F2群體性狀分布分析。

1.2.2 QTL定位

運(yùn)用CTAB法提取親本以及310個(gè)F2單株的DNA，然后進(jìn)行PCR擴(kuò)增和非變性聚丙烯酰胺凝膠電泳和銀染染色[15]。與日本晴帶型一致的帶型標(biāo)記為“-1”，與Z1347帶型一致的標(biāo)記為“1”，具有雙親的帶型標(biāo)記為“0”，缺失帶型標(biāo)記為“.”。將310個(gè)F2單株的各性狀平均值及標(biāo)記值一起用于QTL定位。在SAS統(tǒng)計(jì)軟件上，利用HPMIXED程序的限制性最大似然（REML）法（略加修改）定位QTL，以P<0.05為閾值，決定一個(gè)QTL是否與代換片段上的某標(biāo)記連鎖[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 親本穗部性狀表型差異

群體親本Z1347的穗長(zhǎng)和二次枝梗數(shù)顯著高于日本晴，但二者一次枝梗數(shù)無(wú)差異。

2.2 F2群體穗部性狀分布

穗長(zhǎng)、一次枝梗數(shù)和二次枝梗數(shù)3個(gè)穗部性狀在F2群體中均呈正態(tài)分布，表明它們都是數(shù)量性狀，見(jiàn)圖1。本研究選擇的親本日本晴與Z1347在穗長(zhǎng)和二次枝梗數(shù)上有顯著差異。此外，Z1347與受體日本晴存在16個(gè)代換片段的差異，其他部分與受體日本晴一致，因此，以受體日本晴為母本與染色體片段代換系Z1347為父本雜交所構(gòu)建的F2群體可減少個(gè)體間的遺傳背景干擾，能夠滿足QTL作圖群體在數(shù)量性狀方面的要求。

2.3 QTL定位分析

選用代換片段中的SSR標(biāo)記，對(duì)穗部性狀進(jìn)行QTL定位。QTL的命名方法為在q后面加上性狀英文字母縮寫(xiě)，再加上QTL所定位的染色體，若用以染色體上存在2個(gè)以上的位點(diǎn)，按順序表以1、2等。

QTL結(jié)果如圖2、表2所示，有5個(gè)QTL影響穗部性狀。其中有4個(gè)影響穗長(zhǎng)的QTL，分別是qPL1、qPL6、qPL7和qPL11，它們分別位于第1、6、7和11染色體，均為主效QTL，分別與RM5389、RM2126、RM6063和RM457連鎖，估計(jì)效應(yīng)分別是-0.49、-0.50、1.37和0.58，貢獻(xiàn)率分別為4.70%、5.03%、37.32%和6.76%，從估計(jì)效應(yīng)和貢獻(xiàn)率看，qPL7是一個(gè)主效QTL。

有一個(gè)影響二次枝梗數(shù)的QTL，即qNSB7，位于第7染色體，為主效QTL，連鎖標(biāo)記為RM6063，估計(jì)效應(yīng)為5.23，貢獻(xiàn)率為19.88%。

3 結(jié)論與討論

穗部性狀是十分復(fù)雜且重要的數(shù)量性狀[16]。代換系Z1347與日本晴在穗長(zhǎng)和二次枝梗數(shù)上具有顯著差異，而在一次枝梗數(shù)上無(wú)顯著差異，3個(gè)穗部性狀在F2群體中均呈正態(tài)分布，這與大多數(shù)研究結(jié)果一致[17-18]。

在該研究中，共定位出5個(gè)穗長(zhǎng)和二次枝梗數(shù)QTL。與以往的研究結(jié)果相比，發(fā)現(xiàn)qPL1、qPL6與劉穎[19]檢測(cè)出的qPL1-2、qPL6-1的定位區(qū)間接近，且qPL1（-0.49）與qPL1-2（-0.66）的貢獻(xiàn)率也接近，基因相同;qPL7與李靜[20]定位到的qPL7.1區(qū)間相近。本研究中的穗長(zhǎng)qPL7與二次枝梗數(shù)qNSB7均位于第7染色體上，均與RM6063連鎖。兩個(gè)QTL的貢獻(xiàn)率都比較大，存在QTL的多效性。穗長(zhǎng)和二次枝梗數(shù)QTL的貢獻(xiàn)率比較大這一結(jié)果，與劉欣等人[21]的研究結(jié)論一致。

本研究共定位到5個(gè)穗部性狀QTLs，并且qPL11和qNSB7的基因位置均未見(jiàn)報(bào)道，可能為新的位點(diǎn)，可在后續(xù)試驗(yàn)中加強(qiáng)其遺傳效應(yīng)的研究，為分子輔助育種提供參考。

參 考 文 獻(xiàn)：

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