水稻粒型與堊白性狀相關(guān)分析和QTL定位

崔 磊,韓雷鋒,王 晨,林翠香,甘 泉,倪大虎,吳德祥,宋豐順

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,合肥 230036; 2.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所,合肥 230031)

水稻是中國最重要的糧食作物之一,稻米品質(zhì)包括加工品質(zhì)、外觀品質(zhì)、食味品質(zhì)、營養(yǎng)品質(zhì),隨著生活水平不斷提高,市場上外觀品質(zhì)好的大米更受消費者歡迎[1]。因此,稻米外觀性狀的遺傳研究,對借助分子育種培育優(yōu)質(zhì)水稻有著重要意義。

根據(jù)前人研究的結(jié)果,稻米的外觀品質(zhì)主要體現(xiàn)在稻米粒型和堊白兩個方面[2],目前,控制粒型相關(guān)基因較多[3-12],水稻大部分染色體上都含有粒型調(diào)控基因。堊白性狀目前只有位于5號染色體上的chalk5[13]被成功克隆,稻米外觀品質(zhì)相關(guān)基因的定位與研究,為培育優(yōu)質(zhì)水稻品種提供了理論基礎(chǔ)。

本研究以RH003和華占雜交構(gòu)建的重組自交系為試驗材料,利用SNP分型數(shù)據(jù),構(gòu)建遺傳圖譜,對外觀品質(zhì)5項指標(biāo)(粒長、粒寬、長寬比、堊白粒率、堊白度)進行相關(guān)分析和QTL定位,為外觀品質(zhì)性狀的分子育種提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以秈型水稻RH003與華占進行雜交獲得的106個重組自交系后代,采用單粒傳法獲得的F8代重組自交系群體,作為試驗材料。

1.2 田間實驗及性狀測量

試驗材料于2020年冬季在海南省陵水黎族自治縣安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院南繁試驗田種植,2021年夏季于安徽省合肥市農(nóng)科院崗集生態(tài)農(nóng)業(yè)實驗示范基地種植,試驗材料單苗栽插,每個小區(qū)種植3行,每行10株,株行距為16.5 cm×20.0 cm,田間水肥管理及病蟲害防治同一般大田。成熟期分株系混收,晾干保存,干燥后,稱取150 g稻谷,放入浙江臺州市糧儀場LTJM-5188精米機,加工20 s,成精米。

對供試材料外觀性狀測量方法如下:取20 g左右精米平鋪于萬深掃描儀上,掃描儀參數(shù)設(shè)置:亮度26,對比度66,濾鏡為自動銳化(中度),屬性勾選為反相。掃描介質(zhì)為正片,RGB色彩,分辨率300 ppi。電腦分析向?qū)гO(shè)置為大米堊白低。收集分析結(jié)果可得稻米粒長、粒寬、長寬比、堊白度、堊白粒率數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)分析:收集得到的表型數(shù)據(jù)使用Excel軟件進行初步的計算和整理,使用SPSS軟件對各性狀之間進行相關(guān)性分析。

1.3 圖譜構(gòu)建和QTL分析

雙親及106個重組自交系葉片送華智生物技術(shù)有限公司進行標(biāo)記檢測,使用CTAB法提取樣品DNA,1KmGPS標(biāo)記檢測;共得到5 308個SNP數(shù)據(jù)位點,其中,多態(tài)性標(biāo)記771個,覆蓋水稻基因組1 192.56 cM,標(biāo)記間平均距離為1.5 cM。采用 QTL Ici Mappingv 4.2的完備復(fù)合區(qū)間作圖(ICIM)方法進行QTL定位。LOD(Likelihood of odd,極大似然函數(shù)比的常用對數(shù))閾值設(shè)為2.5,當(dāng)實際LOD值大于2.5時,就認(rèn)為該區(qū)段存在1個QTL,同時估算每個QTL的加性效應(yīng)值和貢獻率大小,QTL的命名遵循McCouch等[14]的命名原則。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻米外觀品質(zhì)數(shù)據(jù)及相關(guān)性分析

對親本RH003和華占及其重組自交系的外觀品質(zhì)兩季數(shù)據(jù)進行分析,結(jié)果見表1。由表1知,除合肥試驗點的粒寬外,雙親在其他外觀品質(zhì)上均呈極顯著性差異。重組自交系群體呈正態(tài)分布,超親分離現(xiàn)象明顯,表明外觀品質(zhì)是多基因控制的數(shù)量性狀。

表1 重組自交系群體及親本外觀品質(zhì)性狀

兩季數(shù)據(jù)之間,陵水親本長寬比略高于合肥親本,在堊白和堊白粒率性狀上,合肥親本高于陵水親本。對于重組自交系群體,合肥試驗點的長寬比均值高于陵水的,合肥試驗點的堊白度和堊白粒率均值均高于陵水的。不同外觀品質(zhì)性狀之間,兩季數(shù)據(jù)堊白性狀(堊白粒率和堊白度)的標(biāo)準(zhǔn)差均大于粒型性狀(粒長、粒寬和長寬比)。

對兩季數(shù)據(jù)各項指標(biāo)進行相關(guān)性分析,結(jié)果見表2。由表2知,合肥試驗點,粒型性狀之間,粒長和粒寬之間相關(guān)關(guān)系不顯著,粒長、粒寬與長寬比分別呈極顯著正相關(guān)和負(fù)相關(guān)。堊白性狀之間,堊白度和堊白粒率呈極顯著正相關(guān)。粒型和堊白性狀之間,粒長與堊白度呈顯著負(fù)相關(guān),而與堊白粒率相關(guān)性不顯著;粒寬與堊白粒率呈極顯著正相關(guān),而與堊白度之間關(guān)系不顯著;長寬比與堊白粒率和堊白度均呈極顯著負(fù)相關(guān)。

表2 RIL群體堊白和粒形性狀間的相關(guān)系數(shù)

陵水試驗點,粒型性狀之間,粒長和粒寬之間呈極顯著的正相關(guān),粒長、粒寬和長寬比分別呈極顯著正相關(guān)和負(fù)相關(guān)。堊白性狀之間,堊白度和堊白粒率也呈極顯著正相關(guān)。粒型和堊白性狀之間,粒長與堊白度和堊白粒率的相關(guān)性均達到顯著水平;粒寬與堊白度和堊白粒率呈顯著的正相關(guān);長寬比與堊白粒率和堊白度均呈極顯著負(fù)相關(guān)。

總體來看,長寬比與堊白度和堊白粒率的相關(guān)性最緊密,兩季數(shù)據(jù)均達極顯著負(fù)相關(guān)水平,即長寬比越大往往堊白越小;其次粒寬,除與合肥試驗點的堊白度未達到顯著相關(guān)外,與其他堊白性狀均為顯著或極顯著正相關(guān),即粒寬常常會增加堊白;粒長與堊白相關(guān)性較小,僅合肥試驗點粒長和堊白度達到負(fù)相關(guān)顯著水平,其他均未達到顯著水平。

2.2 QTL定位結(jié)果及分析

利用復(fù)合區(qū)間作圖法,對外觀品質(zhì)5項指標(biāo)進行QTL定位,兩季數(shù)據(jù)共定位到17個QTL,分布在1、2、4、6、7、12號染色體上,LOD介于2.57～11.93,加性效應(yīng)值在-2.95～3.69,QTL表型貢獻率為4.18%～32.5%,結(jié)果詳見表3和圖1。

注:黑色表示兩季同時出現(xiàn)的QTL。

表3 在海南陵水、安徽合肥兩地檢測到的 QTL 位點

粒長共定位到6個QTL,陵水點檢測到3個,合肥點檢測到3個。分別位于1、2、12號染色體上,其中,位于2號染色體的qGL2a和qGL2b在兩季數(shù)據(jù)中都被定位到。其中,qGL2a增效等位基因來自RH003,兩個不同生態(tài)地點貢獻率分別為陵水18.18%、合肥7.03%。qGL2b增效等位基因來自華占,表型貢獻率分別為陵水18.25%、合肥11.13%。

粒寬共定位到4個QTL,陵水點3個,合肥點1個,分別位于2號和4號染色體上。2號染色體的增效等位基因都來自華占,4號染色體的增效等位基因都來自RH003,其中位于2號染色體的qGW2b在兩個生態(tài)點均被檢測到,貢獻率分別為陵水10.96%和合肥10.74%。

長寬比共定位到4個QTL(陵水點2個、合肥點2個),分別位于2、6、12號染色體上,其中,位于2號染色體的qAR2在兩季都被檢測到,陵水貢獻率為19.68%,合肥貢獻率21.69%。長寬比增效等位基因都來自RH003。

堊白粒率共定位到5個QTL,陵水點檢測到2個,合肥點檢測到4個,分別位于2、4、6、7染色體上,其中,位于4號染色體的qCR4在兩季都檢測到,陵水貢獻率23.08%,合肥貢獻率10.16%。2號染色體和6號染色體的增效等位基因來自華占,4號染色體和7號染色體增效等位基因來自華占。

堊白度共定位到4個QTL,陵水點檢測到1個,合肥檢測到3個,分別位于2、4、6號染色體上,其中,位于4號染色體的qCD4在兩個種植點都檢測到,位于陵水種植點檢測到的貢獻率16.66%,合肥種植點貢獻率22.74%。2號染色體和6號染色體增效等位基因來自華占,4號染色體增效等位基因都來自RH003。

3 討論

堊白是劃分稻米外觀品質(zhì)等級的重要指標(biāo)。稻米堊白越小,外觀品質(zhì)越好。挖掘控制稻米外觀品質(zhì)的候選基因,可通過分子育種手段培育出外觀更優(yōu)良的稻米品種。

但是,外觀品質(zhì)受環(huán)境影響較大[15]。本研究采用重組自交系在不同生態(tài)點種植,定位外觀品質(zhì)QTL,以減小環(huán)境對外觀品質(zhì)的影響。研究共定位到17個QTL,分布在1、2、4、6、7、12號共6條染色體上,平均每個性狀的QTL位點3～4個,說明外觀品質(zhì)是由多基因控制的數(shù)量性狀。其中,qGL2a、qGL2b、qGW2b、qGLW2、qCR4和qCD4在陵水和合肥定位結(jié)果中重復(fù)出現(xiàn)。

本文定位的QTL中,有4個與前人研究一致,粒長QTLqGL2b的位置與前人克隆的FUWA一致,FUWA主要使籽粒變寬、變短[16]。粒寬QTLqGW2a位置與已克隆的GW2[17]高度一致,GW2主要控制水稻的粒寬。堊白性狀中,本研究兩季都定位到的堊白粒率位點qCR4和堊白度位點qCD4與王林森等[18]利用高世代回交群體定位到的qPGWC4.1和qWPGWC4.1位置相近,且表型貢獻率較大,暗示這個區(qū)間可能存在主效基因調(diào)控堊白,有待進一步研究。

粒型常常和堊白相關(guān)[19],育種實踐表明細(xì)長粒的品種一般堊白度和堊白粒率較低。本研究中,對粒型和堊白性狀進行了相關(guān)分析,發(fā)現(xiàn)長寬比與堊白粒率及堊白度的相關(guān)性最高,其次是粒寬,即育種過程中選擇高長寬比的品種能降低堊白,或選擇粒寬較小的品種。QTL定位結(jié)果也顯示,在chr2染色體的46～55 cM區(qū)間內(nèi)存在如粒寬qGW2b、長寬比qCR2、堊白粒率qCR2和堊白度qCD2共4個QTL,驗證了粒型和堊白的相關(guān)關(guān)系。但是分別位于chr4 52～54 cM和chr6 92 cM位置的QTL qCR4/qCD4和qCR6/qCD6周邊卻沒有定位到粒型基因,這暗示有些堊白位點可能與粒型無關(guān)。

4 結(jié)論

利用重組自交系,在海南陵水和安徽合肥兩季,對稻米外觀品質(zhì)5個性狀(粒長、粒寬、長寬比、堊白粒率、堊白度)進行相關(guān)分析和QTL定位,發(fā)現(xiàn)堊白性狀與長寬比呈極顯著的負(fù)相關(guān),與粒寬呈顯著正相關(guān)。QTL定位共檢測到17個QTL位點,兩季重復(fù)檢測到的QTL位點有6個(qGL2a、qGL2b、qGW2b、qGLW2、qCR4、qCD4),且LOD值和表型貢獻率較高,表明這些區(qū)間可能存在主效基因,為外觀性狀的基因發(fā)掘和分子育種提供了參考。