利用雙向?qū)胂岛椭亟M自交系定位和挖掘水稻苗期耐冷QTL和有利等位基因

曹慧敏 楊賢莉 王立志 李蘋蘋 翟來圓 姜樹坤 鄭天清 邱先進(jìn),* 徐建龍,4,5,*

利用雙向?qū)胂岛椭亟M自交系定位和挖掘水稻苗期耐冷QTL和有利等位基因

曹慧敏1,2,**楊賢莉3,**王立志3李蘋蘋1翟來圓2姜樹坤3鄭天清2邱先進(jìn)1,*徐建龍2,4,5,*

1農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中游作物綠色高效生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(省部共建), 長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 湖北荊州 434025;2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所, 北京 100081;3黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所, 黑龍江哈爾濱 150086;4嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室深圳分中心, 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)基因組研究所, 廣東深圳 518210；5海南省崖州灣種子實(shí)驗(yàn)室, 海南三亞 572024

苗期低溫冷害常造成水稻生長發(fā)育受阻, 影響形態(tài)建成最終導(dǎo)致減產(chǎn)。鑒定和挖掘優(yōu)良的耐冷基因, 選育耐冷水稻品種, 是減少冷害造成水稻產(chǎn)量損失的有效措施。本研究以秈稻明恢63和粳稻02428為親本構(gòu)建的雙向?qū)胂导爸亟M自交系群體為研究材料, 通過人工氣候室進(jìn)行苗期耐冷性鑒定, 考查枯萎度和冷害恢復(fù)生長后的存活率, 結(jié)合重測序構(gòu)建的Bin基因型數(shù)據(jù), 進(jìn)行苗期耐冷性QTL定位, 3個(gè)群體在1號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、7號(hào)和12號(hào)染色體上共檢測到13個(gè)與水稻苗期耐冷性相關(guān)的QTL, 解釋0.36%～13.63%的表型變異。未定位到不同遺傳背景下穩(wěn)定表達(dá)的QTL, 但有5個(gè)同時(shí)影響枯萎度和存活率的QTL被檢出, 分別位于1號(hào)、5號(hào)、7號(hào)和12號(hào)染色體, 其中位于1號(hào)染色體12,732,139～13,202,097 bp和14,445,778～14,585,009 bp及5號(hào)染色體14,658,891～15,684,510 bp的3個(gè)QTL的LOD值都高于25, 被認(rèn)為是可靠的主效QTL。結(jié)合基因注釋、表達(dá)譜數(shù)據(jù)和3K種質(zhì)資源的苗期耐冷表型數(shù)據(jù)分析, 推測位于5號(hào)染色體區(qū)間內(nèi)影響枯萎度和存活率的基因很可能是已克隆的耐冷基因, 而1號(hào)染色體2個(gè)區(qū)間的2個(gè)基因是新基因位點(diǎn), 其候選基因分別是和。單倍型分析結(jié)果表明,的Hap2、Hap4和Hap9,的Hap1、Hap8和Hap10為有利單倍型。研究結(jié)果將為水稻品種耐冷分子改良提供寶貴的耐冷資源和有利基因。

水稻; 苗期耐冷; 枯萎度; QTL定位; 單倍型

水稻(L.)是全球約半數(shù)人口的主食, 總產(chǎn)量居全球糧食作物產(chǎn)量第2位。作為喜溫作物, 水稻容易受到冷害的影響。冷害對(duì)水稻的傷害程度一般取決于其生長時(shí)期、冷害的嚴(yán)重程度及低溫持續(xù)的時(shí)間長短[1]。我國水稻種植區(qū)域分布范圍廣, 東北地區(qū)、長江流域、珠江流域及部分高海拔地區(qū)均會(huì)遭受到不同程度的低溫冷害。苗期是水稻最易受到冷害的時(shí)期, 幼苗葉片受冷害后會(huì)變黃、卷曲或枯萎, 生長緩慢, 嚴(yán)重時(shí)還會(huì)死苗爛秧, 最終導(dǎo)致水稻成活率降低和水稻減產(chǎn)。苗期耐冷性與芽期、孕穗開花期的耐冷性相關(guān), 其鑒定結(jié)果也可為后期耐冷性評(píng)價(jià)提供重要的參考[2]。因此, 挖掘優(yōu)異的耐冷基因、培育耐冷品種既能保證低溫地區(qū)的水稻產(chǎn)量, 又能擴(kuò)大水稻的種植范圍。

水稻苗期耐冷性是復(fù)雜的數(shù)量性狀, 前人采用不同的遺傳群體及耐冷鑒定方法定位和克隆到了多個(gè)耐冷QTL/基因, 分布于水稻12條染色體上。Lou等[3]以耐冷品種AAV002863和低溫敏感品種珍汕97B為親本構(gòu)建的DH群體共定位到5個(gè)苗期耐冷QTL, 分別位于1號(hào)、2號(hào)和8號(hào)染色體上。Zhao等[4]在不同低溫處理?xiàng)l件下, 利用耐冷品種LTH (麗江新團(tuán)黑谷)和低溫敏感品種SHZ-2 (三黃占2號(hào))為親本構(gòu)建的重組自交系群體定位到1個(gè)苗期耐冷QTL, 并鑒定到一個(gè)提高苗期耐冷的新基因。Kim等[5]利用粳稻品種Jinbu和秈稻品種BR29為親本構(gòu)建的重組自交系群體, 在1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)、10號(hào)和?11號(hào)染色體上共定位到6個(gè)苗期耐冷性相關(guān)的QTL, 其中位于1號(hào)和11號(hào)染色體上的QTL被精細(xì)定位。是已克隆的苗期耐冷性基因, 編碼一個(gè)G蛋白信號(hào)調(diào)節(jié)因子, 位于細(xì)胞膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上, 與G蛋白α亞基RGA1互作感受低溫, 激活鈣離子通道, 增強(qiáng)G蛋白GTP酶活性, 最終增強(qiáng)水稻抗寒的能力[6]。的2個(gè)等位基因和均負(fù)調(diào)控水稻對(duì)低溫脅迫的反應(yīng)[7]。Chen等[8]證明轉(zhuǎn)錄因子和互作并調(diào)控靶基因和的表達(dá), 以此來調(diào)節(jié)水稻耐冷性。此外, 與和對(duì)水楊酸和茉莉酸處理均有響應(yīng), 這種共調(diào)控模式在擬南芥中也有報(bào)道, 而且被認(rèn)為是水楊酸和茉莉酸介導(dǎo)的植物防御信號(hào)的匯聚節(jié)點(diǎn)[9-10]。MicroRNA319 (miR319)是miRNA家族之一, 水稻中的基因家族包括和, 在RNA干涉植株中, 下調(diào)2個(gè)miR319靶標(biāo)基因和中任意一個(gè)的表達(dá), 會(huì)導(dǎo)致耐冷性的增強(qiáng)[11]。

雖然目前已經(jīng)定位和克隆了一些水稻耐冷的QTL/基因, 但這些耐冷QTL/基因表達(dá)的遺傳背景效應(yīng)不清楚, 尤其具有育種利用價(jià)值的耐冷基因還很匱乏, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足水稻耐冷遺傳改良的需求。

本研究以秈稻品種明恢63和粳稻品種02428為親本構(gòu)建的雙向?qū)胂岛椭亟M自交系為研究材料, 對(duì)水稻進(jìn)行苗期耐冷性鑒定, 結(jié)合已有基因型數(shù)據(jù)進(jìn)行QTL定位, 并針對(duì)重要耐冷位點(diǎn), 利用3K種質(zhì)資源進(jìn)行候選基因的單倍型分析, 挖掘有利等位基因。研究結(jié)果將為精細(xì)定位和克隆苗期耐冷基因提供理論基礎(chǔ), 為分子育種改良水稻耐冷性提供有利基因。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究以秈稻品種明恢63 (MH63)和粳稻品種02428為親本構(gòu)建的雙向?qū)胂岛椭亟M自交系為研究材料[12], 其中明恢63背景的導(dǎo)入系(MH63-ILs)共226份, 02428背景的導(dǎo)入系(02428-ILs)共198份, 重組自交系(RILs)共245份。將明恢63和02428進(jìn)行全基因組重測序后獲得的5,336,108,154和5,562,905,674個(gè)堿基[12]與作為參考基因組的日本晴序列(IRGSP 1.0)進(jìn)行對(duì)比, 明恢63和02428分別比對(duì)上5,062,106,567和5,278,080?725個(gè)堿基, 占全基因組的96.57%和94.03%。根據(jù)序列比對(duì), 利用雙親測序中3倍、4倍和5倍的測序片段分別檢測到48,498、42,124和36,140個(gè)SNP, 進(jìn)行歸并后雙親共鑒定到58,936個(gè)SNP。利用3套群體采用Xie等[13]的方法構(gòu)建了含有4568個(gè)Bin標(biāo)記的遺傳連鎖圖譜。

為對(duì)定位到的重要苗期耐冷QTL進(jìn)行單倍型分析挖掘有利等位基因, 本研究還從3K種質(zhì)資源中隨機(jī)挑選了1548個(gè)資源材料。這些種質(zhì)資源來源于全球68個(gè)國家, 包括印度(227份)、中國(199份)、印度尼西亞(142份)、菲律賓(119份)、孟加拉國(108份)、老撾(103份)、泰國(75份)、緬甸(46份)、柬埔寨(42份)、馬達(dá)加斯加(42份)、尼泊爾(32份)、越南(32份)、馬來西亞(31份)、巴基斯坦(28份)、意大利(25份)、美國(22份)、科特迪瓦(21份), 其他地區(qū)合計(jì)233份。這些種質(zhì)資源共分為5個(gè)亞群, 其中秈稻845份、粳稻475份、Aus稻135份、Basmati稻50份和中間型43份。

1.2 苗期耐冷性評(píng)價(jià)

2022年在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所人工氣候室進(jìn)行苗期耐冷試驗(yàn)。選取飽滿的水稻種子在50℃的烘箱中放置2～3 d打破休眠, 用2%的過氧化氫消毒液對(duì)種子進(jìn)行消毒30 min并用自來水沖洗干凈, 在30℃黑暗條件下浸種48 h, 28℃的條件下催芽12 h, 選取發(fā)芽一致的種子播種在裝滿壤土的育秧盤中, 每個(gè)材料播種約50粒, 2次重復(fù)。在28℃環(huán)境中將幼苗培養(yǎng)至三葉一心期后低溫(9℃)處理5 d, 然后在正常條件下恢復(fù)生長7 d后調(diào)查枯萎度(wilting degree, WD)以及存活率(survival rate, SR)[14-15]?？菸鹊脑u(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參考韓龍植等[14]的方法。

1.3 數(shù)據(jù)分析及QTL定位

利用Microsoft Excel 2016進(jìn)行耐冷性的統(tǒng)計(jì)描述分析, 利用ICI Mapping 4.2軟件的完備區(qū)間作圖法(ICIM)在BIP模塊中定位水稻苗期耐冷QTL[16], 并估算每個(gè)QTL對(duì)表型的加性效應(yīng)和貢獻(xiàn)率。將02428基因型定義為A, 明恢63基因型定義為B, 雜合型定義為H, QTL定位閾值設(shè)置為LOD≥2.5。

1.4 有利等位基因挖掘

針對(duì)不同群體同時(shí)定位到影響同一性狀或相同遺傳背景定位到影響不同性狀的重要QTL, 在RGAP數(shù)據(jù)庫(http://rice.uga.edu/)查找QTL區(qū)間內(nèi)的候選基因, 根據(jù)基因注釋、表達(dá)譜數(shù)據(jù)和相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道預(yù)測QTL區(qū)間內(nèi)可能的候選基因, 結(jié)合3K種質(zhì)資源進(jìn)行單倍型分析。以啟動(dòng)子區(qū)1 kb以內(nèi)和基因編碼區(qū)的SNP構(gòu)建單倍型, 并根據(jù)Zhang等[17]的方法將同義SNP合并為一個(gè)單倍型。每個(gè)單倍型至少有30份種質(zhì), 使用R中的“agricolae”包完成顯著性檢驗(yàn), 比較單倍型之間的表型差異, 挖掘苗期耐冷候選基因的有利單倍型。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同群體的供體導(dǎo)入頻率

4568個(gè)Bin組成的遺傳連鎖圖譜總長度為總長為373.24 Mb, 相鄰標(biāo)記間的平均距離為81.71 kb。明恢63背景導(dǎo)入系的供體基因組平均導(dǎo)入比例為7.16% (0～86.51%), 02428背景導(dǎo)入系的供體基因組平均導(dǎo)入比例19.84% (0～100%), 重組自交系中明恢63基因組所占比例為46.90% (圖1)。顯然, 粳稻供體導(dǎo)入秈稻背景的比例要明顯低于秈稻供體導(dǎo)入粳稻背景的比例; 重組自交系群體中, 粳稻親本基因組所占的比例略高于秈稻親本。

2.2 親本與群體苗期的耐冷表現(xiàn)

雙親苗期的耐冷性差異很大(表1), 02428的枯萎度為1, 存活率為81.9%, 耐冷性強(qiáng); 明恢63的枯萎度為8, 存活率為15.69%, 耐冷性較差, 表明在低溫脅迫下, 02428更易存活。明恢63背景導(dǎo)入系、02428背景導(dǎo)入系和重組自交系3個(gè)群體的枯萎度和存活率均呈偏態(tài)分布, 且均出現(xiàn)超親分離, 表明苗期耐冷性是受多基因控制的數(shù)量遺傳性狀(圖2)。

圖1 雙向?qū)胂岛椭亟M自交系群體的明恢63基因組成成分的頻數(shù)分布

2.3 苗期耐冷性QTL定位

明恢63背景導(dǎo)入系共定位到1個(gè)影響枯萎度和2個(gè)影響存活率的QTL, 分別位于水稻5號(hào)和12號(hào)染色體, 對(duì)表型的貢獻(xiàn)率分別為8.17%、5.86%和3.28% (表2和圖3); 02428等位基因在和均提高苗期耐冷性。02428背景導(dǎo)入系共定位到4個(gè)苗期耐冷QTL, 分別位于水稻4號(hào)和12號(hào)染色體上, 對(duì)表型的平均貢獻(xiàn)率為9.13%; 其中, 明恢63等位基因在和增強(qiáng)苗期耐冷性, 在和則降低苗期耐冷性。重組自交系群體共鑒定到6個(gè)苗期耐冷QTL, 分別位于1號(hào)和7號(hào)染色體, 解釋0.36%～10.67%的表型變異; 其中明恢63等位基因在和處提高苗期耐冷性, 02428等位基因則在、、和處提高苗期耐冷性。

在不同遺傳背景下沒有定位到影響同一性狀的相同主效QTL, 但在5個(gè)染色體區(qū)間同時(shí)檢測到影響幼苗枯萎度和存活率的主效QTL (表2), 其中明恢63背景導(dǎo)入系檢測到5號(hào)染色體14,658,891～ 15,684,510 bp區(qū)間, 02428背景導(dǎo)入系檢測到12號(hào)染色體26,529,940～26,660,385 bp區(qū)間, 重組自交系檢測到1號(hào)染色體14,445,778～14,585,009 bp和7號(hào)染色體16,793,414～17,068,785 bp區(qū)間, 提高水稻苗期耐冷性的等位基因均來自02428; 重組自交系檢測到1號(hào)染色體12,732,139～13,202,097 bp區(qū)間, 提高苗期耐冷的等位基因來源于明恢63。

2.4 候選基因預(yù)測和有利等位基因挖掘

在定位到的13個(gè)耐冷QTL中, 明恢63背景導(dǎo)入系群體位于5號(hào)染色體14,658,891～15,684,510 bp區(qū)間和重組自交系群體位于1號(hào)染色體12,732,139～ 13,202,097 bp和14,445,778～14,585,009 bp區(qū)間的QTL同時(shí)影響枯萎度和存活率, 其LOD值均大于25 (表2), 可以認(rèn)為是比較可靠的重要主效QTL。前人在5號(hào)染色體的14,658,891～15,684,510 bp區(qū)間內(nèi)已克隆了一個(gè)耐冷相關(guān)基因[7]; 1號(hào)染色體的12,732,139～ 13,202,097 bp和14,445,778～14,585,009 bp區(qū)間是新定位到的苗期耐冷QTL所在區(qū)間, 共有47個(gè)候選基因,根據(jù)基因注釋和表達(dá)差異數(shù)據(jù)(圖4-C, F), 最終預(yù)測區(qū)間內(nèi)對(duì)苗期耐冷有影響的2個(gè)可能候選基因, 分別為和。

圖2 明恢63和02428衍生群體的苗期耐冷分布

表1 親本、雙向?qū)胂岛椭亟M自交系群體苗期耐冷表現(xiàn)

**代表親本在<0.01水平差異顯著。

**represents significantly difference at the 0.01 probability level between two parents.

表2 明恢63和02428衍生群體定位到的苗期耐冷QTL

WD: 枯萎度; SR: 存活率。加性效應(yīng)正值表示增效等位基因來源于02428, 負(fù)值表示增效等位基因來源于明恢63。

WD: wilting degree; SR: survival rate. The positive value of additive effect means the favorable allele from 02428, while the negative value of additive effect means favorable allele from MH63.

圖3 明恢63和02428衍生群體定位到的水稻苗期耐冷QTL在染色體上的分布

WD: 枯萎度; SR: 存活率。WD: wilting degree; SR: survival rate.

(圖4)

A、D: 2個(gè)耐冷性狀不同單倍型間的表型差異, 不同字母代表不同單倍型之間表型在< 0.01水平差異顯著; B、E: 不同亞群在不同單倍型內(nèi)的頻率分布; C: 低溫和常溫條件下空育131苗期葉片的表達(dá)量(數(shù)據(jù)來源于Yu等[18]的報(bào)道); F: 低溫和常溫條件下日本晴苗期根部的表達(dá)量(數(shù)據(jù)來源于Yu等[18]的報(bào)道); **和***分別代表表達(dá)量在< 0.01和< 0.001水平差異顯著。

A, D: phenotypic difference between different haplotypes of the two cold tolerance traits, the different lowercase letters indicate significant differences among different haplotypes at the 0.01 probability level; B, E: frequency distribution of five subpopulations in the different haplotypes; C: the relative expression level ofof leaf of Kongyu 131 at seedling stage under cold and normal conditions (data reported by Yu et al.[18]); F: the relative expression level ofof root of Nipponbare at seedling stage under cold and normal conditions (data reported by Yu et al.[18]); ** and *** represent significant difference at the 0.01 and 0.001 probability levels, respectively.

在3K種質(zhì)資源中共有9種單倍型(圖4-A和附表1), Hap2、Hap4和Hap9的枯萎度顯著低于其他幾種單倍型, 存活率顯著高于其他幾種單倍型, 為有利單倍型(圖4-A)。其中Hap2和Hap9主要分布于粳稻中(圖4-B), 耐冷品種空育131在冷處理后的表達(dá)量上升[18](圖4-C), 表明該基因可能正調(diào)控水稻苗期耐冷性。在種質(zhì)資源共11種單倍型(圖4-D和附表1), 其中Hap1、Hap8和Hap10的枯萎度顯著低于Hap2、Hap3、Hap5、Hap6、Hap7、Hap9和Hap11, 存活率顯著高于Hap2、Hap3、Hap5、Hap6、Hap7、Hap9和Hap11, 為有利單倍型(圖4-D)。這3種單倍型也主要存在于粳稻種質(zhì)中(圖4-E), 日本晴在冷處理后該基因的表達(dá)量下降[18](圖4-F), 表明該基因可能負(fù)調(diào)控水稻苗期耐冷性。

3 討論

本研究利用明恢63和02428為親本構(gòu)建的雙向?qū)胂岛椭亟M自交系群體, 共定位到13個(gè)水稻苗期耐冷QTL, 其中有6個(gè)QTL與前人克隆的耐冷基因處于相同或相近區(qū)間。例如, 明恢63背景導(dǎo)入系5號(hào)染色體上影響枯萎度的和影響存活率的與處于相同位置[7], 12號(hào)染色體上影響存活率的與已克隆的耐冷基因和的位置相近[8]; 02428背景導(dǎo)入系4號(hào)染色體上影響枯萎度的與已克隆的孕穗期耐冷基因處于相近位置[19], 12號(hào)染色體上影響枯萎度的和影響存活率的與耐寒相關(guān)基因和位置相近[11]。后續(xù)要通過精細(xì)定位和轉(zhuǎn)基因驗(yàn)證確定這些QTL與已克隆基因是相同基因還是緊密連鎖的基因。

QTL檢測受遺傳背景影響較大。王韻等利用粳稻Lemont和秈稻特青構(gòu)建的雙向回交導(dǎo)入系定位影響抽穗期和株高的QTL, 只有5個(gè)主效QTL在2種背景下同時(shí)被檢測到, 占15.2%[20]; Liu等[12]在明恢63和02428構(gòu)建的雙向?qū)胂抵蟹謩e定位到9個(gè)耐鐵QTL和10個(gè)耐鋅QTL, 其中僅2個(gè)QTL在不同背景中被共同檢測到, 占10.5%; Wang等[21]利用特青背景導(dǎo)入系和Lemont背景導(dǎo)入系分別定位到29個(gè)和23個(gè)抗旱QTL, 只有5個(gè)在不同背景中同時(shí)檢測到。這些研究表明, 不同遺傳背景能同時(shí)定位到的QTL數(shù)量都較少, 遺傳背景對(duì)QTL的檢測影響較大。本研究定位到的13個(gè)苗期耐冷QTL中, 未鑒定到在不同遺傳背景穩(wěn)定表達(dá)的QTL, 再次表明遺傳背景對(duì)水稻苗期耐冷性QTL的檢測影響大。因此, 利用分子育種進(jìn)行水稻耐冷品種改良時(shí), 應(yīng)特別注意QTL定位群體與育種群體的異同, 在進(jìn)行分子標(biāo)記輔助選擇前要確認(rèn)QTL在育種群體中是否具有明顯的表型效應(yīng)。只有在育種群體中有顯著表型效應(yīng)的QTL, 才能借助標(biāo)記輔助選擇用于育種群體的目標(biāo)性的改良。

一般來說, 秈稻的耐冷性劣于粳稻, 利用秈粳稻進(jìn)行回交育種時(shí), 雖然秈稻供體親本苗期表現(xiàn)為冷敏感, 但以粳稻為背景的回交后代中仍出現(xiàn)了耐冷性強(qiáng)于輪回親本的個(gè)體, 表明有些耐冷有利基因會(huì)以“隱蔽”的方式存在于水稻種質(zhì)資源中[22]?？菸群痛婊盥实蔫b定結(jié)果顯示(表1), 02428為耐冷粳稻品種, 明恢63為冷敏感秈稻品種。在02428導(dǎo)入系群體中仍篩選到27份存活率高于輪回親本02428的耐冷導(dǎo)入系, 其中5份材料擁有43%以上明恢63導(dǎo)入片段, 分別是DQ355、DQ357、DQ424、DQ456、DQ464, 說明耐冷有利基因以一種“隱蔽”的形式存在于親本明恢63中。因此, 在耐冷性改良育種工作中應(yīng)重視這些“隱蔽”的有利基因, 培育回交導(dǎo)入系結(jié)合分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)挖掘存在于供體親本中的“隱蔽”耐冷基因, 進(jìn)而通過不同耐冷基因的聚合來進(jìn)一步提高粳稻品種的耐冷性。

4 結(jié)論

本研究共定位到13個(gè)影響苗期耐冷性的QTL, 其中5個(gè)同時(shí)影響枯萎度和存活率的QTL被檢出, 分別位于1號(hào)、5號(hào)、7號(hào)和12號(hào)染色體, 位于1號(hào)染色體12,732,139～13,202,097 bp和14,445,778～ 14,585,009 bp及5號(hào)染色體14,658,891～15,684,510 bp的3個(gè)QTL屬效應(yīng)較大的主效QTL。苗期耐冷QTL定位受遺傳背景影響較大, 不同遺傳背景下沒有檢測到影響同一性狀穩(wěn)定表達(dá)的耐冷QTL, 但影響枯萎度和存活率的QTL具有較大的遺傳重疊。對(duì)位于1號(hào)染色體上的2個(gè)新的耐冷區(qū)間(12,732,139～ 13,202,097 bp和14,445,778～14,585,009 bp), 鑒定到和2個(gè)候選基因,利用3K種質(zhì)資源分別挖掘到的Hap2、Hap4和Hap9、的Hap1、Hap8和Hap10 等6個(gè)有利單倍型。

[1] Li T G, Visperas R M, Vergara B S. Correlation of cold tolerance at different growth stages in rice., 1981, 23: 203–207.

[2] 李霞, 戴傳超, 程睿, 陳婷, 焦德茂. 不同生育期水稻耐冷性的鑒定及耐冷性差異的生理機(jī)制. 作物學(xué)報(bào), 2006, 32: 76–83. Li X, Dai C C, Cheng R, Chen T, Jiao D M. Identification for cold tolerance at different growth stages in rice (L.) and physiological mechanism of differential cold tolerance., 2006, 32: 76–83 (in Chinese with English abstract).

[3] Lou Q J, Chen L, Sun Z X, Xing Y Z, Li J, Xu X Y, Mei H W, Luo L J. A major QTL associated with cold tolerance at seedling stage in rice (L.)., 2007, 158: 87–94.

[4] Zhao J L, Zhang S H, Dong J F, Yang T F, Mao X X, Liu Q, Wang X F, Liu B. A novel functional gene associated with cold tolerance at the seedling stage in rice., 2017, 15: 1141–1148.

[5] Kim S, Suh J, Lee C, Lee J, Kim Y, Jena K K. QTL mapping and development of candidate gene-derived DNA markers associated with seedling cold tolerance in rice (L.)., 2014, 289: 333–343.

[6] Ma Y, Dai X Y, Xu Y Y, Luo W, Zheng X M, Zeng D L, Pan Y J, Lin X L, Liu H H, Zhang D J, Xiao J, Guo X Y, Xu S J, Niu Y D, Jin J B, Zhang H, Xu X, Li L G, Wang W, Qian Q, Ge S, Chong K. COLD1 confers chilling tolerance in rice., 2015, 160: 1209–1221.

[7] Tao Z, Kou Y J, Liu H B, Li X H, Xiao J H, Wang S P.alleles play different roles in abscisic acid signalling and salt stress tolerance but similar roles in drought and cold tolerance in rice., 2011, 62: 4863–4874.

[8] Chen L P, Zhao Y, Xu S J, Zhang Z Y, Xu Y Y, Zhang J Y, Chong K. OsMADS57 together with OsTB1 coordinates transcription of its targetandto switch its organogenesis to defense for cold adaptation in rice., 2018, 218: 219–231.

[9] Ryu H S, Han M, Lee S K, Cho J I, Ryoo N, Heu S, Lee Y H, Bhoo S H, Wang G L, Hahn T R, Jeon J S. A comprehensive expression analysis of thegene superfamily in rice plants during defense response., 2006, 25: 836–847.

[10] Li J, Brader G, Palva E T. The WRKY70 transcription factor: a node of convergence for jasmonate-mediated and salicylate-mediated signals in plant defense., 2004, 16: 319–331.

[11] Yang C C, Li D Y, Mao D H, Liu X, Ji C J, Li X B, Zhao X F, Cheng Z K, Chen C Y, Zhu L H. Overexpression of microRNA319 impacts leaf morphogenesis and leads to enhanced cold tolerance in rice (L.)., 2013, 36: 2207–2218.

[12] Liu H, Soomro A, Zhu Y J, Qiu X J, Chen K, Zheng T Q, Yang L W, Xing D Y, Xu J L. QTL underlying iron and zinc toxicity tolerances at seedling stage revealed by two sets of reciprocal introgression populations of rice (L.)., 2016, 4: 280–289.

[13] Xie W B, Feng Q, Yu H H, Huang X H, Zhao Q, Xing Y Z, Yu S B, Han B, Zhang Q. Parent-independent genotyping for constructing an ultrahigh-density linkage map based on population sequencing., 2010, 107: 10578–10583.

[14] 韓龍植, 張三元. 水稻耐冷性鑒定評(píng)價(jià)方法. 植物遺傳資源學(xué)報(bào), 2004, 5: 75–80. Han L Z, Zhang S Y. Methods of characterization and evaluation of cold tolerance in rice., 2004, 5: 75–80.

[15] Morsy M R, Jouve L, Hausman J, Hoffmann L, Stewart J M. Alteration of oxidative and carbohydrate metabolism under abiotic stress in two rice (L.) genotypes contrasting in chilling tolerance., 2007, 164: 157–167.

[16] Meng L, Li H H, Zhang L Y, Wang J K. QTL IciMapping: integrated software for genetic linkage map construction and quantitative trait locus mapping in biparental populations., 2015, 3: 269–283.

[17] Zhang F, Wang C C, Li M, Cui Y R, Shi Y Y, Wu Z C, Hu Z Q, Wang W S, Xu J L, Li Z K. The landscape of gene- CDS-haplotype diversity in rice: Properties, population organization, footprints of domestication and breeding, and implications for genetic improvement., 2021, 14: 787–804.

[18] Yu Y M, Zhang H, Long Y P, Shu Y, Zhai J X. Plant public RNA-seq database: a comprehensice online database for expression analysis of ～45000 plant public RNA-seq libraries., 2022, 20: 806–808.

[19] Li J L, Zeng Y W, Pan Y H, Zhou L, Zhang Z Y, Guo H F, Lou Q J, Shui G H, Huang H G, Tian H, Guo Y M, Yuan P R, Yang H, Pan G J, Wang R Y, Zhang H L, Yang S H, Guo Y, Ge S, Li J J, Li Z C. Stepwise selection of natural variations atandimproves cold adaptation during domestication ofrice., 2021, 231: 1056–1072.

[20] 王韻, 程立銳, 孫勇, 周政, 朱苓華, 徐正進(jìn), 徐建龍, 黎志康. 利用雙向?qū)胂到馕鏊境樗肫诤椭旮逹TL及其與環(huán)境互作表達(dá)的遺傳背景效應(yīng). 作物學(xué)報(bào), 2009, 35: 1386–1394. Wang Y, Cheng L R, Sun Y, Zhou Z, Zhu L H, Xu Z J, Xu J L, Li Z K. Genetic background effect on QTL expression of heading date and plant height and their interaction with environment in reciprocal introgression lines of rice., 2009, 35: 1386–1394 (in Chinese with English abstract).

[21] Wang Y, Zhang Q, Zheng T Q, Cui Y R, Zhang W Z, Xu J L, Li Z K. Drought-tolerance QTLs commonly detected in two sets of reciprocal introgression lines in rice., 2014, 65: 171.

[22] 張帆, 郝憲彬, 高用明, 華澤田, 馬秀芳, 陳溫福, 徐正進(jìn), 朱苓華, 黎志康. 利用秈稻資源中的“隱蔽有利基因”提高粳稻苗期耐冷性. 作物學(xué)報(bào), 2007, 33: 1618–1624. Zhang F, Hao X B, Gao Y M, Hua Z T, Ma X F, Chen W F, Xu Z J, Zhu L H, Li Z K. Improving seedling cold tolerance ofrice by using the “Hidden Diversity” inrice germplasm in backcross breeding program., 2007, 33: 1618–1624 (in Chinese with English abstract).

附表1 兩個(gè)候選基因的單倍型信息

Table S1 Haplotype information of the two candidate genes

候選基因Candidate gene單倍型編號(hào)Hap ID單倍型Haplotype (5′–3′)種質(zhì)資源數(shù)目 No. of accessions 秈稻xian粳稻gengAusBas中間型Admix LOC_Os01g25540Hap1GCTATTGGACCAGAACCCGTAGGAGGCCACCTGCAGCCACTGCAGCGAAGCGAG11043794 Hap2GAGACTGGATCGGATCCCGTGGGGGGCTGCCTATAGCCACTGTGGCAAAGCGGA1138013 Hap3TCGATTAGACCAGAACTAGTAGGAGGCCACCTGCAGCCACTGTGGCGAAGCGGA1230002 Hap4TCGATTAGGCCAGAACCAGTAGGAGGTCACCTGCAGCCACTGTGGAGAAGCGGA960001 Hap5GAGGCCGGATTAAACCCCGTGGAGGGCCACCTATAGCCACTGTGTAGAAGCGGG3704014 Hap6TCGATTGAACCAGAACCCGTAGGGGGCCACTTGCAGCCACAGTGGAGAAACGGA570001 Hap7GAGGCTGGATTAGACCCCATGGGGGGTCATCTATGGCTACTGTAGCGAAGCGGG490002 Hap8GCTATTGGACCAGAACCCGTAGGAGGCCACCTGCAGCCACTGTAGCGAAGCGAG420000 Hap9GAGACTGGATCGGATCCCGTGGGGGACTGCCTATAGCCACTGTGGCAAAGCGGA028002 LOC_Os01g25560Hap1ACCAGCGCGCGATCGGGAGCTTCAGTGGCCCTTCCAAG53440814 Hap2TCCGGTGCAGAGCTGGGAGCGTTAGCGTTCCTATCAGG1550003 Hap3TTCGGCGCAGAGCTGGGGGCGCTGGCGGCCCTATCAGG13631203 Hap4TCAGGCGCAGAGCTGGGAGCGTTAGCGGCCCTATCAGG1090000 Hap5TCCGGCGCAGAGCTGGAAGCGTTAGCGGCCCTATCAGG890000 Hap6TCCGGCGCAGAGCTAAGAGCGTTAACGGCCCGATCAGA2905205 Hap7TCCGACGCAGAGCTGGGAGCGTTAGCCGCCCTATCAGG4103372 Hap8ACCAGCGCGCGATCGGGAGCTTCAGTGGCCCTTCCMAG176002 Hap9TCCGGCGCAGAGCTGAGATCGTTAGCGGCTCTATTAGG600101 Hap10ACCAGCGCGCGATCGGGAGCTTCAGTGGCCCTTCC-AG137036 Hap11TTCGGCGCAGAGCTGGGGGCGCTGGCGGCCCTATC-GG310300

QTL identification and favorable allele mining of cold tolerance at seedling stage by reciprocal introgression and recombinant inbred line populations in rice

CAO Hui-Min1,2,**, YANG Xian-Li3,**, WANG Li-Zhi3, LI Ping-Ping1, ZHAI Lai-Yuan2, JIANG Shu-Kun3, ZHENG Tian-Qing2, QIU Xian-Jin1,*, and XU Jian-Long2,4,5,*

1Key Laboratory of Sustainable Crop Production in the Middle Researches of the Yangtze River,Ministry of Agriculture and Rural Affairs (Co-construction by Ministry and Province), College of Agriculture, Yangtze University, Jingzhou 434025, Hubei, China;2Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;3Institute of Crop Cultivation and Tillage, Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Harbin 150086, Heilongjiang, China;4Shenzhen Branch, Guangdong Laboratory for Lingnan Modern Agriculture, Agricultural Genomics Institute at Shenzhen, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Shenzhen 518120, Guangdong, China;5Hainan Yazhou Bay Seed Laboratory, Sanya 572024, Hainan, China

Cold damage often hinders rice growth, affects its morphogenesis and leads finally to serious yield loss. Identifying favorable genes tolerant to cold, and breeding elite rice varieties with cold tolerance is an effective way to solve this problem. In this study, two sets of reciprocal introgression lines and a set of recombinant inbred line derived fromvariety Minghui 63 andvariety 02428 were evaluated for cold tolerance in climate chamber using cold tolerance-related traits such as wilting degree and survival rate after recovered growth. Combined with the available Bin genotype data generated by previous re-sequencing, 13 QTLs for cold tolerance at seedling stage were identified on chromosomes 1, 4, 5, 7, and 12, which explained 0.36% to 13.63% of phenotypic variation. No QTL was stably detected in different genetic backgrounds, whereas five QTLs were simultaneously detected for both wilting degree and survival rate on chromosomes 1, 5, 7, and 12. Among them, QTLs in the regions of 12,732,139–13,202,097 bp and 14,445,778–14,585,009 bp on chromosome 1, and 14,658,891–15,684,510 bp on chromosome 5 had high LOD values above 25 and were considered as reliable main-effect QTLs. Combined with gene annotation, gene expression profile and phenotyping data of cold tolerance of 3K germplasms, the previously cloned genefor cold tolerance was regarded as the responsible gene for the QTL in the region of 14,658,891–15,684,510 bp on chromosome 5, while the two candidate genes,andin the two regions on chromosome 1, were the new candidate genes for both wilting degree and survival rate. Haplotype analysis indicated that Hap2, Hap4, and Hap9 ofand Hap1, Hap8, and Hap10 ofwere favorable haplotypes for cold tolerance. The results provide the novel germplasms and favorable genes for molecular improvement of cold tolerance in rice.

rice; cold tolerance at seedling stage; wilting degree; QTL mapping; haplotype

10.3724/SP.J.1006.2023.32007

本研究由深圳市基礎(chǔ)研究專項(xiàng)(JCYJ20200109150713553)和海南省崖州灣種子實(shí)驗(yàn)室揭榜掛帥項(xiàng)目(B21HJ0216)資助。

This study was supported by the Shenzhen Basic Research Special Project (JCYJ20200109150713553) and the Hainan Yazhou Bay Seed Lab Project (B21HJ0216).

邱先進(jìn), E-mail: xjqiu216@yangtzeu.edu.cn; 徐建龍, E-mail: xujianlong@caas.cn

**同等貢獻(xiàn)(Contributed equally to this work)

曹慧敏, E-mail: chm98316@163.com; 楊賢莉, E-mail: aiwei.ni@163.com

2023-02-16;

2023-04-17;

2023-04-24.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20230424.0833.002.html

This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).