基于MAGIC群體的水稻鎘含量全基因組關(guān)聯(lián)分析

董錚 王雅美 黎用朝 熊海波 薛燦輝 潘孝武 劉文強(qiáng) 魏秀彩 李小湘, *

基于MAGIC群體的水稻鎘含量全基因組關(guān)聯(lián)分析

董錚1, 2, #王雅美3, #黎用朝1, 2熊海波1, 2薛燦輝1潘孝武1, 2劉文強(qiáng)1, 2魏秀彩1, 2李小湘1, 2, *

(1湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 水稻研究所, 長(zhǎng)沙 410125;2農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游秈稻遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)沙 410125;3中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)基因組研究所, 深圳 518120;＃共同第一作者;*通信聯(lián)系人, E-mail: xiaoxiang66196@126.com)

【】基于水稻MAGIC-Hei（Multi-parent advanced generation inter-cross）群體，在多環(huán)境下挖掘鎘含量相關(guān)新位點(diǎn)/基因，并篩選含有低鎘等位基因的優(yōu)良株系，為選育低鎘積累品種提供新的基因和種質(zhì)資源。將由8個(gè)親本衍生的MAGIC群體分別于2017、2018、2019和2020年度種植于湖南長(zhǎng)沙并開(kāi)展稻米鎘含量表型測(cè)試分析。利用GBS（genotyping by sequencing）簡(jiǎn)化基因組測(cè)序獲得基因型數(shù)據(jù)，對(duì)稻米鎘含量開(kāi)展全基因組關(guān)聯(lián)分析（genome-wide association analysis，GWAS），發(fā)掘QTL位點(diǎn)，解析其遺傳機(jī)制。檢測(cè)到了14個(gè)鎘積累相關(guān)的QTL位點(diǎn)，除了第8染色體之外，其他11條染色體上均有分布。其中6個(gè)位點(diǎn)與已報(bào)道基因一致，8個(gè)為新發(fā)現(xiàn)位點(diǎn)。另外，這8個(gè)位點(diǎn)分布在第2、4、7、9和12染色體上，均可以在兩個(gè)及以上環(huán)境中檢測(cè)到，效應(yīng)較為穩(wěn)定，可用于下一步精細(xì)定位及功能研究。結(jié)合基因注釋和基因表達(dá)分析結(jié)果，推測(cè)、、和為鎘含量相關(guān)位點(diǎn)候選基因，這些基因與重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)和積累等功能相關(guān)。另外，我們篩選到10個(gè)攜帶有利等位基因的優(yōu)良株系，可用于低鎘積累水稻材料的創(chuàng)制。發(fā)掘了8個(gè)水稻鎘積累相關(guān)性狀的QTL位點(diǎn)和低鎘優(yōu)異材料，對(duì)于鎘積累相關(guān)遺傳研究和利用分子標(biāo)記輔助選育低鎘積累品種具有一定意義。

MAGIC；QTL；鎘含量；分子標(biāo)記輔助選擇育種；候選基因

鎘（Cd）元素可通過(guò)食物在人體內(nèi)富集，嚴(yán)重危害人類(lèi)身體健康。鎘含量超標(biāo)會(huì)引起劇烈的關(guān)節(jié)疼痛以及嚴(yán)重的脊柱變形[1-2]。水稻是我國(guó)最為重要的糧食作物之一，鎘被水稻根系吸收后富集在籽粒中，嚴(yán)重影響糧食安全生產(chǎn)[3]。我國(guó)西南和中南地區(qū)是水稻的主要種植區(qū)域，也是我國(guó)重要的礦產(chǎn)基地，采礦排放的大量污水導(dǎo)致當(dāng)?shù)厮咀蚜Ｖ墟k含量較高[4]。鎘在水稻中的積累是個(gè)極其復(fù)雜的生物學(xué)過(guò)程，受到一系列相關(guān)基因的共同調(diào)控，不同的水稻品種對(duì)鎘的吸收和積累能力也有很大差異[5-6]。當(dāng)前，針對(duì)鎘積累相關(guān)性狀已開(kāi)展一系列遺傳研究，并利用連鎖和關(guān)聯(lián)分析的方式檢測(cè)到一批遺傳位點(diǎn)[6-7]。Kashiwagi等[8]利用Kasalath和日本晴構(gòu)建的回交群體檢測(cè)到了3個(gè)與水稻地上部鎘積累相關(guān)的QTL。Huang等[9]通過(guò)協(xié)青早B和東鄉(xiāng)野生稻構(gòu)建回交重組自交系群體篩選出了一批鎘相關(guān)QTL，其中13個(gè)僅在糙米中被發(fā)現(xiàn)，多數(shù)位點(diǎn)的效應(yīng)較低且表現(xiàn)不穩(wěn)定。

選育鎘低積累水稻品種是減輕鎘危害最為經(jīng)濟(jì)、綠色的途徑。目前對(duì)低鎘水稻的遺傳機(jī)制與設(shè)計(jì)育種的研究無(wú)法滿足當(dāng)前低鎘育種的迫切需要。因此，發(fā)掘新的鎘含量相關(guān)基因，對(duì)于選育低鎘積累品種具有重要意義。鎘含量是一個(gè)典型的數(shù)量遺傳性狀，受多個(gè)微效基因控制[5-7]?；陔p親群體的傳統(tǒng)連鎖分析是水稻基因挖掘的經(jīng)典手段，該方法具有遺傳背景穩(wěn)定、作圖精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也面臨群體構(gòu)建耗時(shí)長(zhǎng)、工作量大、遺傳背景單一等弊端，且不能充分地反映自然界的遺傳多樣性[10-11]。近年來(lái)，基于連鎖不平衡（Linkage disequilibrium, LD）的全基因組關(guān)聯(lián)分析（Genome-wide association analysis，GWAS）已廣泛應(yīng)用于水稻數(shù)量遺傳性狀基因挖掘研究中，與連鎖分析相比，GWAS具有耗時(shí)短、成本低和遺傳信息來(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在關(guān)聯(lián)位點(diǎn)假陽(yáng)性高和等位變異檢出率低等缺點(diǎn)[10-11]。而多親本雜交和多代互交的MAGIC群體則有效聚合了常規(guī)連鎖分析和GWAS分析的優(yōu)勢(shì)，遺傳背景豐富，在水稻復(fù)雜農(nóng)藝性狀基因挖掘中已成熟應(yīng)用，在農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量性狀和耐逆相關(guān)性狀遺傳研究中起著重要作用[12-14]。

目前，部分鎘積累相關(guān)基因已被克隆，如、、和等[6-7]。（Heavy metal ATPase 3）編碼水稻重金屬ATP酶，定位于根部液泡膜上，是Cd2+的重要轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，可通過(guò)將Cd2+轉(zhuǎn)運(yùn)至液泡來(lái)減少Cd2+向其他組織的運(yùn)輸[15]。（Cd accumulation in leaf 1）編碼植物類(lèi)防御素蛋白，主要在根外皮層和木質(zhì)部薄壁細(xì)胞表達(dá)，可通過(guò)對(duì)Cd2+的螯合作用來(lái)調(diào)節(jié)水稻葉片中的鎘含量[16]。屬于MFS（Major facilitator superfamily）類(lèi)蛋白，主要在根部表達(dá)，可通過(guò)調(diào)節(jié)對(duì)Cd2+的轉(zhuǎn)運(yùn)影響鎘在水稻籽粒中的積累，的V449D突變是造成一些秈稻和粳稻品種之間籽粒鎘含量不同的主要原因[17]。耐鎘基因（Cd tolerance 1）定位在細(xì)胞核中，是硫酸鹽/硒酸鹽吸收和同化的負(fù)調(diào)控因子，可通過(guò)調(diào)控根和地上部半胱氨酸和谷胱甘肽等化合物的含量來(lái)影響水稻的耐鎘性[18]。

有關(guān)重金屬鎘吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)以及積累的分子機(jī)制的探索為篩選水稻中的低鎘品種奠定了理論基礎(chǔ)。然而，水稻中有關(guān)鎘積累的基因報(bào)道還很少，限制了人們對(duì)低鎘積累水稻品種的選育以及創(chuàng)制。因此，亟需發(fā)掘水稻鎘含量相關(guān)新的基因和位點(diǎn)。本研究以MAGIC-Hei群體為材料[13]，分別在2017、2018、2019和2020年種植在湖南省長(zhǎng)沙市，利用GWAS發(fā)掘水稻鎘含量關(guān)聯(lián)位點(diǎn)并挖掘其候選基因，篩選低鎘含量?jī)?yōu)質(zhì)株系，為水稻鎘積累遺傳機(jī)制研究及低鎘水稻育種提供新的基因位點(diǎn)和種質(zhì)資源。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和種植方法

MAGIC-Hei群體由Fedearroz 50, Shan-Huang Zhan-2(SHZ-2), IR64633-87-2-2-3-3(PSBRc82), IR4630-22-2-5-1-3，IR45427-2B-2-2B-1-1，IR 84196- 12-32（SAMBHA MAHSURI+SUB1），IR77298-14- 1-2-10和IR77186-122-2-2-3（PSBRc158）共8個(gè)親本經(jīng)多年多次雜交組合而成，含有395個(gè)株系。將該群體及親本分別于2017、2018、2019和2020年度在湖南省水稻研究所馬坡嶺試驗(yàn)田種植。試驗(yàn)田四周和區(qū)組間開(kāi)深溝，田面平整，保障田面水的深淺和土壤含水量基本一致。種子催芽開(kāi)始25 d后移栽至田中，每份材料種植30株，均勻分成3行，株距為20.0 cm×26.5 cm，并設(shè)置兩次生物學(xué)重復(fù)。田間肥料管理和曬田前的水分管理按照當(dāng)?shù)匾患就淼境Ｒ?guī)種植管理技術(shù)進(jìn)行，并及時(shí)開(kāi)展病蟲(chóng)鳥(niǎo)害防治；分蘗末期曬田后灌淺水，自然干裂后再灌淺水，至收種前田間保持干干濕濕。

1.2 鎘含量測(cè)定方法

待種子黃熟時(shí)收種，收獲稻谷自然曬干清選后加工成精米，用高速粉碎機(jī)粉碎成粉末。粉碎樣品經(jīng)純硝酸和高氯酸混合溶液（4∶1）消化后，用原子吸收光譜儀（Thermo Fisher iCE3500）測(cè)定樣品的鎘濃度，單位為mg/kg。

1.3 基因型分析

使用CTAB法提取新鮮葉片中的DNA，利用限制性?xún)?nèi)切酶K I（NEB）對(duì)基因組DNA進(jìn)行酶切，采用IluminaHiseq測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行雙末端測(cè)序，以日本晴基因組為參考基因組，通過(guò)GBS方式獲得MAGIC-Hei群體基因型。MAGIC-Hei群體基因型數(shù)據(jù)之前已有報(bào)道[12-14]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用SAS 9.0對(duì)鎘含量開(kāi)展基本統(tǒng)計(jì)分析和差異顯著性分析（<0.05）?；贗ciMapping 4.3開(kāi)展4個(gè)年度的BLUP（Best linear unbiased predictors）值計(jì)算，并作為后續(xù)分析表型值。

1.5 關(guān)聯(lián)分析

采用基于R語(yǔ)言的GAPIT內(nèi)置的MLM（Mixed linear model）模型對(duì)MAGIC-Hei群體鎘含量進(jìn)行GWAS分析[19]，協(xié)變量為主成分分析（PCA）和親緣關(guān)系（K）。閾值選擇<1.0×10?3篩選與鎘含量顯著關(guān)聯(lián)的標(biāo)記。關(guān)聯(lián)分析的可視化結(jié)果由基于R語(yǔ)言的CMplot（R 3.2.2）軟件包繪制曼哈頓圖（Manhattan Plot）和Q-Q圖（Quantile-quantile plot）。2代表該位點(diǎn)所解釋的表型變異率。

1.6 候選基因挖掘和表達(dá)分析

參考日本晴數(shù)據(jù)庫(kù)基因注釋的結(jié)果，本研究在新發(fā)現(xiàn)的重復(fù)性較好的8個(gè)位點(diǎn)附近進(jìn)行基因篩選，挖掘鎘積累相關(guān)的未克隆基因作為候選。采用TRIzol法提取總RNA，根據(jù)濃度值確定RNA模板加樣量。參照Thermo Scientific公司提供的反轉(zhuǎn)錄試劑盒(RevertAid First Strand cDNA Synthesis Kit)反轉(zhuǎn)合成20 μL cDNA，并將cDNA模板用無(wú)菌雙蒸水稀釋5～10倍，配制qPCR體系，使用2法進(jìn)行基因表達(dá)水平數(shù)據(jù)分析。每個(gè)樣品設(shè)置3次重復(fù)，以、和管家基因?yàn)閮?nèi)參基因?qū)虮磉_(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化分析，計(jì)算候選基因的相對(duì)表達(dá)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 MAGIC-Hei群體鎘含量分析

對(duì)2017?2020連續(xù)4年的MAGIC-Hei群體株系鎘含量進(jìn)行分析（表1、圖1）。2017年8個(gè)親本鎘積含量變幅為0.514～1.412 mg/kg，群體均值為0.651 mg/kg，群體變幅為0.148～1.336 mg/kg；在2018年環(huán)境下，親本鎘含量變幅為0.579～1.667 mg/kg，群體鎘含量平均值為0.672 mg/kg，群體變幅范圍為0.068～1.516 mg/kg；在2019年環(huán)境下，親本鎘含量變幅為0.291～0.823 mg/kg，群體鎘含量平均值為0.327 mg/kg，群體變幅為0.070～1.188 mg/kg；在2020年環(huán)境下，親本鎘含量變幅為0.286～0.903 mg/kg，群體鎘含量平均值為0.534 mg/kg，群體變幅為0.192～1.125 mg/kg。以上結(jié)果表明，鎘含量為典型的數(shù)量遺傳性狀，在MAGIC- Hei親本及株系間差異廣泛。

表1 MAGIC-Hei群體在不同環(huán)境下鎘含量表型分析

數(shù)值后不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(﹤0.01)。

Different lowercase letters indicate significant differences(﹤0.01).

A, Fedearroz 50; B, Shan-Huang Zhan-2 (SHZ-2); C, R64633-87-2-2-3-3 (PSBRc82); D, IR4630-22-2-5-1-3; E, IR45427-2B-2-2B-1-1; F, IR 84196-12-32 (SAMBHA MAHSURI+SUB1); G, IR77298-14-1-2-10; H, IR77186-122-2-2-3 (PSBRc 158).

2.2 鎘含量關(guān)聯(lián)分析及優(yōu)良株系的篩選

基于MLM模型，對(duì)MAGIC-Hei群體開(kāi)展鎘含量GWAS分析，在2017、2018、2019和2020環(huán)境下共計(jì)檢測(cè)到14個(gè)鎘含量相關(guān)位點(diǎn)，分別位于除第8染色體外的其他11條染色體上，可解釋6.62%～10.57%的表型變異（表2、圖2～3）。其中，、、、、、、和在兩個(gè)及以上環(huán)境中均可檢測(cè)到?；阪k含量表型數(shù)據(jù)，結(jié)合基因型數(shù)據(jù)，篩選到10個(gè)攜帶多個(gè)有利等位基因的低鎘積累優(yōu)良株系（鎘含量<0.40 mg/kg且優(yōu)異等位基因數(shù)目>10），這些株系可用于下一步的育種工作。

圖1 MAGIC-Hei群體鎘含量的分布

Fig. 1. Cadmium content distribution in MAGIC-Hei population.

表2 MAGIC-Hei群體中通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)分析檢測(cè)到與鎘積累顯著關(guān)聯(lián)的位點(diǎn)

E1?E4代表不同環(huán)境，分別代表2017, 2018, 2019和2020年。

E1?E4 indicated the various environments of 2017, 2018, 2019 and 2020, respectively.

圖2 MAGIC-Hei群體鎘含量的曼哈頓散點(diǎn)圖

Fig. 2. Manhattan plot of Cadmium content in MAGIC-Hei.

2.3 候選基因注釋及表達(dá)量分析

結(jié)合日本晴基因組注釋信息篩選在重要位點(diǎn)篩選到14個(gè)候選基因。采用qRT-PCR對(duì)上述基因進(jìn)行表達(dá)模式驗(yàn)證。結(jié)果表明，有4個(gè)基因在高鎘親本和低鎘親本中的表達(dá)量呈現(xiàn)顯著差異（表3、圖4）。其中和在高鎘親本中的表達(dá)水平顯著高于在低鎘親本的表達(dá)情況；這個(gè)結(jié)果說(shuō)明和的轉(zhuǎn)錄水平隨著水稻體內(nèi)的鎘含量的增加而升高（圖4-A、B）。和在高鎘親本中的表達(dá)水平則顯著低于在低鎘親本中，表明這兩個(gè)基因可能參與了水稻中鎘含量低積累的調(diào)控過(guò)程（圖4-C、D）。

圖3 MAGIC-Hei群體鎘含量的Q-Q散點(diǎn)圖

Fig. 3. Q-Q plot of cadmium content in MAGIC-Hei.

A, Fedearroz 50; B, IR 84196-12-32 (SAMBHA MAHSURI+SUB1); C, R64633-87-2-2-3-3 (PSBRc82); D, IR4630-22-2-5-1-3; E, IR45427-2B-2-2B-1-1; F, Shan-Huang Zhan-2 (SHZ-2); G, IR77298-14-1-2-10; H, IR77186-122-2-2-3(PSBRc 158).

A～D為高鎘親本，E～F為低鎘親本。內(nèi)參基因?yàn)?Actin。*表示在＜0.05水平上顯著相關(guān)（≥3）。

A-D are high Cd content parents, E-F are low Cd content parents. The internal reference gene is. *Significant correlation at＜0.05 (≥3).

圖4 候選基因在MAGIC-Hei不同親本間的表達(dá)量差異

Fig. 4. Expression difference of candidate genes among different parents in MAGIC-Hei.

表3 水稻鎘含量相關(guān)候選基因

3 討論

目前，我國(guó)糙米中鎘含量安全標(biāo)準(zhǔn)為0.2 mg/kg，在生產(chǎn)過(guò)程中，田間輕微的鎘污染就會(huì)造成稻米鎘超標(biāo)。而低鎘品種的大田生產(chǎn)效應(yīng)在一定程度上不如水分管理和pH值調(diào)控見(jiàn)效快，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)得不到有效重視和推廣[26]。但隨著水稻安全生產(chǎn)越來(lái)越被重視及水稻鎘積累鑒定的田間種植管理越來(lái)越規(guī)范，人們發(fā)現(xiàn)水稻品種資源之間吸收積累鎘量差異很大；低鎘品種的種植不會(huì)增加生產(chǎn)成本，不需田間一直保持有水層而浪費(fèi)水資源，不用調(diào)整稻米生產(chǎn)工藝，也不造成田間二次污染而更利于可持續(xù)發(fā)展。同時(shí)水稻重測(cè)序和GWAS分析等生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，更是加快了鎘含量等數(shù)量性狀遺傳解析的進(jìn)程[10]。這些都有助于低鎘基因的挖掘，為低鎘品種的選育和推廣奠定基礎(chǔ)。

本研究基于MAGIC-Hei群體和GBS測(cè)序數(shù)據(jù)，在多環(huán)境條件下，嘗試通過(guò)GWAS對(duì)水稻籽粒鎘含量進(jìn)行遺傳解析，發(fā)現(xiàn)了14個(gè)與鎘含量顯著關(guān)聯(lián)的位點(diǎn)，8個(gè)新發(fā)現(xiàn)的位點(diǎn)都能在兩個(gè)及以上環(huán)境中檢測(cè)到，另外6個(gè)位點(diǎn)與已報(bào)道過(guò)的基因或位點(diǎn)一致。其中，和與已克隆基因一致：位點(diǎn)內(nèi)存在一個(gè)已克隆的鎘轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因(Metal tolerance protein 1)，OsMTP1定位在液泡上，為CDF(Cation diffusion facilitato)家族重要成員，影響水稻對(duì)Zn2+和Cd2+的耐受性[22, 27]；位點(diǎn)內(nèi)存在（Heavy metal ATPase 2）基因，該基因與同源，OsHMA2在水稻植株Zn2+和Cd2+由地下部分向地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中發(fā)揮重要作用，過(guò)表達(dá)可有效降低水稻籽粒鎘含量[23]。與Xu等[20]利用兩批導(dǎo)入系材料在水稻第1染色體上檢測(cè)到的一個(gè)與Zn2+、Cd2+和Fe2+轉(zhuǎn)運(yùn)的相關(guān)位點(diǎn)一致；與Zhang等[21]利用連鎖分析在水稻第3染色體上發(fā)現(xiàn)的位點(diǎn)接近；與Yan等[24]在水稻第9染色體上檢測(cè)到的一個(gè)與Ca2+和Cd2+轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的位點(diǎn)一致；與陳志德[25]在第11染色體上檢測(cè)到的一個(gè)Cd2+轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)位點(diǎn)接近。這些位點(diǎn)經(jīng)研究和驗(yàn)證，存在鎘含量相關(guān)基因的可能性較大，但尚未克隆，其遺傳調(diào)控機(jī)制還有待研究。另外，前人針對(duì)水稻籽粒鎘含量也開(kāi)展了大量研究，在水稻第1、2、3、4、6、7、9和11染色體上發(fā)現(xiàn)多個(gè)鎘含量相關(guān)遺傳位點(diǎn)，由于采用的標(biāo)記為傳統(tǒng)的RFLP、SSR或者DArT標(biāo)記，無(wú)法與現(xiàn)有SNP或InDel標(biāo)記進(jìn)行可靠的對(duì)比，暫時(shí)無(wú)法確定是否與本研究發(fā)現(xiàn)位點(diǎn)一致。

綜合注釋信息和表達(dá)模式驗(yàn)證結(jié)果，我們?cè)陉P(guān)聯(lián)位點(diǎn)區(qū)間內(nèi)鑒定到4個(gè)候選基因，其中，和基因的表達(dá)量在正常生長(zhǎng)的高鎘積累水稻中要高于在低鎘材料中的情況，和的轉(zhuǎn)錄水平則在低鎘積累水稻中顯著高于在高鎘積累水稻中的情況。編碼重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，編碼bZIP轉(zhuǎn)錄因子，編碼重金屬相關(guān)結(jié)構(gòu)域蛋白，編碼重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)因子Nramp6。鎘元素在水稻籽粒中的積累主要是通過(guò)根系吸收，隨后通過(guò)木質(zhì)部的裝載和運(yùn)輸轉(zhuǎn)移到地上部，再經(jīng)過(guò)韌皮部的運(yùn)輸和轉(zhuǎn)移積累到籽粒中。已有研究表明，NRAMP蛋白、重金屬ATP酶和鋅鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（Zinc transporter，ZIP）家族參與了鎘吸收和積累過(guò)程[6-7, 28]。NRAMP家族中的OsNramp5已被證明參與了Mn2+、Fe2+和Cd2+在凱氏帶和木質(zhì)部維管束之間的轉(zhuǎn)運(yùn)，缺失OsNramp5在降低鎘積累的同時(shí)，也顯著降低了水稻生長(zhǎng)發(fā)育水平和籽粒產(chǎn)量[6][7]。重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可將由根吸收到的Cd2+封存在根部細(xì)胞液泡中，減少了Cd2+從木質(zhì)部向地上部的運(yùn)輸，降低了籽粒中的鎘含量[15]。

本研究發(fā)現(xiàn)了數(shù)個(gè)在多環(huán)境下存在的鎘含量關(guān)聯(lián)位點(diǎn)，其中、、、、、、和相對(duì)更為可靠，可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為KASP或STARP標(biāo)記，用于分子標(biāo)記輔助育種和QTL精細(xì)定位。10個(gè)株系在多環(huán)境重復(fù)檢測(cè)過(guò)程中具有較低的鎘含量（<0.40 mg/kg），且含有較多優(yōu)異等位基因（>10個(gè)），可作為親本以導(dǎo)入或聚合優(yōu)異等位基因，降低育種材料的鎘含量，為低鎘水稻MAS育種做出了貢獻(xiàn)。

謝辭:感謝國(guó)際水稻研究所葉國(guó)友博士提供MAGIC-Hei群體資源及其基因型。

[1] Canli M, Furness R W. Toxicity of heavy metals dissolved in sea water and influences of sex and size on metal accumulation and tissue distribution in the norway lobster[J]., 1993, 36(4): 217-236.

[2] Grant C A, Clarke J M, Duguid S, Chaney R L. Selection and breeding of plant cultivars to minimize cadmium accumulation[J]., 2008, 390(2/3): 301-310.

[3] Yao H, Xu J, Huang C. Substrate utilization pattern, biomass and activity of microbial communities in a sequence of heavy metal-polluted paddy soils[J]., 2003, 115(1): 139-148.

[4] Li Z, Ma Z, der Kuijp T J, Yuan Z, Huang L. A review of soil heavy metal pollution from mines in China: Pollution and health risk assessment[J]., 2014, 468-469: 843-853.

[5] Clemens S, Aarts M G, Thomine S, Verbruggen N. Plantscience: The key to preventing slow cadmium poisoning[J]., 2013, 18(2): 92-99.

[6] 丁仕林, 劉朝雷, 錢(qián)前, 高振宇. 水稻重金屬鎘吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的分子遺傳機(jī)制研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)水稻科學(xué), 2019, 33(5): 383-390.

Ding S L, Liu C L, Qian Q, Gao Z Y. Research advances on molecular genetic mechanism for Cadmium absorption and transportation in rice[J]., 2019, 33(5): 383-390. (in Chinese with English abstract)

[7] UraguchiS, Fujiwara T. Cadmium transport and tolerance in rice: Perspectives for reducing grain cadmium accumulation[J]., 2012, 5(1): 1-8.

[8] Kashiwagi T, Shindoh K, Hirotsu N, Ishimaru K. Evidence for separate translocation pathways in determining cadmium accumulation in grain and aerial plant parts in rice[J]., 2009, 9(8): 1-10.

[9] Huang D R, Fan Y Y, Hu B L, Xiao Q Y, Chen D Z, Zhuang J Y. Assessment and genetic analysis of heavy metal content in rice grain using an×backcross inbred line population[J]., 2018, 98(4): 1339-1345.

[10] Zhao K, Tung C, Eizenga G C, Wright M H, Ali M L, Price A H, Norton G J, Islam M R, Reynolds A, Mezey J, McClung A M, Bustamante C D, McCouch S R. Genome-wide association mapping reveals a rich genetic architecture of complex traits inL[J]., 2011, 2(1): 467.

[11] Liu J D, He Z H, Rasheed A, Wen W E, Yan J, Zhang P Z, Wan Y X, Xie C J, Xia X C. Genome-wide association mapping of black point reaction in common wheat (L.)[J]., 2017, 17(1): 220-232.

[12] Elshire R J, Glaubitz J C, Sun Q, Poland J A, Kawamoto K, Buckler E S, Mitchell S E. A robust, simple genotyping-by-sequencing (GBS) approach for high diversity species[J]., 2011, 6(5): e19379.

[13] Bandillo N, Raghavan C, Muyco P A, Sevilla M A L, Lobina I T, Dilla-Ermita C J, Tung C W, McCouch S, Thomson M, Mauleon R, Singh R K, Gregorio G, Redo?a E, Leung H. Multi-parent advanced generation inter-cross (MAGIC) populations in rice: Progress and potential for genetics research and breeding[J]., 2013, 6(1): 1-15.

[14] Raghavan C, Mauleon R, Lacorte V, Jubay M, Zaw H, Bonifacio J, Singh R K, Huang B E, Leung H. Approaches in characterizing genetic structure and mapping in a rice multiparental population[J]., 2017, 7(6): 1721-1730.

[15] MiyadateH, Adachi S, Hiraizumi A, Tezuka K, Nakazawa N, Kawamoto T, Katou K, Kodama I, Sakurai K, Takahashi H., a P1B-type of ATPase affects root-to-shoot cadmium translocation in rice by mediating efflux into vacuoles[J]., 2011, 189(1): 190-199.

[16] Luo J, Huang J, Zeng D, Peng J S, Zhang G B, Ma H L, Guan Y, Yi H Y, Fu Y L, Lin H X, Qian Q, Gong J M. A defensin-like protein drives cadmium efflux and allocation in rice[J]., 2018, 9(1): 645.

[17] Yan H, Xu W, Xie J, Gao Y W, Wu L L, Sun L, Feng L, Chen X, Zhang T, Dai C H, Li T, Lin X N, Zhang Z Y, Wang X Q, Li F M, Zhu X Y, Li J J, Li Z C, Chen C Y, Ma M, Zhang H L, He Z Y. Variation of a major facilitator superfamily gene contributes to differential cadmium accumulation between rice subspecies[J]., 2019, 10(1):1-12.

[18] Chen J, Huang X, Salt D E, Zhao F J. Mutation inenhances cadmium tolerance and enriches selenium in rice grain[J]., 2020, 226(3): 838-850.

[19] Tang Y, Liu X, Wang J, Li M, Wang Q, Tian F, Su Z, Pan Y, Liu D, Lipka A E, Buckler E S, Zhang Z. GAPIT Version 2: An enhanced integrated tool for genomic association and prediction[J]., 2016 9(2): 1-9.

[20] Xu Q, Zheng T Q, Hu X, Cheng L R, Xu J L, Shi Y M, Li Z K. Examining two sets of introgression lines in rice (L.) reveals favorable alleles that improve grain Zn and Fe concentrations[J]., 2015, 10(7): e0131846

[21] Zhang M, Pinson S R M, Tarpley L, Huang X Y, Lahner B, Yakubova E, Baxter I, Guerinot M L, Salt D E. Mapping and validation of quantitative trait loci associated with concentrations of 16 elements in unmilled rice grain[J]., 2014, 127(1): 137-165.

[22] Yuan L, Yang S, Liu B, Zhang M, Wu K. Molecular characterization of a rice metal tolerance protein, OsMTP1[J]., 2012, 31(1): 67-79

[23] Takahashi R, Ishimaru Y, Shimo H, Ogo Y, Senoura T, Nishizawa N K, Nakanishi H. Thetransporter is involved in root-to-shoot translocation of Zn and Cd in rice[J]., 2012, 35(11): 1948-1957.

[24] Yan Y F, Lesta I P, Lee K J, Kim M Y, Lee S H, Lee B W. Identification of quantitative trait loci for cadmium accumulation and distribution in rice () [J]., 2013, 56(4): 227-232.

[25] 陳志德. 水稻不同品種耐鎘性鑒定及耐鎘脅迫相關(guān)性狀的QTL定位[D]. 南京: 南京農(nóng)業(yè)大學(xué), 2010

Chen Z D. Screening of rice varieties with cadmium tolerance and mapping of QTLs related to cadmium stress in rice[D]. Nanjing: Nanjing Agricultural University, 2010

[26] 陳艷彩, 唐文幫. 篩選和培育鎘低積累水稻品種的進(jìn)展和問(wèn)題探討[J]. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究, 2018, 39(6): 1044-1051

Chen C Y, Tang W B. A perspective on the selection and breeding of low-Cd rice[J]., 2018, 39(6): 1044-1051.

[27] Lan H, Wang Z, Wang Q H, Wang M M, Bao Y M, Huang J, Zhang H S. Characterization of a vacuolar zinc transporterin rice (L.)[J]., 2013, 40(2): 1201-1210.

[28] 鄂志國(guó), 張玉屏, 王磊. 水稻鎘脅迫應(yīng)答分子機(jī)制研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)水稻科學(xué), 2013, 27(5): 539-544.

E Z G, Zhang Y P, Wang L. Molecular mechanism of rice responses to cadmium stress[J]., 2013, 27(5): 539-544. (in Chinese with English abstract).

Genome-wide Association Analysis of Cadmium Content in Rice Based on MAGIC Population

DONG Zheng1, 2, #, WANG Yamei3, #, LI Yongchao1, 2, XIONG Haibo1, 2, XUE Canhui1, 2, PAN Xiaowu1, 2, LIU Wenqiang1, 2, WEI Xiucai1, 2, LI Xiaoxiang1, 2, *

(1Hunan Rice Research Institute, Hunan Academy of Agricultural Science, Changsha 410125, China;2Key Laboratory of indica Rice Genetics and Breeding in the Middle and Lower Reaches of Yangtze River Valley, Ministry of Agriculture, Changsha 410125, China;3Agricultural Genomics Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Shenzhen 518120, China;#These authors contributed equally to the work;*Corresponding author, E-mail: xiaoxiang66196@126.com)

【】Based on the MAGIC-Hei (Multi parent advanced generation inter cross) population of rice, we explored new loci/genes related to cadmium (Cd) content in multiple environments, and screened excellent lines with low Cd alleles to provide new genes and germplasm resources for breeding low Cd varieties.【】MAGIC-Hei, which is composed of eight parents, was planted in Changsha, Hunan Province in 2017?2020, and the Cd content was measured. Based on genotypic data by using genotyping-by-sequencing, we carried out genome wide association analysis (GWAS) on Cd content and explored QTLs to analyze their genetic mechanism. 【】Fourteen QTLs controlling Cd accumulation were detected. Except for chromosome 8, the 14 QTLs distribute on the other 11 chromosomes. Among them, six loci were consistent with reported genes, and eight loci were newly found. In addition, the eight loci on chromosomes 2, 4, 7, 9 and 12, can be detected in two or more environments and the effects are relatively stable, which can be used for further fine mapping and functional research. According to the results of gene annotation and gene expression analysis,,,andare candidate genes for Cd content related sites, which are related to heavy metal transport. In addition, we screened 10 excellent lines carrying favorable alleles, which can be used to create low Cd rice materials. 【】Eight new QTLs for Cd accumulation related traits and excellent materials with low Cd content in rice were found in this study, which is of great significance for the genetic study of Cd accumulation and the breeding of low Cd varieties by marker assisted selection (MAS).

MAGIC; QTL; cadmium content; MAS breeding; candidate gene

10.16819/j.1001-7216.2022. 210504

2021-05-24;

2021-08-16。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFD0100101-12)；國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)(CARS-01-14)；湖南省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新資金項(xiàng)目(2019LS05-2)；湖南省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新資金項(xiàng)目(2020CX17)。