水稻地方品種高抗性淀粉含量QTL挖掘與定位

林靜 張云輝 張所兵 陳海元 朱曉妹 唐偉杰 方先文

摘要：以高抗性淀粉秈稻品種扎西瑪和江蘇省著名優(yōu)質(zhì)粳稻南粳46為親本構(gòu)建的重組自交系為材料，運(yùn)用AOAC法測定了群體家系的抗性淀粉含量，用于QTL分析的分子連鎖圖譜包含202個SSR分子標(biāo)記。本研究共檢測到2個加性QTL：qRS-6和qRS-8，分別位于第6和第8染色體上，共解釋58.38%的表型變異。其中，來源于高值親本扎西瑪?shù)膓RS-6貢獻(xiàn)率高達(dá)51.38%，是一個主效的QTL位點;來源于低值親本南粳46的qRS-8貢獻(xiàn)率只有7%。結(jié)果可為高抗性淀粉水稻育種提供資源，進(jìn)一步挖掘緊密連鎖分子標(biāo)記奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：水稻;重組自交系;抗性淀粉;QTLs

中圖分類號： S511.01? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）23-0058-03

收稿日期：2021-03-16

基金項目：江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金[編號：CX（18）1001]。

作者簡介：林 靜（1981—），女，江蘇海安人，碩士，副研究員，主要從事水稻資源研究。E-mail：534663739@qq.com。

水稻大米是亞太地區(qū)主食，大量的淀粉存在于大米胚乳中，但其中的抗性淀粉含量很低，熱米飯中抗性淀粉含量一般低于1%，冷米飯中也僅為10%～2.1%[1]。隨著社會的發(fā)展，人們物質(zhì)生活水平的提高，飲食結(jié)構(gòu)也發(fā)生了巨大的改變。體內(nèi)血糖含量超標(biāo)人群以及肥胖人群不斷增加。稻米中的抗性淀粉具有與水溶性膳食纖維相似的生理功能。高抗性淀粉大米既可以滿足飽腹的需求，又能夠防止糖尿病患者餐后血糖的快速升高，避免減肥人士攝入過多能量[2-5]。前期抗性淀粉的研究主要集中于功能性試驗以及含量測定[6-9]，目前，主要集中在稻米抗性淀粉的形成、理化特性及其與直鏈淀粉的關(guān)系等方面[10-16]，而對于高抗性淀粉水稻的遺傳改良研究相關(guān)報道不多[17-18]。

地方品種資源中篩選出的高抗性淀粉水稻存在農(nóng)藝性狀較差、產(chǎn)量不高、品質(zhì)差、適口性不好等缺點，無法直接用于生產(chǎn)與推廣。水稻育種工作者希望通過配置抗性淀粉含量差異較大的遺傳群體，對控制抗性淀粉含量的性狀進(jìn)行數(shù)量性狀基因座（quantitative trait locus，QTL）定位，找到該性狀連鎖的分子標(biāo)記，通過分子標(biāo)記輔助選擇，將高抗性淀粉QTL導(dǎo)入到生產(chǎn)上大面積推廣的品種中，可縮短育種進(jìn)程，及早培育出適應(yīng)生產(chǎn)和市場的高抗性淀粉水稻新品種。筆者所在研究室利用AOAC測定方法篩選出一個高抗性淀粉水稻品種扎西瑪，與優(yōu)良食味水稻品種南粳46配置重組自交系，運(yùn)用已經(jīng)構(gòu)建的遺傳圖譜對獲得的表型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對水稻高抗性淀粉性狀進(jìn)行QTL定位，以期為高抗性淀粉水稻育種提供標(biāo)記和利用依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以高抗性淀粉秈稻品種扎西瑪為母本，優(yōu)良食味粳稻品種南粳46為父本，通過單粒傳法，獲得143個重組自交系（F8）家系。所有試驗材料于2017年種植于江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗田內(nèi)，按常規(guī)種植，收獲晾干后收集存放于江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院種質(zhì)資源研究中心備用。

1.2 抗性淀粉含量測定

測定米粉中抗性淀粉含量參照羅曦等的方法[19]，精確稱取0.1 g精米粉，加入胰腺α-淀粉酶，37 ℃水浴振蕩消化16 h后，檢測樣品中抗性淀粉含量。每份樣品3次重復(fù)。

1.3 QTL分析

采用Wang等開發(fā)的QTL檢測軟件[20]QTL IciMapping V 3.2進(jìn)行QTL分析，以LOD值2.5為閾值。QTL命名遵循McCouch原則[21]。

2 結(jié)果與分析

2.1 親本與群體抗性淀粉（RS）含量分析

高抗性淀粉品種扎西瑪?shù)腞S含量達(dá)2.42%，南粳46為0.58%，差異有統(tǒng)計學(xué)意義。用于QTL檢測的重組自交系群體RS含量為0.33%～249%，其變化表現(xiàn)為連續(xù)偏正態(tài)分布（圖1），偏度為-0.659，峰度為-0.970。有一定數(shù)量的株系抗性淀粉含量超過親本，表明該性狀是由多基因控制的數(shù)量性狀。

2.2 抗性淀粉含量的QTL分析

本研究前期運(yùn)用較均勻分布于水稻12條染色體上的202對SSR多態(tài)性分子標(biāo)記，構(gòu)建了該重組自交系的分子連鎖圖譜，全長1 437.3 cM，平均圖距8.1 cM，可以用于QTL定位。結(jié)合抗性淀粉測定數(shù)據(jù)，利用QTL IciMapping 3.2分析QTL的位置及遺傳效應(yīng)。共檢測到2個控制抗性淀粉含量的加性QTL（qRS-6，qRS-8），分別位于第6和第8染色體上（圖2、表1），共解釋了58.38%的表型變異。qRS-6 的貢獻(xiàn)率高達(dá)51.38%，是一個主效的QTL位點，加性效應(yīng)為正值，表明抗性淀粉含量的增效位點來源于高抗性淀粉親本扎西瑪。qRS-8的貢獻(xiàn)率較低，為7.00%，但加性效應(yīng)為負(fù)值，表明增效位點來源于低抗性淀粉親本南粳46。

3 結(jié)論與討論

大面積推廣品種正面臨遺傳基礎(chǔ)單一的問題。充分挖掘地方品種中蘊(yùn)含的優(yōu)異基因資源，對推動現(xiàn)代育種具有積極的意義。相關(guān)研究表明，水稻大部分性狀，如穗長、粒形、抗病、耐鹽等，都屬于多基因控制的數(shù)量性狀，遺傳基礎(chǔ)復(fù)雜[22-25]?？寺?shù)量性狀基因時，首先要通過構(gòu)建合適的作圖群體鑒定出數(shù)量性狀相關(guān)QTL，分析每個QTL的位置和效應(yīng);再通過不斷回交的方式將不同的QTL分開，獲得相同背景的近等基因系，復(fù)雜性狀才能被分解成單個孟德爾因子，以便開展下一步的工作。水稻的很多重要性狀QTL就是通過這種方法得到了克隆[26-29]。

大米作為我國的傳統(tǒng)主食，其淀粉適口性好。而抗性淀粉因其突出的生理作用，成為功能性食品的研究熱點。水稻育種工作者希望能培育出高抗性淀粉水稻品種，以滿足糖尿病人、減肥人士等特殊人群的需求。稻米抗性淀粉含量測定工作量非常大。因此，水稻育種者希望能找到與高抗性淀粉性狀緊密連鎖的分子標(biāo)記，通過標(biāo)記輔助選擇，大大減少測定工作量。對抗性淀粉的遺傳學(xué)進(jìn)行研究，也有助于在分子層面解釋水稻抗性淀粉的形成和發(fā)育機(jī)制，對培育高抗性淀粉水稻品種具有重要的意義。

本試驗中，扎西瑪/南粳46的重組自交系群體中抗性淀粉含量表現(xiàn)為連續(xù)的單峰偏正態(tài)分布。位于第6染色體上的qRS-6為主效QTL，效應(yīng)值達(dá)51.38%，表明水稻抗性淀粉含量是由少數(shù)主效基因和多個微效基因以及非等位基因間互作所控制的數(shù)量性狀（QTL）。與以往的遺傳研究結(jié)論[19，30]一致。并且位于第6染色體上的qRS-6與羅曦等利用不同遺傳群體檢測到的位點基本一致，均位于標(biāo)記RM510附近，可能是同一位點[19]。后續(xù)的研究將集中在與該主效位點緊密連鎖的分子標(biāo)記的開發(fā)，為高抗性淀粉水稻育種提供分子標(biāo)記。

參考文獻(xiàn)：

[1]Englyst H，Wiggins H S，Cummings J H.Determination of the non-starch polysaccharides in plant foods by gas-liquid chromatography of constituent sugars as alditol acetates[J]. The Analyst，1982，107（1272）：307-318.

[2]Kwak J H，Paik J K，Kim H I，et al. Dietary treatment with rice containing resistant starch improves markers of endothelial function with reduction of postprandial blood glucose and oxidative stress in patients with prediabetes or newly diagnosed type 2 diabetes[J]. Atherosclerosis，2012，224（2）：457-464.

[3]Wang H S，Pang G C.Effect of resistant and digestible rice starches on human cytokine and lactate metabolic networks in serum[J]. Cytokine，2017，93：57-65.

[4]Ananda D，Zuhairini Y，Sutadipura N.Resistant starch in cooled white rice reduce glycaemic index[J]. Obesity Research & Clinical Practice，2013，7（1）：38.

[5]吳 偉，劉 鑫，楊朝柱，等. 抗性淀粉及預(yù)防糖尿病和肥胖癥功能稻米研究進(jìn)展[J]. 核農(nóng)學(xué)報，2006，20（1）：60-63，22.

[6]Eggum B O，Juliano B O，Perez C M，et al. The resistant starch，undigestible energy and undigestible protein contents of raw and cooked milled rice[J]. Journal of Cereal Science，1993，18（2）：159-170.

[7]Rosin P M，Lajolo F M，Menezes E W.Measurement and characterization of dietary starches[J]. Journal of Food Composition and Analysis，2002，15（4）：367-377.

[8]Crosby G A. Resistant starch makes better carbs[J]. Funct Foods & Nutrace，2003（6）：34-36.

[9]Kim W K，Chung M I K，Kang N，et al. Effect of resistant starch from corn or rice on glucose control，colonic events，and blood lipid concentrations in streptozotocin-induced diabetic rats[J]. The Journal of Nutritional Biochemistry，2003，14（3）：166-172.

[10]Ashwar B A，Gani A，Wani I A，et al. Production of resistant starch from rice by dual autoclaving-retrogradation treatment：invitro digestibility，thermal and structural characterization[J]. Food Hydrocolloids，2016，56：108-117.

[11]Sun J A，Wu D X，Xu J Y，et al. Characterisation of starch during germination and seedling development of a rice mutant with a high content of resistant starch[J]. Journal of Cereal Science，2015，62：94-101.

[12]Itoh Y，Crofts N，Abe M，et al. Characterization of the endosperm starch and the pleiotropic effects of biosynthetic enzymes on their properties in novel mutant rice lines with high resistant starch and amylose content[J]. Plant Science，2017，258：52-60.

[13]Kiatponglarp W，Tongta S，Rolland-Sabaté A，et al. Crystallization and chain reorganization of debranched rice starches in relation to resistant starch formation[J]. Carbohydrate Polymers，2015，122：108-114.

[14]Pongjanta J，Utaipattanaceep A，Naivikul O，et al. Debranching enzyme concentration effected on physicochemical properties and α-amylase hydrolysis rate of resistant starch type III from amylose rice starch[J]. Carbohydrate Polymers，2009，78（1）：5-9.

[15]Hung P V，Vien N L，Phi N T L.Resistant starch improvement of rice starches under a combination of acid and heat-moisture treatments[J]. Food Chemistry，2016，191：67-73.

[16]Chen M H，Bergman C J，McClung A M，et al. Resistant starch：variation among high amylose rice varieties and its relationship with apparent amylose content，pasting properties and cooking methods[J]. Food Chemistry，2017，234：180-189.

[17]牟方貴，閆宗武，冉瑞林，等. 水稻抗性淀粉相關(guān)SSR標(biāo)記的初步研究[J]. 分子植物育種，2008，6（3）：432-438.

[18]羅 曦，黃錦峰，朱永生，等. 水稻功米3號高抗性淀粉性狀的遺傳分析[J]. 農(nóng)業(yè)生物技術(shù)學(xué)報，2014，22（1）：10-16.

[19]羅 曦，黃錦峰，朱永生，等. 稻米抗性淀粉含量測定方法的比較分析[J]. 福建農(nóng)業(yè)學(xué)報，2011，26（5）：822-826.

[20]Wang J K，Wan X Y，Li H H，et al. Application of identified QTL-marker associations in rice quality improvement through a design-breeding approach[J]. Theoretical and Applied Genetics，2007，115（1）：87-100.

[21]Mccouch S R，Cho Y G，Panl E，et al. Report on QTL nomenclature[J]. Rice Genet Newsl，1997，14：11-13.

[22]張云輝，張所兵，林 靜，等. 長穗型水稻地方品種中穗長QTL的挖掘與定位[J]. 分子植物育種，2018，16（12）：3967-3972.

[23]游 佳，谷 晗，朱 澤，等. 水稻粒質(zhì)量和粒形QTL定位及粒長位點qGL3.2的鑒定[J]. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2019，42（4）：612-621.

[24]林 靜，張所兵，張云輝，等. 利用染色體片段置換系定位水稻抗紋枯病QTLs[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報，2013，29（4）：691-695.

[25]林 靜，張云輝，陳海元，等. 水稻地方品種苗期耐鹽QTL的定位[J]. 華北農(nóng)學(xué)報，2019，34（增刊1）：1-5.

[26]Weng J F，Gu S H，Wan X Y，et al. Isolation and initial characterization of GW5，a major QTL associated with rice grain width and weight[J]. Cell Research，2008，18（12）：1199-1209.

[27]Zhang X J，Wang J F，Huang J，et al. Rare allele of OsPPKL1 associated with grain length causes extra-large grain and a significant yield increase in rice[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2012，109（52）：21534-21539.

[28]Ishimaru K，Hirotsu N，Madoka Y，et al. Loss of function of the IAA-glucose hydrolase gene TGW6 enhances rice grain weight and increases yield[J]. Nature Genetics，2013，45（6）：707-711.

[29]Li Y B，F(xiàn)an C C，Xing Y Z，et al. Chalk5 encodes a vacuolar H+-translocating pyrophosphatase influencing grain chalkiness in rice[J]. Nature Genetics，2014，46（4）：398-404.

[30]孫春龍. 水稻抗性淀粉含量性狀的QTL定位及遺傳分析[D]. 長春：吉林大學(xué)，2013.