水稻糙米蛋白質和粗脂肪含量的QTLs分析

摘要：蛋白質和粗脂肪含量是評價稻米營養品質的重要指標，控制水稻（Oryza sativa L.）糙米蛋白質及脂肪含量的基因位點是數量性狀，檢測水稻糙米蛋白質及脂肪含量的數量性狀位點（QTL）對于水稻品質遺傳育種具有重要的意義。通過明恢63和優質泰國香米KDML105兩個秈稻品種為親本雜交的重組自交系（Recombinant inbred line， RIL）群體構建了包含113個簡單重復序列標記（SSR）的遺傳連鎖圖譜，對2009、2010年群體的蛋白質和粗脂肪含量進行了QTL定位。2009年檢測到5個QTLs，其中蛋白質含量檢測到2個QTLs，單個QTL貢獻率分為別為5.44%和5.52%；粗脂肪含量檢測到3個QTLs，單個QTL貢獻率為5.42%～7.30%。2010年蛋白質含量檢測到3個QTLs，單個QTL可解釋表型變異為6.24%～20.75%；未檢測到粗脂肪含量QTL。此外，還檢測到14對粗脂肪含量和8對蛋白質含量的上位性QTLs。

關鍵詞：水稻（Oryza sativa L.）；蛋白質；粗脂肪；重組自交系；數量性狀位點

中圖分類號：S511.2+1；Q943.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2012）21-4709-05

QTLs Mapping of Protein Content and Crude Fat Content in Rice

HUANG Qin，YU Bo，NASSIROU Tondi-yacouba，GAO Guan-jun，ZHANG Qing-lu，HE Yu-qing

（National Key Laboratory of Crop Genetic Improvement， Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，China）

Abstract： Protein content and fat content in rice are important traits for evaluation of nutrient quality which was controlled by polygenes. Recombinant inbred lines （RIL） population derived from a cross between two indica rice varieties， Minghui63 and KDML105， were used to construct a linkage map consisting of 113 simple sequence repeat （SSR） markers. Quantitative trait loci （QTLs） mapping for controlling grain fat and protein content were conducted in 2009 and 2010. 5 QTLs were identified in 2009， including 2 QTLs for grain protein content and 3 QTLs for grain fat content； the phenotypic variation explained by individual QTL ranged from 5.44%～5.52% in protein content and 5.42%～7.30% in fat content. In 2010， 3 QTLs were detected for grain protein content and the phenotypic variation explained by individual QTL ranged from 6.24%～20.75%.

Key words： rice（Oryza sativa L.）； protein content； fat content； RIL； quantitative trait loci （QTL）

世界上超過一半的人口都以水稻為主食，隨著國民經濟的發展，在產量基本穩定的前提下，水稻的品質成為主導稻米市場的主要因素。稻米營養品質包括稻米中的蛋白質、脂肪、維生素、礦質元素等，其中蛋白質和脂肪含量最為重要。稻米蛋白質易被人體消化吸收，且氨基酸配比均衡，賴氨酸含量也較高，是評價稻米營養品質的重要指標。稻米中的脂類含量雖然不高，卻是組成生物細胞必不可少的物質，而且是影響米飯可口性的主要因素，在一定范圍內提高脂肪含量可以改善米飯的香味、光澤度和適口性。目前對水稻品質的研究主要集中在加工品質、外觀品質和蒸煮食味品質等性狀上[1-3]，而關于稻米蛋白質和脂肪的遺傳研究相對較少。

Wang等[4]利用RIL群體通過氨基酸研究蛋白質，共定位到18個控制氨基酸含量的QTLs，其中3個主效QTLs分別位于第1染色體上RM315～RM104區間、第2染色體上RM322～RM521和RM556～RM80區間。Zhong等[5]利用珍汕97和德隴208構建的RIL群體對兩年氨基酸數據進行QTL定位，共檢測到6個QTLs，其中位于第1染色體RM493～RM562區間的qPr1和位于第7染色體的RM445～RM418區間的qPr7在兩年中被重復檢測到。另外，前人也對蛋白質QTL進行了定位研究[6-9]，通過比較這些QTLs，發現很多效應較大和年度間重復性較好的QTLs處于染色體相同區間，同時也有很多QTLs位置不一樣，說明蛋白質基因定位結果比較準確可信，同時也說明水稻蛋白質含量的遺傳較復雜。

關于脂肪含量的遺傳和QTL定位，前人利用不同的群體分別在第5、7、10染色體檢測到幾個主效QTLs[10-12]。Liu等[13]在3個群體中共同檢測到一個主效QTL，該QTL位點位于第5染色體RM87～RM334區間，在3個群體中貢獻率為10.67%～25.77%。上述研究結果表明由于水稻脂肪含量較低，測定復雜，所以檢測到控制稻米脂肪含量的QTL數目較少，并且不同的研究者之間的結果差異較大。

本研究通過明恢63和優質泰國香稻KDML105構建的186個RIL（F7、F8）群體，結合兩年蛋白質和粗脂肪含量表型數據，利用已構建的包含有113對SSR標記的遺傳連鎖圖譜對蛋白質含量和粗脂肪含量進行QTL初步定位，為揭示控制稻米蛋白質和脂肪含量的品質性狀的遺傳基礎和培育優質水稻新品種提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究利用由親本明恢63和KDML105構建的186個F7、F8 RIL群體，于2009、2010年分別種植于華中農業大學試驗農場。每個家系種植兩行，每行12株。水稻子粒成熟后，每個株系混合收種，自然放置3個月后置于干燥器中待用。

1.2 試驗方法

1.2.1 蛋白質含量的測定方法 依據作物遺傳改良國家重點實驗室水稻分子育種組建立的糙米蛋白質模型，用近紅外光譜分析技術（NIRS）對群體蛋白質含量進行測定。

1.2.2 粗脂肪含量的測定方法 采用索氏抽提法（殘余法，GB/T 5512—1985）測定稻米的粗脂肪含量。

1.3 QTL的檢測

根據構建好的分子標記遺傳連鎖圖譜，利用WinQTLCart 2.5對蛋白質和粗脂肪含量進行QTL初步定位，LOD≥2.0為檢測QTL的閾值。

2 結果與分析

2.1 圖譜構建

通過全基因組篩選明恢63和KDML105的 SSR多態性標記，共獲得113個SSR標記構建了該遺傳連鎖圖譜，組成11個連鎖群，總圖距1 840 cM，其中第10染色體上未找到多態性標記。

2.2 蛋白質和粗脂肪含量

2009年親本明恢63和KDML105的蛋白質含量分別為99.81、103.10 mg/g，重組自交系群體平均蛋白質含量為108.34 mg/g，群體變異范圍為96.89～123.09 mg/g；2010年親本明恢63和KDML105的蛋白質含量分別為116.52、118.17 mg/g，群體平均蛋白質含量為113.28 mg/g，群體變異范圍為102.30～124.62 mg/g。2009年親本明恢63和KDML105的粗脂肪含量分別為3.13%、2.70%，群體平均粗脂肪含量為3.26%，群體變異范圍為2.56%～4.04%；2010年親本明恢63和KDML105的粗脂肪含量分別為3.45%和3.03%，群體平均粗脂肪含量為3.29%，群體變異范圍分別為2.53%～3.98%（表1）。由以上數據可以看出蛋白質含量和粗脂肪含量均表現出雙向超親分離現象。

在兩年間，蛋白質含量和粗脂肪含量在群體中都呈現連續分布（圖1），因此這兩個性狀都受多基因控制，為數量遺傳性狀，適合用于QTL分析。

2.3 蛋白質與粗脂肪含量的QTL定位結果

對糙米蛋白質含量和粗脂肪含量進行了QTL檢測和基因效應分析，檢測結果見表2和圖2。共檢測到5個水稻糙米蛋白質含量QTLs，其中2009年檢測到2個QTLs，分別位于第6、11染色體上，單個QTL對群體糙米蛋白質含量表型變異的貢獻率分別為5.44%和5.52%，聯合貢獻率為10.96%；2010年檢測到3個QTLs，分別位于第3和第12染色體上，單個QTL對群體糙米蛋白質含量表型變異的貢獻率為6.24%～20.75%，聯合貢獻率為37.92%。其中，位于第12染色體的RM20～RM28316區間的qPC-12-1效應最大，貢獻率達20.75%，其加性效應值為-2.020 0，其增效等位基因來自KDML105，KDML105為高值親本；位于第12染色體的qPC-12-2的效應次之，貢獻率為10.93%，其加性效應值為-1.480 0，同樣是來自KDML105的等位基因解釋變異；其他QTLs的增效等位基因也均來源于KDML105。

粗脂肪含量在2009年檢測到3個QTLs，分別位于第1、7和8染色體上，單個QTL對粗脂肪含量表型變異的貢獻率為5.42%～7.30%，聯合貢獻率為19.16%，其中位于第7染色體RM11～RM3394區間的qFC-7的效應最大，加性效應值為-0.000 7，親本KDML105等位基因增加粗脂肪含量，對表型變異的貢獻率為7.30%，但是KDML105為粗脂肪含量低值親本。另外兩個QTL的加性效應均為負值，說明增效等位基因也均來源于KDML105（表2）。2010年未檢測到粗脂肪含量QTL位點。

2.4 蛋白質和粗脂肪含量的上位性QTL分析結果

對粗脂肪含量進行上位性QTL分析，共檢測到14對與粗脂肪含量相關的上位性QTLs，聯合貢獻率42.00%，并且14對上位性QTLs貢獻率相同（表3），其原因有待進一步探討。總的來看，在粗脂肪含量的變異中，上位性QTLs占主導地位，主效QTLs只解釋了19.16%的表型變異（表2）。

蛋白質含量共檢測到8對上位性QTLs，這些QTLs分布在第1、2、4、5、6、8、9以及11染色體上，聯合貢獻率為29.94%，其中第6染色體上的主效QTL（RM402～RM5963）和第11染色體上的主效QTL（RM332～RM26386）參與了上位性互作（表4）。

3 討論

3.1 水稻糙米蛋白質含量的QTLs分析

水稻蛋白質含量的測定方法較為復雜，關于水稻糙米蛋白質含量的QTL定位的報道比較少。近年來，隨著近紅外儀技術越來越成熟，關于用近紅外儀測定水稻品質性狀的報道也越來越多。謝新華等[14]在NITS定量分析單粒稻谷蛋白質含量研究中通過內部交叉驗證和外部驗證結果表明近紅外定量分析有很高的準確度。因此，目前近紅外光譜法可以較好地替代單粒稻谷常規化學方法對水稻稻米品質進行分析。

本研究采用水稻分子遺傳育種組利用203份核心種質的蛋白質含量測定結果建立的近紅外儀模型（內部未發表數據）檢測材料的糙米蛋白質含量，利用已構建的遺傳連鎖圖譜，采用復合區間作圖法對水稻糙米蛋白質含量進行QTL定位，共檢測到5個水稻糙米蛋白質含量QTLs，分別為qPC-3、qPC-6、qPC-11、qPC-12-1和qPC-12-2，位于第3、6、11和12染色體上（表2）。qPC-6與第6染色體上的Wx基因位置相近，Tan等[15]也定位到Wx基因對蛋白質含量有較大影響。本研究所定位的qPC-3、qPC-6和qPC-11與于永紅等[16]檢測到的稻米蛋白質含量位于相近區域，說明了這3個位點是可信的。而qPC-12-1和qPC-12-2這兩個QTLs，并沒有在前人的研究中被檢測到，而且效應和貢獻率均較小，可能是因為蛋白質含量受環境影響較大。

3.2 水稻糙米粗脂肪含量的QTLs分析

本研究共檢測到3個控制粗脂肪含量的QTLs，分別為qFC-1、qFC-7和qFC-8，位于第1、7和8染色體上（表2）。其中qFC-8與于永紅等[16]定位的qLc-8位置接近，其余的均屬于新檢測到的QTLs。粗脂肪含量檢測到的QTLs對表型的貢獻率均較小，并且兩年沒有重復檢測到，說明粗脂肪為復雜的數量性狀，受多基因控制，其性狀的表達是通過眾多基因在特定遺傳背景和環境下相互作用的結果。另外有研究表明，水稻子粒不同發育時期粗脂肪含量差異較大，因此取樣時間上的差異會對QTL定位結果有很大的影響。

3.3 水稻糙米蛋白質和粗脂肪含量的上位性QTL分析

粗脂肪含量14對上位性OTLs互作效應的總效應大于3個主效OTLs加性效應之和，說明RIL群體內上位性效應是比加性效應更重要的遺傳效應。可見稻米粗脂肪含量是由主效基因和上位性效應共同作用的一類性狀，同時也可能有環境效應的作用，遺傳基礎復雜，這也解釋了檢測到的QTL很少的原因。但此次檢測到的14對上位性QTLs經反復檢驗貢獻率相同，其原因有待進一步探索。

通過對蛋白質含量兩年數據聯合分析表明，基因互作可以是同一染色體上不同位點間的互作，也可以是不同染色體上位點間的互作。同時互作還可以發生在QTL與QTL、QTL與非QTL、非QTL與非QTL之間，這些基因互作表明基因間的關系復雜。

3.4 水稻糙米蛋白質和粗脂肪含量的分子遺傳改良

KDML105是品質優良且為國際著名的泰國香稻，也是泰國出口的主要香米品種。前期我們知道其主要特點是具有合適的直鏈淀粉含量、膠稠度和糊化溫度，且適口性較好。本研究通過明恢63和KDML105構建的重組自交系群體定位了蛋白質和粗脂肪含量的QTLs，發現這兩種QTLs全部來自KDML105，說明蛋白質和粗脂肪含量對KDML105其他方面的優質可能具有一定促進作用。根據這一結果，可以將本研究的QTLs通過分子標記輔助選擇改良我國水稻品種，如明恢63等，可能具有較好的品質改良效果。

參考文獻：

[1] MEI H W，LOU L J，GUO L B. Molecular mapping of QTLs for rice milling yield traits[J]. Acta Genet Sin，2002，29（9）：791-797.

[2] LI Z F， WAN J M， XIA J F. Mapping quantitative trait loci underlying appearance quality of rice grains（Oryza sativa L.）[J]. Acta Genet Sin，2003，30（3）：251-259.

[3] LI Z F， WAN J M， XIA J F，et al. Identification of quantitative trait loci underlying milling quality of rice （Oryza sativa L.） grains[J]. Plant Breeding，2004，123：229-234.

[4] WANG L Q，ZHONG M，LI X H，et al. The QTL controlling amino acid content in grain of rice（Oryza sativa） were co-localized with the regions involved in amino acid metabolism pathway[J].Molecular Breeding， 2008， 21（1）：127-137.

[5] ZHONG M，WANG L Q，YUAN D J，et al. Identification of QTL affecting protein and amino acid contents in rice[J]. Rice Science，2011，18（3）：187-195.

[6] TAN Y F， LI J X， YU S B， et al. The three important traits for cooking and eating quality of rice grains are controlled by a single locus in an elite rice hybrid， Shanyou 63[J]. Theor Appl Genet，1999，99：642-648.

[7] YOSHIDA S， IKEGAMI M， KUZE J， et al. QTL analysis for plant and grain characters of sake-brewing rice using a doubled haploid population[J]. Breed Sci，2002，52：309-317.

[8] XING Y Z， TAN Y F， HUA J P， et al. Characterization of the main effects， epistatic effects and their environmental interactions of QTLs on the genetic basis of yield traits in rice [J]. Theor Appl Genet，2002，105（2-3）：248-257.

[9] ALUKO G， MARTINEZ C， TOHME J， et al. QTL mapping of grain quality traits from the interspecific cross Oryza sativa ×O. glaberrima[J]. Theor Appl Genet，2004，109（3）：630-639.

[10] KANG H J， CHOYQLEE Y T， KJM Y D， et al. QTL mapping of genes related with grain chemical properties based on molecular map of rice[J]. Crop Sci，1998，43（4）：199-204.

[11] 吳長明，孫傳清，陳 亮，等.控制稻米脂肪含量的QTLs分析[J].農業生物技術學報，2000，8（4）：352-354.

[12] HU Z L，LI P，ZHOU M Q，et al. Mapping of quantitative trait loci（QTLs） for rice protein and fat content using doubled haploid lines[J]. Euphytica，2004，135：47-53.

[13] LIU W J， ZENG J， JANG G H， et al. QTLs identification of crude fat content in brown rice and its genetic basis analysis using DH and two backcross populations[J]. Euphytica，2009，169：197-205.

[14] 謝新華，肖 昕，劉彥卓，等.小批量稻谷種子蛋白質含量的近紅外透射光譜分析[J].湖北農業科學，2004（2）：16-18.

[15] TAN Y F， SUN M， XING Y Z， et al. Mapping quantitative trait loci for milling quality， protein content and color characteristics of rice using a recombinant inbred line population derived from an elite rice hybrid[J]. Theor Appl Genet， 2001，103（6-7）：1037-1045.

[16] 于永紅，朱智偉，樊葉楊，等.應用重組自交系群體檢測控制水稻糙米粗蛋白和粗脂肪含量的QTL[J].作物學報，2006，32（11）：1712-1716.

收稿日期：2012-05-10

基金項目：國家自然科學基金項目（30971550）；國家“863”計劃項目（2012AA101102）；植物轉基因專項（2011ZX08001-002）；現代農業水稻產業

技術體系項目（CARS-01-03）

作者簡介：黃 覃（1986-），女，湖北荊州人，在讀碩士研究生，研究方向為水稻分子育種，（電話）13036150850（電子信箱）qingzi3226@163.com；

通訊作者，何予卿，教授，（電子信箱）yqhe@mail.hzau.edu.cn。