非洲栽培稻堊白粒率耐熱性QTL的定位

曹志斌 李瑤 曾博虹 毛凌華 蔡耀輝 吳曉峰,* 袁林峰,*

非洲栽培稻堊白粒率耐熱性QTL的定位

曹志斌1, #李瑤2, #曾博虹1毛凌華1蔡耀輝1吳曉峰1,*袁林峰1,*

[1江西省超級水稻研究發(fā)展中心/國家水稻工程實(shí)驗(yàn)室(南昌), 南昌 330200；2江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料與資源環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)部長江中下游作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南昌 330200;#共2同第一作者；*通信聯(lián)系人, E-mail: yuanlf2003@sina.com; jxnkzy208@163.com]

【】本研究旨在定位一個(gè)稻米堊白粒率高溫耐性QTL，為外觀品質(zhì)育種及解析堊白粒率高溫耐性的遺傳機(jī)制提供依據(jù)。以非洲栽培稻耐熱品種IRGC102309(Steud.)和秈稻品種R9311(L. subsp.Kato)為親本構(gòu)建的栽培稻種間染色體片段導(dǎo)入系CSIL05-23為材料構(gòu)建次級分離群體，結(jié)合人工氣候室模擬灌漿期高溫脅迫處理，采用堊白粒率高溫鈍感值為評價(jià)指標(biāo)，對非洲栽培稻堊白粒率高溫耐性 QTL 進(jìn)行檢測。在BC6F2分離群體，利用單標(biāo)記分析，發(fā)現(xiàn)第5染色體上的SSR標(biāo)記RM1200與堊白粒率耐熱性狀極顯著正相關(guān)（=0.0005）。進(jìn)一步利用BC6F3和BC6F4分離群體，采用QTL Cartographer 2.5軟件和復(fù)合區(qū)間作圖法在水稻第5染色體上的SSR標(biāo)記RM1200?RM5796區(qū)間重復(fù)檢測到一個(gè)灌漿期堊白粒率耐熱性QTL, 命名為，分別解釋11.4%和17.5%表型變異。根據(jù)BC6F4分離群體的純合重組體表型分組，利用置換作圖方法將目標(biāo)QTL同樣定位在SSR標(biāo)記RM1200?RM5796之間，遺傳圖距為1.3 cM，物理圖距約為333.4 kb?？刂茍装琢Ｂ誓蜔嵝缘氖且粋€(gè)能夠用于稻米外觀品質(zhì)育種的新QTL。

水稻；堊白粒率；耐熱性；數(shù)量性狀位點(diǎn)；基因定位

水稻是全球最重要的糧食作物之一，世界上將近一半人口的能量供應(yīng)與之直接相關(guān)[1]。未來全球氣候變暖的趨勢對全球水稻生產(chǎn)不利影響將日益加劇，熱帶及亞熱帶地區(qū)作物生長季節(jié)，氣溫可能會(huì)提高3~5℃，將會(huì)超過有記錄的作物生長季節(jié)性高溫極值[2]。而且高溫?zé)岷μ鞖饨?jīng)常與水稻生殖生長關(guān)鍵期相遇，在孕穗期、揚(yáng)花期以及灌漿期均有發(fā)生。因此，培育能夠適應(yīng)未來氣候變化的水稻品種，是應(yīng)對全球氣候變暖的迫切需要[3]。灌漿期對水稻籽粒產(chǎn)量與品質(zhì)形成極為關(guān)鍵。當(dāng)灌漿期遇到炎熱的氣候條件，對優(yōu)質(zhì)稻米品質(zhì)的形成很不利，當(dāng)氣溫超過35℃，籽粒的灌漿速度加快，灌漿時(shí)間縮短，出現(xiàn)高溫逼熟現(xiàn)象。產(chǎn)量方面的不利影響，主要表現(xiàn)為籽粒充實(shí)度差，千粒重顯著降低。稻米品質(zhì)方面的不利影響，主要表現(xiàn)為堊白粒率高，堊白大，整精米率下降，食味品質(zhì)變差[4-10]。

水稻灌漿期耐熱性屬于受多基因控制的復(fù)雜數(shù)量性狀，受外界環(huán)境影響明顯[11-16]。目前已有學(xué)者利用不同作圖群體及鑒定指標(biāo)結(jié)合分子標(biāo)記技術(shù)，對灌漿期耐熱性相關(guān)QTL進(jìn)行了初步定位。朱昌蘭等[17]利用Nipponbare/Kasalath//Nipponbare回交重組自交系群體，以直鏈淀粉含量為鑒定指標(biāo)，在第6和9染色體上檢測到3個(gè)QTL。以膠稠度為鑒定指標(biāo)，在第4、6、7、8、10和11染色體上分別定位到1個(gè)水稻灌漿期耐熱相關(guān)QTL。朱昌蘭等[18]利用Nipponbare/Kasalath//Nipponbare回交重組自交系群體，在第1、4和7染色體上分別定位了一個(gè)灌漿期粒重為耐熱指標(biāo)的QTL。Kobayashi 等[19]利用Hana-echizen/Niigatawase構(gòu)建的F3群體，以稻米外觀品質(zhì)性狀背白和腹白為灌漿期耐熱性鑒定指標(biāo)，共檢測到3個(gè)QTL，其中在第4及第6染色體上分別鑒定到1個(gè)白背耐熱QTL，在第6染色上定位到一個(gè)白背和基白QTL。Shirasawa等[20]利用Kokoromachi/Tohoku 168構(gòu)建的重組群體在第1和6染色體上個(gè)檢測到1個(gè)白背耐熱性QTL。Tabata等[21]利用Koshijiwase/Chiyonishiki構(gòu)建的重組自交系群體在第1、2和4染色體上共檢測到4個(gè)稻米白背耐熱性QTL。張桂蓮等[22]以耐熱水稻品系 996 和熱敏感水稻品系4628為親本構(gòu)建的重組自交系為材料，在第1、3、6、7染色體上檢測到8個(gè)堊白粒率高溫鈍感性QTL，在第1、2、4、6、7和10染色體上檢測到12個(gè)堊白大小高溫鈍感性QTL，在第1、3、7染色體上檢測到4個(gè)堊白度高溫鈍感性QTL。

目前這些定位結(jié)果主要是利用亞洲栽培稻秈稻種內(nèi)或秈粳亞種間雜交構(gòu)建的初級作圖群體分析得到的。本研究利用非洲栽培稻耐熱品種為供體親本，秈稻品種R9311為受體親本，獲得堊白粒率為17.8%的染色體片段導(dǎo)入系CSIL05-23。并通過進(jìn)一步構(gòu)建次級分離群體結(jié)合人工氣候室進(jìn)行表型鑒定，結(jié)合復(fù)合區(qū)間作圖及置換作圖法在第5染色體上定位到一個(gè)主效堊白粒率高溫鈍感 QTL。這一工作可為研究堊白粒率高溫鈍感性的遺傳機(jī)理，篩選與堊白粒率高溫鈍感性緊密連鎖的分子標(biāo)記以及下一步的育種應(yīng)用及圖位克隆打下基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 非洲栽培稻堊白粒率耐熱性QTL分析材料

利用亞洲栽培秈稻品種R9311作為受體，非洲栽培稻品種IRGC102309作為供體，2008年夏季開始連續(xù)回交5次，自交1次獲得BC5F2種子。2010年種植BC5F2群體400株，挑選20株綜合農(nóng)藝性狀良好的單株自交套袋收種。2011年冬季將中選材料海南三亞育種試驗(yàn)站加代繁殖獲得BC5F3群體。

2012年于南昌試驗(yàn)站中稻季節(jié)灌漿期（8月16~26日）經(jīng)歷自然高溫脅迫，日平均溫度不低于32℃，最高溫度不低于36℃。種植BC5F3群體134行，每行8株。成熟后單株收獲，脫殼調(diào)查堊白性狀，以播種時(shí)間推遲15 d，9月初開始灌漿的株系的堊白性狀值作為正常溫度下的表型對照。其中編號為CSIL05-23的染色體片段導(dǎo)入系，高溫脅迫處理下堊白粒率平均值為17.8%，而在正常溫度下堊白粒率平均值為17.1%，鈍感值為1.041，比值接近1，兩者差異不顯著，對高溫表現(xiàn)為強(qiáng)鈍感性，同時(shí)自交留種，冬季到海南繁殖得到BC5F4種子。將含有目的片段的染色體片段導(dǎo)入系CSIL05-23，分別于2013年、2014年、2015年種植在南昌高安基地，種植4行，行長1.2 m，株距16.5 cm，行距19.8 cm，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)2次重復(fù)。2014年夏季在南昌試驗(yàn)站種植200個(gè)BC6F2單株。2015年種植RM1200和RM5796片段雜合的BC6F2單株自交獲得的BC6F3分離群體380株，2016年種植目標(biāo)區(qū)段雜合的BC6F3單株自交獲得的BC6F4群體420株。上述分離群體單株，待幼穗分化至6期左右，帶泥移栽至盆缽中繼續(xù)生長發(fā)育。將掛牌標(biāo)識(shí)揚(yáng)花的稻穗于花后7 d開始用人工氣候室模擬高溫脅迫14 d。然后移入正常自然條件下成熟5~7 d，調(diào)查掛牌標(biāo)識(shí)稻穗堊白粒率。

1.2 人工氣候室高溫脅迫處理

人工氣候室（北京易盛泰和科技）模擬高溫脅迫的條件為8:00–17:00，控制在38.0℃±0.5℃，其余時(shí)間均為25.0℃±0.5℃。正常對照條件為8:00–17:00控制在32.0℃±0.5℃，其余時(shí)間均為25.0℃±0.5℃。所有處理的相對濕度均為75%±5%；光照時(shí)間為14 h，光照強(qiáng)度為20 000～25 000 lx。

1.3 堊白粒率高溫耐性表型測定

利用JSE-II稻米堊白觀測儀考察表型。取整精米100粒，置于觀測板上觀察，挑選有堊白（包括心白、腹白、背白）的米粒，計(jì)平均值作為堊白粒率。以堊白粒率高溫鈍感值（insensitivity value）表示堊白粒率耐熱性。堊白高溫鈍感值的計(jì)算參照鐘秉強(qiáng)等[23]方法，鈍感值（IV）=1/2，其中1，2分別為高溫脅迫下和正常溫度條件下的堊白粒率。從理論上講，鈍感值越接近1，該性狀越耐高溫。

1.4 DNA提取，PCR擴(kuò)增及多態(tài)性標(biāo)記篩選

應(yīng)用CTAB法[24]提取DNA，本實(shí)驗(yàn)室根據(jù)Gramene數(shù)據(jù)庫(http://www.gramene.org)選擇SSR引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增，擴(kuò)增體系為10 μL，DNA模板l μL。

PCR擴(kuò)增條件為：94℃下預(yù)變性5 min；94℃下變性30 s，57℃下復(fù)性30 s，72℃下延伸1 min；35個(gè)循環(huán)后，72℃下再延伸10 min。擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)非變性聚丙烯酞胺凝膠電泳，凝膠濃度為6%，電泳緩沖液為0.5倍TBE，220 V恒壓電泳1 h，并銀染顯色。

1.5 QTL分析

根據(jù)Mapmaker/Exp 3.0b軟件[25]分析多態(tài)性標(biāo)記之間的連鎖遺傳關(guān)系, 構(gòu)建局部連鎖遺傳圖譜。設(shè)定最小LOD值為3.0, 根據(jù)Kosambi函數(shù)[26]將分子標(biāo)記重組率換算成遺傳圖距(cM), 遺傳圖距最大值為50 cM。利用Windows QTL Cartographer 2.5[27]檢測目的性狀QTL。利用復(fù)合區(qū)間作圖法(composite interval mapping, CIM)[28]，取LOD值2.5為 QTL存在的閾值,利用模型6進(jìn)行分析。用SAS統(tǒng)計(jì)軟件對標(biāo)記與性狀進(jìn)行單標(biāo)記相關(guān)性分析。根據(jù)多態(tài)性分子標(biāo)記對群體單株的基因型檢測結(jié)果將數(shù)據(jù)分組。利用SAS統(tǒng)計(jì)軟件中方差相同的測驗(yàn)檢驗(yàn)組間平均數(shù)的差異，確定單標(biāo)記與性狀的相關(guān)性[29]。通過差異顯著性分析，判斷控制數(shù)量性狀的QTL是否與標(biāo)記連鎖。2是標(biāo)記能夠解釋性狀表型變異的比例，由表型性狀與標(biāo)記的回歸方程中的決定系數(shù)決定[30]。QTL命名方法參照McCouch等制定的規(guī)則[31]。

2 結(jié)果與分析

2.1 染色體片段導(dǎo)入系CSIL05-23高溫脅迫及常溫條件下堊白粒率表現(xiàn)

CSIL05-23在田間高溫脅迫和人工氣候室模擬高溫脅迫條件下堊白粒率分別為17.8%和18.4%，顯著低于受體親本R9311，R9311分別為55.5%和56.8%(圖1-A)。CSIL05-23在田間高溫脅迫和人工氣候室模擬高溫脅迫條件下堊白粒率高溫鈍感值分別為1.04和1.07，R9311分別為2.25和2.30(圖1-B)。

2.2 堊白粒率耐熱性QTL的初步鑒定

由表1可知，BC6F2群體中堊白粒率高溫鈍感值表現(xiàn)出極顯著差異，且變異幅度較大，存在顯著的超親分離。因此推測非洲栽培稻片段含有降低堊白粒率高溫鈍感值的優(yōu)異等位基因，且這些優(yōu)異位點(diǎn)已在亞洲栽培秈稻中發(fā)生了重組并引起了群體表型的變異。偏度和峰度的絕對值均小于1，認(rèn)為堊白粒率高溫鈍感值表型均符合正態(tài)分布，呈多基因控制的數(shù)量性狀遺傳特點(diǎn)。

從Gramene數(shù)據(jù)庫(http://www. gramene.org) 中選擇均勻覆蓋水稻基因組的430對多態(tài)性SSR引物對CSIL05-23和R9311進(jìn)行PCR擴(kuò)增，獲得3對具多態(tài)性SSR標(biāo)記，分別為RM488(Chr. 1)，RM5460(Chr. 2)，RM1200(Chr. 5)。利用這3個(gè)SSR標(biāo)記對200個(gè)BC6F2分離單株進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)3個(gè)標(biāo)記基因型均發(fā)生分離。根據(jù)分子標(biāo)記結(jié)果將數(shù)據(jù)分組，利用方差相同的測驗(yàn)檢驗(yàn)組間平均數(shù)的差異，確定標(biāo)記與堊白粒率高溫鈍感性狀的連鎖關(guān)系，發(fā)現(xiàn)第5染色體上RM1200與堊白粒率高溫鈍感值呈極顯著正相關(guān)（=0.0005）。該標(biāo)記位點(diǎn)的非洲栽培稻增效基因能夠顯著提高堊白粒率高溫鈍感性，解釋9.4%的表型變異。

**差異極顯著(p<0.01), t檢驗(yàn)。

Fig. 1. Comparison of heat tolerance of chalky grain rate of CSIL05-23 and R9311 in field and artificial climatic chambers.

表1 親本及BC6F2、BC6F3、BC6F4群體堊白粒率高溫鈍感值的表型變異

表2 BC6F3與BC6F4世代灌漿期高溫脅迫后堊白粒率耐熱性QTL分析

IV indicates insensitive value of heat tolerance of chalky grain rate. X1and X2indicate chalky grain rate under heat stress condition and normal condition, respectively.

2.3 堊白粒率耐高溫QTL復(fù)合區(qū)間作圖

為了進(jìn)一步消除遺傳背景的影響，有效確定目標(biāo)QTL的位置和遺傳效應(yīng)。在BC6F2分離群體中利用RM488、RM5460和RM1200進(jìn)行滲入片段標(biāo)記基因型鑒定，將RM488和RM5460基因型為輪回親本純合基因型，而目標(biāo)滲入片段RM1200為雜合基因型的BC6F2單株自交，獲得BC6F3和BC6F4次級分離群體進(jìn)行分析。如表1所示，群體間差異達(dá)到極顯著水平并存在明顯的超親分離現(xiàn)象。2個(gè)世代堊白粒率耐熱性狀的鈍感值均符合正態(tài)分布，呈多基因控制的數(shù)量性狀遺傳特點(diǎn)。

根據(jù)Gramene數(shù)據(jù)庫, 在第5染色體目標(biāo)區(qū)域附近挑選并合成25對SSR引物進(jìn)行多態(tài)性篩選, 共獲得8對多態(tài)性SSR標(biāo)記。將這些具多態(tài)性的引物進(jìn)一步分析整個(gè)BC6F3群體，應(yīng)用Mapmaker/Exp 3.0軟件構(gòu)建分子遺傳圖譜，該漸滲片段長10.3 cM，標(biāo)記間平均距離為1.5 cM(圖2)。

應(yīng)用 QTL Cartographer 2.5軟件，采用復(fù)合區(qū)間作圖法對BC6F3單株及BC6F4群體堊白粒率高溫鈍感值，高溫脅迫處理下堊白粒率、正常溫度處理下堊白粒率分別進(jìn)行了QTL分析(表2)，三個(gè)指標(biāo)性狀在2個(gè)世代相同標(biāo)記RM1200?RM5796區(qū)間都定位到目標(biāo)QTL，增效基因來源于非洲栽培稻。針對目標(biāo)QTL(a QTL for heat tolerance of chalky grain rate)以堊白粒率高溫鈍感值為鑒定指標(biāo)進(jìn)行QTL分析，發(fā)現(xiàn)在2個(gè)世代分別可以解釋11.3%，17.5%的表型變異。以高溫脅迫處理下堊白粒率X1為鑒定指標(biāo)進(jìn)行QTL分析，發(fā)現(xiàn)在2個(gè)世代分別可以解釋9.5%，16.7%的表型變異。以高溫脅迫處理下堊白粒率為鑒定指標(biāo)進(jìn)行QTL分析，發(fā)現(xiàn)在2個(gè)世代分別可以解釋9.5%，16.7%的表型變異。正常溫度處理下堊白粒率為鑒定指標(biāo)進(jìn)行QTL分析，發(fā)現(xiàn)在2個(gè)世代分別可以解釋12.6%、16.5%的表型變異。

左右箱線圖分別表示來自BC6F3和BC6F4群體的1 LOD 和2 LOD 似然區(qū)間位置。

Fig. 2. Genetic linkage map and likelihood intervals for QTL associated with heat tolerance of chalky grain rate.

2.4 利用置換作圖方法定位

利用上述8個(gè)SSR標(biāo)記對430個(gè)BC6F4單株分析，在RM1200和RM5796之間總共得到90個(gè)交換單株，通過連鎖分析構(gòu)建了目標(biāo)區(qū)域染色體片段置換圖（圖3）。根據(jù)交換單株標(biāo)記基因型信息，將90個(gè)交換單株中部分純合體按交換位置信息分為14組。利用置換作圖的方法分別利用高溫脅迫處理下堊白粒率（X1）、正常溫度處理下堊白粒率（X2）、堊白粒率高溫鈍感值（IV）三個(gè)指標(biāo)性狀對進(jìn)行定位。重組體G1~G7分別攜帶RM592到RM4777逐漸遞減的IRGC102309純合漸滲片段。G1~G6純合重組體與R9311之間比較在X1、X2和IV性狀上均存在顯著差異(<0.05)，與CSIL05-23比較在X1、X2和IV性狀上差異不顯著。G7純合重組體與R9311之間比較在X1、X2和IV性狀上差異不顯著，與CSIL05-23比較在X1、X2和IV性狀上差異顯著(<0.05)。因此，根據(jù)G1~G6和G7純合重組體與對照之間的差異顯著性分析結(jié)果把堊白粒率高溫鈍感QTL界定在RM1200的下游。G8~G14分別攜帶從RM1200到RM405逐漸遞減的IRGC102309純合漸滲片段。其中，G8純合重組體與R9311比較，在X1、X2和IV性狀上差異顯著(<0.05)，與CSIL05-23比較在X1、X2和IV性狀上差異不顯著。G9~G14純合重組體與R9311比較，在1、2和IV性狀上差異不顯著，與CSIL05-23比較在1、2和IV性狀上差異顯著(<0.05)。因此，G8和G9~G14純合重組體與對照親本比較結(jié)果把堊白粒率高溫鈍感QTL界定在RM5796的上游。這些研究結(jié)果表明位于SSR標(biāo)記RM1200–RM5796之間，遺傳距離為1.3 cM，物理距離約為333.4 kb。

由380個(gè)BC6F3單株的分析數(shù)據(jù)構(gòu)建QTL區(qū)域的連鎖圖。BC6F4純合重組體的后代在灌漿期模擬高溫逆境處理后, 根據(jù)堊白粒率及鈍感值（IV=X1/X2）調(diào)查結(jié)果將qHTCGR5定位在RM1200和RM5796之間, 根據(jù)基因型將90個(gè)重組體分為14組。每組的重組體數(shù)目及與R9311和染色體片段導(dǎo)入系CSIL05-23之間的堊白粒率高溫鈍感表型差異顯著性在右邊標(biāo)出。“a”表示重組體與R9311的表型值在0.05水平無顯著差異：“b”表示重組體與CSIL05-23的表型值在0.05水平無顯著差異。

Fig. 3. Mapping ofby a substitution mapping strategy.

3 討論

非洲栽培稻與亞洲栽培稻同屬AA基因組的不同種，兩者在進(jìn)化中屬于獨(dú)立起源種，并且存在明顯的生殖隔離現(xiàn)象。需要構(gòu)建染色體片段導(dǎo)入系或近等基因系來克服種間不育問題。目前通過傳統(tǒng)回交結(jié)合現(xiàn)代生物技術(shù)手段已經(jīng)能夠有效挖掘利用非洲栽培稻的種質(zhì)特性。非洲栽培稻在當(dāng)?shù)刈匀贿x擇及進(jìn)化過程中，已經(jīng)具備適應(yīng)或抵抗高溫?zé)岷?、澇害、干旱、耐鹽堿及各種病蟲害特性，對亞洲栽培稻品種改良具有重要意義。本研究利用構(gòu)建的QTL-CSIL群體為鑒定堊白粒率耐熱性QTL提供了豐富的遺傳信息。除了證實(shí)控制目的性狀的非洲栽培稻等位基因，在不同世代的遺傳效應(yīng)穩(wěn)定及方向一致外，而且通過消除背景噪音將的遺傳效應(yīng)值大小進(jìn)行準(zhǔn)確的評估。很顯然利用復(fù)合區(qū)間作圖法分析F2群體對這些QTL遺傳效應(yīng)估計(jì)的準(zhǔn)確性是不足的，實(shí)際上目前水稻耐熱QTL克隆的成功例子也是得益于高質(zhì)量近等基因系的培育[32]。

在籽粒灌漿期遇到高溫脅迫會(huì)導(dǎo)致灌漿速率加快，導(dǎo)致籽粒堊白粒率、堊白大小、堊白度顯著增加。堊白相關(guān)性狀受多個(gè)基因/QTL 位點(diǎn)協(xié)同調(diào)控表達(dá)，并且與外界環(huán)境因素存在明顯的互作效應(yīng)。目前第5染色體上堊白性狀QTL的定位研究已有報(bào)道，且都是在田間自然條件下鑒定得到的。Liu等[33]利用2個(gè)粳稻品種Koshihikari和C602雜交、自交構(gòu)建了261個(gè)重組自交系(F8)進(jìn)行堊白性狀QTL分析，在第5染色體上鑒定到一個(gè)堊白粒率QTL，定位在RM289和RM3437之間，解釋18.2%的表型變異。高方遠(yuǎn)等[34]利用秈稻保持系骨干親本崗46B與美國水稻品種Lemont多次回交培育的低堊白、窄粒株系K1075與崗46B構(gòu)建F2群體, 對堊白粒率進(jìn)行QTL分析，將第5染色體上的堊白粒率QTL定位在RM18004?RM18068之間，該QTL解釋52.55%的表型變異。上述2個(gè)堊白粒率QTL與區(qū)間標(biāo)記位置均不重疊。因此是一個(gè)新的耐熱性QTL位點(diǎn)。該位點(diǎn)在BC6F3和BC6F4兩個(gè)世代被定位在同一個(gè)標(biāo)記區(qū)間，遺傳距離為1.3 cM，并且遺傳效應(yīng)值較大。這對水稻的生殖期高溫脅迫條件下外觀品質(zhì)的改良非常有意義。

置換作圖法最早由Paterson提出[35]，并成功應(yīng)用于QTL精細(xì)定位。這種方法已經(jīng)證明置換作圖是一種區(qū)分基因多效性及排除連鎖累贅的有力工具，可以為QTL的精細(xì)定位及圖位克隆打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[36-37]。CSIL05-23所含漸滲區(qū)域已被證實(shí)能夠改良受體的堊白粒率高溫耐性。在本研究BC6F4群體的置換作圖中，我們對純合交換片段都進(jìn)行了分析，對不同交換片段的作用效果進(jìn)行了評估。同時(shí)SSR標(biāo)記在確定重組位置及基因滲入?yún)^(qū)域邊界是非常有效的。與受體親本相比，通過置換作圖發(fā)現(xiàn)1.3 cM的IRGC102309滲入片段上存在能夠在正常溫度下顯著降低受體親本堊白粒率X2值的QTL，在高溫脅迫下該片段上QTL也能顯著降低受體親本堊白粒率X1值，并且堊白粒率高溫鈍感值IV接近1，表現(xiàn)為堊白粒率高溫絕對鈍感（圖2）。由于本研究人工氣候室處理群體數(shù)量有限，不能用于精細(xì)定位的大規(guī)模分離群體的表型鑒定，因此本研究置換作圖分辨率仍然不能清楚地分辨出X1，X2和IV三個(gè)性狀是由于基因連鎖導(dǎo)致，還是基因的多效性導(dǎo)致這種現(xiàn)象發(fā)生。因此，下一步將設(shè)計(jì)精細(xì)定位實(shí)驗(yàn)方案，構(gòu)建高密度局部分子標(biāo)記遺傳圖譜，增加QTL精細(xì)定位分辨率，分析上述三個(gè)性狀是否由這個(gè)區(qū)域上的同一個(gè)QTL控制，還是三個(gè)QTL緊密連鎖影響，為目標(biāo)QTL的育種應(yīng)用及相關(guān)基因克隆打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] Carriger S, Vallée D. More crop per drop[J]., 2007, 6(2): 10-13.

[2] Hockley N, Gibbons J M, Edwards-Jones G. Risks of extreme heat and unpredictability[J]., 2009, 324(5924): 177-179.

[3] Battisti D S, Naylor R L. Historical warnings of future food insecurity with unprecedented seasonal heat[J]., 2009, 323(5911): 240-244.

[4] Fitzgerald M A, McCouch S R, Hall R D. Not just a grain of rice: the quest for quality[J]., 2009, 14(3): 133-139.

[5] 森谷國男. 徐正進(jìn), 譯. 水稻高溫脅迫抗性遺傳育種研究概況[M]. 雜交水稻, 1992(1): 47-48.

Sengu G N. Translated by Xu Z J. General Research on Genetic Breeding of Resistance to High Temperature Stress in Rice[M]., 1992(1): 47-48. (in Chinese with English abstract)

[6] 李木英, 熊偉, 石慶華, 胡志紅, 潘曉華, 譚雪明. 高溫脅迫對早稻不同品種灌漿結(jié)實(shí)和稻米品質(zhì)的影響[J]. 江西農(nóng)業(yè)學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 28(4): 483-487.

Li M Y, Xiong W, Shi Q H, Hu Z H, Pan X H, Pan X M. Effect of high temperature stress on endosperm filling and grain quality of early rice varieties[J]., 2006, 28(4): 483-487. (in Chinese with English abstract)

[7] 趙海燕, 姚鳳梅, 張勇, 徐賓, 袁靜, 胡亞南, 許吟隆. 長江中下游水稻開花灌漿期氣象要素與結(jié)實(shí)率和粒重的相關(guān)性分析[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2006, 39(9): 1765-1771.

Zhao H Y, Yao F M, Zhang Y, Xu B, Yuan J, Hu Y N, Xu Y L. Correlation analysis of rice seed setting rate and weight of 1000-grain and agro-meteorology over the middle and lower reaches of the Yangtze River[J]., 2006, 39(9): 1765-1771. (in Chinese with English abstract)

[8] 李林, 沙國棟, 陸景淮. 水稻灌漿期溫光因子對稻米品質(zhì)的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)氣象, 1989, 10(3): 33-38.

Li L, Sha G D, Lu J H. Effect of temperature and light on rice quality [J]., 1989, 10(3): 33-38. (in Chinese with English abstract)

[9] 程方明, 張蒿午, 吳永常. 灌漿結(jié)實(shí)期溫度對稻米堊白形成的影響[J]. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 1996, 5(2): 31-34. Cheng F M, Zhang H W, Wu Y C. Effect of high temperature stress on chalkiness at filling stage[J]., 1996, 5(2): 31-34.

[10] Zhong L, Cheng F, Wen X, Sun Z X, Zhang G P. The deterioration of eating and cooking quality caused by high temperature during grain filling in early-season indica rice cultivars[J]., 2005, 191(3): 218-225.

[11] Mei D Y, Zhu Y J, Yu Y H, Fan Y Y, Huang D R, Zhuang J Y. Quantitative trait loci for grain chalkiness and endosperm transparency detected in three recombinant inbred line populations of indica rice[J]., 2013, 12(1): 1-11.

[12] 周立軍, 劉喜, 江玲, 鄭蕾娜, 陳亮明, 劉世家, 翟虎渠, 萬建民. 利用CSSL和BIL群體分析稻米堊白粒率QTL 及互作效應(yīng). 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 42(4): 1129-1135.

Zhou L J, Liu X, Jiang L, Zheng L N, Chen L M, Liu S J, Zhai H Q, Wan J M. Analysis of QTL and GE effects on PGWC in rice (L.) using CSSL and BIL populations., 2009, 42(4): 1129-1135. (in Chinese with English abstract)

[13] Liu X, Wang Y, Wang S W. QTL analysis of percentage of grains with chalkiness in japonica rice ()[J]., 2012, 11(1): 717-724.

[14] 晁園, 馮付春, 高冠軍, 朱雪萍, 何予卿. 利用重組自交系群體定位水稻品質(zhì)相關(guān)性狀的QTL[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 31(4): 397-403.

Chao Y, Feng F C, Gao G J, Zhu X P, He Y Q. Mapping quantitative trait loci for qualities of rice grains using a Recombinant inbred(RIL) population [J]., 2012, 31(4): 397-403. (in Chinese with English abstract)

[15] 楊亞春, 倪大虎, 宋豐順, 李澤福, 易成新, 楊劍波. 不同生態(tài)地點(diǎn)下稻米外觀品質(zhì)性狀的QTL定位分析[J]. 中國水稻科學(xué), 2011, 25(1): 43-51.

Yang Y C, Ni D H, Song F S, Li Z F, Yi C X, Chen J B. Identification of QTLs of rice appearance quality traits across different ecological sites[J]., 2011, 25(1): 43-51. (in Chinese with English abstract)

[16] 王林森, 陳亮明, 王沛然, 王卓然, 鄭海, 馬宏陽, 江玲, 趙志剛, 萬建民. 利用高世代回交群體檢測水稻堊白相關(guān)性狀 QTL[J]. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 39(2): 183-190.

Wang L S, Chen L M, Wang P R, Wang Z R, Zheng L, Ma H Y, Jiang L, Zhao Z G, Wan J M. Detecting the QTL of rice chalkiness traits using advanced backcrossing population[J]., 2016, 39(2): 183-190. (in Chinese with English abstract)

[17] 朱昌蘭. 稻低直鏈淀粉含量的遺傳及品質(zhì)形成對高溫耐性的QTL分析. 南京: 南京農(nóng)業(yè)大學(xué), 2004. Zhu C L. Identifying QTLs for thermo-tolerance of quality formation and inheritance of low amylose content in rice. Nanjing: Nanjing Agriculture University, 2004. (in Chinese with English abstract)

[18] 朱昌蘭, 肖應(yīng)輝, 王春明, 江玲, 翟虎渠, 萬建民. 水稻灌漿期耐熱害的數(shù)量性狀基因位點(diǎn)分析[J]. 中國水稻科學(xué), 2005, 19(2): 117-121.

Zhu C L, Xiao Y H, Wang C M, Jiang L, Zhai H Q, Wan J M. Mapping QTLs for heat tolerance during grain filling in rice[J]., 2005, 19(2): 117-121. (in Chinese with English abstract)

[19] Kobayashi A, Bao G, Ye S, Tomita K. Detection of quantitative trait loci for white-back and basal white kernels under high temperature stress in japonica rice varieties[J]., 200, 57(2): 107-116.

[20] Shirasawa, K. QTL analysis of high-temperature-stress tolerance in filling period based on rice grain quality[J]., 2006, 8(1): 155.

[21] Tabata M, Hirabayashi H, Takeuchi Y, Ando I. Mapping of quantitative trait loci for the occurrence of white-back kernels associated with high temperatures during the ripening period of rice(L)[J]., 2007, 57(1): 47-52.

[22] 張桂蓮, 廖斌, 唐文幫, 陳立云, 肖應(yīng)輝. 稻米堊白性狀對高溫耐性的QTL分析. 中國水稻科學(xué), 2017, 31(3): 257-264.

Zhang GL, Liao B, Tang W B, Chen L Y, Xiao Y H. Identifying QTLs for thermo-tolerance of grain chalkiness trait in rice[J]., 2017, 31(3): 257-264. (in Chinese with English abstract)

[23] 鐘秉強(qiáng), 楊正林, 冉啟良, 何光華. 美國水稻品種農(nóng)藝性狀和品質(zhì)性狀的溫度鈍感特性研究[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào), 2005, 21(2): 118-121.

Zhong B Q, Yang Z L, Ran Q L, He g H. Study on temperature insensitivity of characters of agronomy and quality in the American rice variety[J]., 2005, 21(2): 118-121. (in Chinese with English abstract)

[24] Rogers S O, Bendich A J. Extraction of DNA from plant tissues[M]. Plant molecular Biology Manual. Springer, Dordrecht, 1989: 73-83.

[25] Lander E S, Green P, Abrahamson J, Barlow A, Daly M J, Lincoln S E, Newberg L A. MAPMAKER: An interactive computer package for constructing primary genetic linkage maps of experimental and natural populations[J]., 1987, 1(2): 174-181.

[26] Kosambi D D. The estimation of map distances from recombination values[J]., 1943, 12(YRS 1943/5): 172-175.

[27] Wang S C, Basten C J, Zeng Z B. Windows QTL Cartographer 2.5. Statistical Genetics, Raleigh, NC: North Carolina State, 2012.

[28] Zeng Z B. Precision mapping of quantitative trait loci., 1994, 136: 1457-1468.

[29] 王慧, 喻德躍, 吳巧娟, 蓋鈞鎰. 大豆對斜紋夜蛾抗生性基因的微衛(wèi)星標(biāo)記(SSR)的研究[J]. 大豆科學(xué), 2004, 23(2): 91-95.

Wang H, Yu D Y, Wu Q J, Gai J Y. Characterization of resistance genes to cotton worm with SSR markers in soybean[J]., 2004, 23(2): 91-95. (in Chinese with English abstract)

[30] 徐吉臣, 鄒亮星. 利用相關(guān)性分析鑒定與水稻根部性狀表達(dá)相關(guān)的分子標(biāo)記[J]. 遺傳學(xué)報(bào), 2002, 29(3): 245-249.

Xu J C, Zou L X. Identification of molecular markers associated with rice root traits by correlation coefficient analysis[J]., 2002, 29(3): 245-249. (in Chinese with English abstract)

[31] McCouch S R, Cho Y G, Yano M, Paul E, Blinstrub M, Morishima H, Kinoshita T. Report on QTL nomenclature[J]., 1997, 14: 11-13.

[32] Li X M, Chao D Y, Wu Y, Huang X H, Chen K, Cui L G, Su L, Ye W W, Chen H, Chen H C, Dong N Q, Guo T, Shi M, Feng Q, Zhang P, Han B, Shan J X, Gao J P, Lin H X. Natural alleles of a proteasome α2 subunit gene contribute to thermos-tolerance and adaptation of African rice[J]., 2015, 47(7): 827.

[33] Liu X, Wang Y, Wang S W. QTL analysis of percentage of grains with chalkiness in Japonica rice () [J]., 2012, 11(1): 717-724.

[34] 高方遠(yuǎn), 邱玲, 陸賢軍, 任鄄勝, 吳賢婷, 任光俊, 曾禮華. 雜交秈稻骨干保持系崗46B稻谷粒形及堊白的QTL分析[J]. 中國水稻科學(xué), 2014, 28(3): 235-242.

Gao F Y, Qiu L, Lu X J, Ren J S, Wu X T, Ren G J, Zeng L H. QTL analysis on grain shape and chalkiness of an elite maintainer line Gang 46B in hybrid rice(L.) [J]., 2014, 28(3): 235-242.

[35] Paterson A H, Deverna J W, Lanini B, Tanksley S D. Fine mapping of quantitative trait loci using selected overlapping recombinant chromosomes, in an interspecies cross of tomato[J]., 1990, 124(3): 735-742.

[36] Tanksley S D, Ganal M W, Martin G B. Chromosome landing: a paradigm for map-based gene cloning in plants with large genomes[J]., 1995, 11(2): 63-68.

[37] Alpert K B, Tanksley S D. High-resolution mapping and isolation of a yeast artificial chromosome contig containing fw2.2: A major fruit weight quantitative trait locus in tomato[J]., 1996, 93(26): 15503-15507.

QTL Mapping for Heat Tolerance of Chalky Grain Rate ofSteud.

CAO Zhibin1, #, LI Yao2, #, ZENG Bohong1, MAO Linghua1, CAI Yaohui1, WU Xiaofeng1, *, YUAN Linfeng1, *

(1Laboratory of Rice National Engineering, Jiangxi Research and Development Center of Super Rice, Nanchang 330200, China;2Institute of Soil and Fertilizer & Resources and Environment, Jiangxi Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Farming System for the Middle and Lower Reaches of the Yangtze River, Ministry of Agriculture, Nanchang 330200, China;#These authors contributed equally to this work;*Corresponding author, E-mail: yuanlf2003@sina.com; jxnkzy208@163.com)

【】The objective of the research is to identify a QTL for heat tolerance of chalky grain rate, so as to provide support forthe appearance quality breeding and analysis of genetic mechanism of rice high temperature tolerance of chalkygrain rate. 【】We developed a chalky grain rate heat-tolerant CSIL(chromosomal segment introgression lines), CSIL05-2, by backcrossing and marker assisted selection with African cultivated rice acc.IRGC102309 (Steud.) as donor parent and Asian cultivated riceR9311 (L. subsp.Kato) as recipient parent. And a QTL for insensitityof heat tolerance of chalky grain rate on chromosome 5 was analyzed using secondary populations from CSIL05-2.【】In a BC6F2segregation populations, the SSR marker RM1200 on chromosome 5 showed significant correlation with heat tolerance of chalky grain rateby single marker analysis（=0.0005）. Using Cartographer 2.5 and the composite interval mapping with BC6F3and BC6F4populations, we further anchored the quantitative trait loci (QTL) associated with heat tolerance of chalky grain rate at filling stage to the same position within a 1.3cM interval, which was designed as qHTCGR and explained 11.4% and 17.5% of the phenotypic variances, respectively.Using homozygous recombinants screened from BC6F4populations,was also detected in a ~333.4 kb region betweenRM11633 and RM11642.【】The QTL controlling the heat tolerance of chalky grain rateis a novelQTL.

rice; chalky grain rate; heat tolerance; QTL; gene mapping

Q343.1+5; S511.32

A

1001-7216(2020)02-0135-08

10.16819/j.1001-7216.2020.9086

2019-07-26;

2019-10-17。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31560382)；江西省杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2018ACB21026);江西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20151BAB214013; 2017BAB204020)；江西省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科研協(xié)同創(chuàng)新專項(xiàng)(JXXTCXFY201902)；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2017YFD0301601; 2018YFD0301103)；江西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(20171ACF60019)。