彭 強(qiáng),張大雙,吳健強(qiáng),張玉珊,王際鳳,黃培英,朱速松*
(1.貴州省水稻研究所,貴州 貴陽 550006;2.貴州省生物技術(shù)研究所,貴州 貴陽 550006)
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水稻粒形性狀QTL定位分析
彭 強(qiáng)1,張大雙1,吳健強(qiáng)1,張玉珊2,王際鳳1,黃培英1,朱速松1*
(1.貴州省水稻研究所,貴州 貴陽 550006;2.貴州省生物技術(shù)研究所,貴州 貴陽 550006)
為稻米品質(zhì)分子育種改良提供新的輔助選擇標(biāo)記和理論依據(jù),以秈爪交(秈稻×爪哇稻)組合V20B/CPSLO17衍生的150份重組自交家系(RIL)為作圖群體,結(jié)合RIL群體的粒形性狀表型數(shù)據(jù),運用QTL IciMapping 4.0軟件進(jìn)行粒形性狀QTL檢測及其遺傳效應(yīng)分析。結(jié)果表明,在7條染色體(1,2,3,4,5,7,10)上共檢測出5個粒長性狀QTLs(qGL-1,qGL-2,qGL-3,qGL-7,qGL-10)、3個粒寬性狀QTLs (qGW-2,qGW-4,qGW-5)和4個長寬比性狀QTLs(qLWR-1,qLWR-3,qLWR-5,qLWR-7)。第3染色體的Marker910209-Marker823024標(biāo)記區(qū)間對粒長和長寬比具有較大遺傳效應(yīng),表型變異貢獻(xiàn)率分別為21.37 %和28.35 %;第5染色體的Marker1642127-Marker1514505標(biāo)記區(qū)間對粒寬和長寬比具有較大遺傳效應(yīng),表型變異貢獻(xiàn)率分別為29.71 %和17.42 %。
秈稻; 外觀品質(zhì); 分子標(biāo)記; 連鎖圖譜; 數(shù)量性狀座位
隨著生活水平的提高,稻米品質(zhì)越來越受到人們的重視,稻米品質(zhì)改良已成為水稻育種領(lǐng)域的重點和熱點。稻米品質(zhì)通常包括外觀品質(zhì)、碾磨品質(zhì)、蒸煮與食味品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)4個方面。其中,外觀品質(zhì)直接體現(xiàn)著稻米商品屬性的優(yōu)劣,而粒形(包括粒長、粒寬、粒厚和長寬比)是衡量稻米外觀品質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)[1]。因此,開展稻米粒形性狀QTL研究對稻米品質(zhì)分子改良具有重要的理論和應(yīng)用價值。
近年來學(xué)者們運用新興的分子生物技術(shù)已獲得200多個粒形(粒長、粒寬和長寬比)性狀QTLs,每條染色體都分布著多個粒形QTLs[2],但目前已克隆的粒形性狀主效控制基因不多[3-10]。GL7[3-4]基因位于第7染色體上,是一個控制粒長和粒寬的主效QTL,也影響長寬比;GW2[6]和GW5[7]基因是粒寬主效控制基因;PGL1[8]和PGL2[9]基因位于同一位點,都是粒長正調(diào)節(jié)子,且兩者存在功能冗余。上述QTL定位研究多以秈秈交(秈稻×秈稻)、秈粳交(秈稻×粳稻)組合衍生的遺傳群體為研究材料,鮮有利用秈爪交(秈稻×爪哇稻)組合構(gòu)建重組自交系進(jìn)行稻谷粒形性狀QTL定位的報道。為此,筆者以廣親和性的爪哇稻品種CPSLO17和配合力強(qiáng)的秈稻品種V20B作為親本材料,構(gòu)建遺傳作圖群體,進(jìn)行稻谷粒形性狀(粒長、粒寬和長寬比)QTL定位分析,旨在為稻米品質(zhì)分子育種改良提供新的輔助選擇標(biāo)記和理論依據(jù)。
1.1 試驗材料
研究所用的RIL群體是由V20B/CPSLO17雜交F1代通過單粒傳法得到的F10代。2014年夏季在貴州省水稻研究所(貴陽)試驗田種植150份RIL群體,每份材料種植2行,每行10株,水稻成熟期隨機(jī)選取10株混合收種。
1.2 稻谷粒形性狀考查
稻谷晾干貯藏 3 個月后(含水量13 %左右),進(jìn)行稻谷粒形性狀統(tǒng)計分析。
稻谷粒長(Grain length,GL)測定:隨機(jī)挑取10粒飽滿的種子首尾相接,排成一行,不重疊,不留隙,用電子游標(biāo)卡尺測量10粒種子總長度,重復(fù)3次,取平均值。
粒長(mm)=10粒種子總長度平均值/10
稻谷粒寬(Grain width,GW)、粒厚(Grain thickness,GT)測定:隨機(jī)挑選10粒飽滿種子,以寬度最寬處或厚度最厚處擺成一排,不重疊,不留隙,分別測量10粒種子總寬度和總厚度,重復(fù)3次,取平均值。
粒寬(mm)=10粒種子總寬度平均值/10
粒厚(mm)=10粒種子總厚度平均值/10
根據(jù)粒長和粒寬計算稻谷的長寬比(length-width ratio,LWR)。
1.3 QTL分析
研究所用的遺傳連鎖圖譜及其相關(guān)分子數(shù)據(jù)(未發(fā)表)是由北京百邁客生物科技有限公司利用SLAF-seq(Specific-Locus Amplified Fragment Sequencing)技術(shù)[11]和HighMap 軟件[12]開發(fā)獲得。該圖譜覆蓋水稻全基因組2508.65 cM,共有8602個多態(tài)性SLAF標(biāo)簽較均勻地分布在12條染色體上,標(biāo)記間平均距離為0.292 cM。結(jié)合RIL群體粒形表型數(shù)據(jù),利用軟件IciMapping 4.0的ICIM-ADD方法進(jìn)行QTL分析,掃描步長設(shè)定為0.1 cM,LOD值設(shè)定為3.0,并計算每個 QTL的貢獻(xiàn)率和加性效應(yīng),QTL的命名原則遵循McCouch等[13]提出的方法。加性效應(yīng)為正值表示增效等位基因來源于親本V20B,負(fù)值表示來源于親本CPSLO17。
2.1 群體中谷粒的粒形性狀
2.1.1 粒形表型值 從150份RIL群體的粒形性狀(粒長、粒寬、粒厚和長寬比)表型數(shù)據(jù)分析結(jié)果(表1)可知,RIL群體稻谷粒長的均值為(9.1455±0.864)mm,變異幅度為7.22~11.56 mm;稻谷粒寬均值為(2.9063±0.2444)mm,變異幅度為2.2667~3.4833 mm;稻谷粒厚均值為(2.0005±0.2873)mm,變異范圍為1.4133~4.02 mm;群體稻谷長寬比的均值為3.172±0.4279,變異范圍為2.2833~4.7967 mm。
2.1.2 粒形指標(biāo)分布 4個稻米品質(zhì)性狀在RIL群體中的分布頻率如圖1所示,RIL群體的粒長、粒寬、粒厚和長寬比在各自的變異范圍內(nèi)均呈連續(xù)分布,都表現(xiàn)出受多基因控制的數(shù)量性狀遺傳特征。
表1 RIL 群體中谷粒性狀的表現(xiàn)
表2 RIL 群體粒形性狀的相關(guān)系數(shù)
注:GL: 粒長,GW: 粒寬,GT: 粒厚,LWR: 長寬比.; **表示極顯著水平(P<0.01), *表示顯著水平(P<0.05)。
圖1 粒形性狀在RIL群體中的分布Fig.1 The distribution of grain shape trait in RIL population
2.2 群體粒形性狀間的相關(guān)性
4個粒形性狀間的相關(guān)性分析結(jié)果(表2)表明,粒長與長寬比,粒長與粒厚、粒厚與長寬比呈正相關(guān),粒長與粒寬、粒寬與長寬比、粒寬與粒厚呈負(fù)相關(guān)。t檢驗結(jié)果表明,4個性狀間6組相關(guān)性分析的P值都小于0.01,達(dá)極顯著水平。
2.3 粒形性狀的QTL定位
利用軟件IciMapping 4.0的ICIM-ADD方法進(jìn)行品質(zhì)性狀QTL分析,共檢測到12個外觀品質(zhì)性狀相關(guān)QTLs,LOD 值在3.28~16.60,貢獻(xiàn)率( percentage of variance explained,PVE)變幅為4.39 %~29.71 %(表3)。5個與粒長性狀相關(guān)的QTLs(分別命名為qGL-1、qGL-2、qGL-3、qGL-7和qGL-10),分別位于第1、2、3、7和10染色體上,其表型貢獻(xiàn)率變幅為4.39 %~21.37 %,其中qGL-3(LOD=14.59)的貢獻(xiàn)率最高(21.37 %)。3個與粒寬性狀相關(guān)的QTLs(分別命名為qGW-2、qGW-4和qGW-5),分別位于第2、4和5染色體上,其表型貢獻(xiàn)率變幅為6.51 %~29.71 %,其中,qGW-5(LOD=12.61)對表型貢獻(xiàn)率最高(29.71 %)。4個與長寬比相關(guān)的QTLs(分別命名為qLWR-1、qLWR-3、qLWR-5和qLWR-7),分別位于第1、3、5和7染色體上,其表型貢獻(xiàn)率變幅為6.73 %~28.35 %,其中,qLWR-3(LOD=16.60)對表型貢獻(xiàn)率最高(28.35 %)。
表3 稻米粒形QTL定位及其遺傳效應(yīng)
圖2 粒形性狀QTL在遺傳圖譜上的位置分布Fig.2 The QTL position of grain shape trait in genetic mapping
研究檢測到的12個QTLs分布在7條染色體上(圖2),第4和10染色體各有1個QTLs,而第1、2、3、5和7染色體上各有2個不同性狀的QTLs,其中qLWR-3和qGL-3 QTLs在遺傳圖譜上的位置很近,均位于Marker910209~Marker823024標(biāo)記之間;qGW-5和qLWR-5 QTLs在遺傳圖譜上的位置很近,均位于Marker1642127~Marker1514505標(biāo)記之間。
大量研究表明,數(shù)量性狀具有復(fù)雜的遺傳背景和廣泛的遺傳多樣性,不同遺傳背景的作圖群體、不同種植環(huán)境得到的QTL分析結(jié)果不同[14-16]。本研究利用秈爪交(秈稻×爪哇稻)組合衍生的RIL群體進(jìn)行粒形QTL定位研究,共檢測到10個影響粒形性狀的染色體區(qū)域,其中,第3染色體短臂Marker910209~Marker823024標(biāo)記區(qū)間和第5染色體短臂Marker1642127~Marker1514505標(biāo)記區(qū)間是粒形主效QTL的重點區(qū)域,這與前人研究結(jié)果相一致[17-19]。第3染色體Marker910209~Marker823024區(qū)間內(nèi)檢測出控制粒長和長寬比的主效QTL(qGL-3和qLWR-3),貢獻(xiàn)率分別為21.37 %和28.35 %,其增效等位基因均來自于親本V20B;第5染色體Marker910209~Marker823024區(qū)間檢測出控制粒寬和長寬比的主效QTL(qGW-5和qLWR-5),貢獻(xiàn)率分別為29.71 %和17.42 %,其增效等位基因分別來自于親本V20B和CPSLO17。
研究結(jié)果表明,粒形性狀間廣泛存在著一因多效,且性狀間(如粒長與長寬比,粒寬與長寬比之間)存在遺傳相關(guān)性,這與目前大多數(shù)研究結(jié)論一致[2]。此外,根據(jù)NCBI(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/)和RiceVarMap(http://ricevarmap.ncpgr.cn/)網(wǎng)站相關(guān)信息,選擇MSU/TIGR Rice Psedomolecule Release 7.0進(jìn)行blast比對分析發(fā)現(xiàn),Marker1642127~Marker1514505區(qū)間覆蓋了粒寬基因GW5[7];而Marker910209~Marker823024區(qū)間與粒形基因GS3[10]無關(guān),兩者所對應(yīng)的物理位置(MSU/TIGR 7.0)相距約37 kb,表明該區(qū)間的粒形QTL極可能是一個新的粒形主效控制基因,且具有一因多效功能,這需要后續(xù)工作進(jìn)一步探索驗證。本研究結(jié)果不僅為克隆粒形控制基因和開發(fā)相關(guān)分子標(biāo)記提供參考,也展現(xiàn)了不同稻種資源在水稻性狀基因及其育種改良研究中的潛在價值。
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(責(zé)任編輯 姜 萍)
QTL Analysis of Grain Shape Trait of Rice
PENG Qiang1, ZHANG Da-shuang1, WU Jian-qiang1, ZHANG Yu-shan2, WANG Ji-feng1, HUANG Pei-ying1, ZHU Su-song1*
(1.Guizhou Rice Research Institute, Guiyang Guizhou 550006, China; 2.Guizhou Institute of Bio-technology, Guiyang Guizhou 550006, China)
A mapping population of 150 lines (recombination inbred lines, RIL), derived from a cross between rice varieties V20B and CPSLO17, and their grain shape phenotype data were used to analyze QTLs location and evaluate their genetic effects by using ICIM-ADD method of IciMapping 4.0 software. The results showed that a total of 12 QTLs for grain shape trait were detested, of whcih 5 for grain length (namedqGL-1,qGL-2,qGL-3,qGL-7 andqGL-10, respectively), 3 for grain width (namedqGW-2,qGW-4 andqGW-5, respectively), 4 for length/width ratio (namedqLWR-1,qLWR-3,qLWR-5 andqLWR-7, respectively). These QTLs distributed on chromosomes 1, 2, 3, 4, 5, 7 and 10. A QTLs cluster with major effects on grain length and length/width ratio was located in the Marker910209-Marker823024 interval on chromosomes 3. The phenotypic variances were explained by this QTLs were 21.37 % and 28.35 %, respectively. QTLs control grain width and length/width ratio were clustered in the Marker1642127-Marker1514505 region of chromosomes 5, which contributed 29.71 % and 17.42 % to the phenotypic variances, respectively.
Indicarice; Appearance quality; Molecular marker; Linkage map; Quantitative trait locus
1001-4829(2016)08-1766-05
10.16213/j.cnki.scjas.2016.08.002
2015-10-10
貴州省聯(lián)合基金項目“水稻高密度遺傳圖譜構(gòu)建和堊白QTL定位分析”[黔科合LH字(2014)7689]
彭 強(qiáng)(1986-),男,助理研究員,碩士,從事水稻分子育種研究,E-mail:450058876@163.com,*為通訊作者。
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