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水稻外觀品質(zhì)性狀和千粒重的QTLs分析

2012-12-31 00:00:00于波高冠軍張慶路
湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2012年19期

摘要:通過(guò)以明恢63和優(yōu)質(zhì)泰國(guó)香米KDML105兩個(gè)秈稻品種為親本雜交的重組自交系(Recombinant inbred line, RIL)群體,構(gòu)建包含134個(gè)簡(jiǎn)單重復(fù)序列標(biāo)記(SSR)的遺傳連鎖圖譜。2009、2010年對(duì)水稻(Oryza sativa L.)的粒長(zhǎng)、粒寬、粒形、粒厚、腹白率、心白率和千粒重進(jìn)行數(shù)量性狀位點(diǎn)(QTL)定位。2009年檢測(cè)到16個(gè)QTLs,其中粒長(zhǎng)、粒寬、粒形、粒厚、腹白率、心白率和千粒重分別檢測(cè)到2、2、1、1、1、1和8?jìng)€(gè)QTLs,單個(gè)QTL可解釋表型變異的4.43%~13.06%。2010年檢測(cè)到19個(gè)QTLs,其中粒長(zhǎng)、粒寬、粒形、粒厚、腹白率、心白率和千粒重分別檢測(cè)到2、3、3、2、3、3和3個(gè)QTLs,單個(gè)QTL可解釋表型變異的6.04%~24.31%。千粒重qTGW-3和qTGW-6-2在2009、2010年兩年中均被重復(fù)檢測(cè)到,qTGW-3在兩年中分別可解釋表型變異的13.06%和7.12%,qTGW-6-2在兩年中分別可解釋表型變異的7.66%和14.56%。

關(guān)鍵詞:水稻(Oryza sativa L.);外觀品質(zhì)性狀;千粒重;QTL

中圖分類(lèi)號(hào):S511.2+1;Q943.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):0439-8114(2012)19-4187-06

外觀品質(zhì)是水稻(Oryza sativa L.)的重要性狀。水稻的外觀品質(zhì)主要由粒長(zhǎng)、粒寬、長(zhǎng)寬比、粒厚以及堊白決定。其中粒長(zhǎng)、粒寬、長(zhǎng)寬比以及粒厚通常稱(chēng)為粒形相關(guān)性狀。水稻的粒形與水稻的產(chǎn)量性狀密切相關(guān)[1],還與水稻的加工品質(zhì)以及蒸煮食味品質(zhì)等都存在著密切的關(guān)系[2]。堊白是水稻外觀品質(zhì)的重要性狀,根據(jù)發(fā)生部位的不同可分為心白、腹白和背白。稻米堊白使稻米在加工的過(guò)程中容易破裂,導(dǎo)致整精米率下降,同時(shí)堊白米也使米飯的口感降低[3]。千粒重是水稻產(chǎn)量的重要決定因素,同時(shí)千粒重與堊白性狀存在相關(guān)性[4,5]。隨著我國(guó)人口的迅速增長(zhǎng),對(duì)水稻的產(chǎn)量提出了越來(lái)越高的要求。同時(shí),隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活水平的提高,對(duì)稻米品質(zhì)的要求也越來(lái)越高。優(yōu)質(zhì)的稻米不僅口感優(yōu)良,堊白率低,而且要有美觀的外形。因此,在提高水稻產(chǎn)量的基礎(chǔ)上,改良稻米的品質(zhì),對(duì)于保障國(guó)家糧食安全以及提高人們生活水平有著重要的意義。通常認(rèn)為,水稻的粒長(zhǎng)、粒寬、粒厚以及長(zhǎng)寬比都屬于多基因控制的數(shù)量性狀[6-10]。其中也不乏主效QTL,如GS3[11]、GW2[12]、qSW5[13]以及GW5[14]等主效基因。而粒重為粒長(zhǎng)、粒寬和粒厚的綜合指標(biāo),一般也認(rèn)為粒重為多基因控制的數(shù)量性狀[15,16]。本研究利用以明恢63與KDML105為親本構(gòu)建的RIL群體,通過(guò)分子標(biāo)記構(gòu)建遺傳連鎖圖譜,對(duì)水稻的粒長(zhǎng)、粒寬、粒形、粒厚、腹白率、心白率和千粒重進(jìn)行QTL初步定位,為水稻產(chǎn)量提高與外觀品質(zhì)的遺傳改良提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及各指標(biāo)測(cè)定

利用由明恢63和KDML105構(gòu)建的186個(gè)F7、F8 RIL群體,于2009、2010年分別種植于華中農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)。每個(gè)家系種植兩行,每行12株,成熟后按株系混收中間10株,自然干燥后置于室溫下至少保存3個(gè)月后開(kāi)始各性狀的測(cè)定。每株系隨機(jī)選取10粒飽滿(mǎn)的谷粒進(jìn)行粒長(zhǎng)和粒寬的測(cè)定。以粒長(zhǎng)/粒寬作為粒形的考查指標(biāo)。根據(jù)堊白的位置,將堊白區(qū)分為腹白及心白分別進(jìn)行考察,隨機(jī)挑選100粒整精米分別對(duì)腹白率以及心白率進(jìn)行考察。千粒重隨機(jī)挑選200粒飽滿(mǎn)的種子來(lái)稱(chēng)重,然后折算為千粒重。谷粒粒厚的測(cè)量方式為隨機(jī)挑選10粒飽滿(mǎn)的谷粒,對(duì)單個(gè)谷粒粒厚進(jìn)行測(cè)量。每個(gè)指標(biāo)設(shè)3個(gè)重復(fù)。

1.2 多態(tài)性標(biāo)記篩選及RIL群體基因型統(tǒng)計(jì)

每個(gè)家系挑選中間單株,取葉片1~2 g,參照Temnykh等[17]和McCouch等[18]發(fā)表的水稻分子圖譜,同時(shí)利用微衛(wèi)星標(biāo)記數(shù)據(jù)庫(kù)所包含的引物信息對(duì)親本間進(jìn)行多態(tài)性標(biāo)記篩選,將得到的多態(tài)性標(biāo)記對(duì)RIL群體進(jìn)行基因型鑒定,并記錄各標(biāo)記的群體基因型。

1.3 遺傳連鎖圖譜的構(gòu)建和QTL的定位

利用Mapmakr/EXP 3.0[19]軟件構(gòu)建明恢63×KDML105的RIL群體分子標(biāo)記遺傳連鎖圖譜,并利用WinQTLCart對(duì)粒長(zhǎng)、粒寬、粒形、粒厚、腹白率、心白率和千粒重進(jìn)行QTL初步定位,以LOD≥2.0為檢測(cè)QTL的閾值。QTL按照MoCouch等[20]提出的規(guī)則進(jìn)行命名。

2 結(jié)果與分析

2.1 連鎖圖譜的構(gòu)建

累計(jì)對(duì)1 900對(duì)SSR標(biāo)記進(jìn)行篩選,共篩選到134個(gè)在親本間有多態(tài)性的SSR標(biāo)記,利用Mapmaker/Exp 3.0獲得連鎖圖譜。134個(gè)標(biāo)記共形成11個(gè)連鎖群,第10染色體上沒(méi)有找到可用多態(tài)性標(biāo)記,并沒(méi)有形成連鎖群,所有標(biāo)記分布于除了第10染色體上的其他11條染色體上(圖1)。

2.2 親本及群體外觀品質(zhì)性狀及千粒重的表現(xiàn)

親本明恢63與KDML105在粒長(zhǎng)、粒寬、粒形、粒厚、腹白率、心白率和千粒重上均存在差異(表1)。在重組自交系群體中,粒長(zhǎng)、粒寬、粒形、粒厚、腹白率、心白率和千粒重在表型上表現(xiàn)出連續(xù)變異,呈雙向超親分離。因此,粒長(zhǎng)、粒寬、粒形、粒厚、腹白率、心白率和千粒重都為數(shù)量遺傳性狀。

2.3 外觀品質(zhì)性狀及千粒重的相關(guān)性分析

兩年粒長(zhǎng)與粒寬相關(guān)性均不顯著,除此之外粒長(zhǎng)與粒厚、粒形和千粒重兩年均存在極顯著的正相關(guān)。在2010年檢測(cè)到粒寬與粒厚存在極顯著的正相關(guān),粒寬在兩年中與腹白率、心白率和千粒重都存在顯著或者極顯著的正相關(guān),粒寬在兩年中與粒形都存在著極顯著的負(fù)相關(guān)。粒厚在兩年中除了在2009年與粒寬沒(méi)有檢測(cè)到顯著的相關(guān)性外,與粒長(zhǎng)、千粒重及2010年粒寬均存在極顯著正相關(guān),粒厚與粒形未檢測(cè)到顯著的相關(guān)性。腹白率與心白率在兩年都檢測(cè)到極顯著的正相關(guān)。在兩年的數(shù)據(jù)中,千粒重與粒長(zhǎng)、粒寬和粒厚都存在極顯著的正相關(guān)(表2)。

2.4 外觀品質(zhì)性狀及千粒重的QTLs定位結(jié)果

粒長(zhǎng)、粒寬、粒形、粒厚、腹白率、心白率和千粒重在2009、2010年分別檢測(cè)到16、19個(gè)QTLs,其中有2個(gè)QTLs在兩年中被重復(fù)檢測(cè)到(表3,圖1)。粒長(zhǎng)在2009、2010年分別檢測(cè)到2個(gè)QTLs,分布于第4、5和8染色體上,其中以第8染色體RM515~RM433區(qū)間的qGL-8的效應(yīng)最大,其加性效應(yīng)為

-0.200,來(lái)源于親本KDML105的等位基因增加粒長(zhǎng),可解釋表型變異的24.31%。粒寬在2009、2010年分別檢測(cè)到2、3個(gè)QTLs,分布在第1、2、3和6染色體上,其中位于第6染色體RM584~RM402區(qū)間的qGW6-1的效應(yīng)最大,其加性效應(yīng)為0.057,來(lái)源于親本明恢63的等位基因增加粒寬,可解釋表型變異的22.34%。粒形在2009、2010年分別檢測(cè)到1、3個(gè)QTLs,分布于第5、6和9染色體上,其中位于第6染色體RM584~RM402區(qū)間的qGS-6效應(yīng)最大,其加性效應(yīng)為-0.092,來(lái)源于親本KDML105的等位基因起增效作用,可解釋表型變異的19.31%。粒厚在2009、2010年分別檢測(cè)到1、2個(gè)QTLs,分布于第3和第6染色體上,其中位于第3染色體RM186~RM448區(qū)間的qGT-3-1的效應(yīng)最大,其加性效應(yīng)為0.018,來(lái)源于親本明恢63的等位基因增加粒厚,可解釋表型變異的9.76%。腹白率在2009、2010年分別檢測(cè)到1、3個(gè)QTLs,分布于第2、5和6染色體上,其中位于第2染色體RM5812~RM13608區(qū)間的qWBR-2效應(yīng)最大,其加性效應(yīng)為5.000,來(lái)源于親本明恢63的等位基因增加腹白率,可解釋表型變異的14.70%。心白率在2009、2010年分別檢測(cè)到1、3個(gè)QTLs,分布于第2、4和5染色體上,其中位于第2染色體體RM341~RM327區(qū)間的qWCR-2效應(yīng)最大,其加性效應(yīng)為2.970,來(lái)源于親本明恢63的等位基因增加心白率,可解釋表型變異的18.40%。千粒重在2009、2010年分別檢測(cè)到8、3個(gè)QTLs,分布于第1、3、4、6和8染色體上,其中qTGW-6-2的效應(yīng)最大,其加性效應(yīng)為1.110,來(lái)源于親本明恢63的等位基因增加千粒重,可解釋表型變異的14.56%。其中,qTGW-3和qTGW-6-2在兩年中都被重復(fù)檢測(cè)到,qTGW-3在兩年的加性效應(yīng)分別為0.860和0.740,分別可解釋表型變異的13.06%和7.12%;qTGW-6-2在兩年的加性效應(yīng)分別為0.720和1.110,分別可解釋表型變異的7.66%和14.56%,2個(gè)QTLs的加性效應(yīng)均來(lái)源于親本明恢63的等位基因。

3 討論

3.1 連鎖圖的構(gòu)建

在一般利用重組自交系構(gòu)建連鎖圖譜的過(guò)程中,通常采用的都是不同亞種間的雜交群體。因?yàn)椴煌瑏喎N間具有較遠(yuǎn)的親緣關(guān)系,因此親本間的多態(tài)性較高,容易篩選多態(tài)性標(biāo)記,也易于構(gòu)建遺傳連鎖圖譜。在本研究中,所采用的兩個(gè)親本明恢63和KDML105都是秈稻,在連鎖圖譜的構(gòu)建過(guò)程中,所得到的多態(tài)性標(biāo)記數(shù)量有限。總共篩選了1 900對(duì)標(biāo)記,只得到134個(gè)多態(tài)性標(biāo)記用于遺傳連鎖圖譜的構(gòu)建,并且在所構(gòu)建的遺傳連鎖圖譜中存在著一些Gap。

3.2 水稻外觀品質(zhì)性狀以及千粒重的相關(guān)性

兩年中,粒長(zhǎng)與粒寬相關(guān)性均不顯著,與邢永忠等[21]和林荔輝等[22]結(jié)果一致,表明粒長(zhǎng)、粒寬可能受到不同的遺傳機(jī)制控制。兩年中,粒長(zhǎng)都與粒形呈顯著正相關(guān)以及粒寬與粒形呈極顯著負(fù)相關(guān),與王松鳳等[23]結(jié)果一致,表明粒形取決于粒長(zhǎng)與粒寬,并且可以通過(guò)單獨(dú)對(duì)粒長(zhǎng)或者粒寬進(jìn)行選擇從而得到理想的粒形。兩年中,粒寬與腹白率和心白率均存在顯著或者極顯著正相關(guān),因此粒寬變寬將導(dǎo)致堊白率的升高。同時(shí),腹白率與心白率均檢測(cè)到極顯著的正相關(guān),表明腹白與心白可能存在相似的遺傳基礎(chǔ)。在兩年中,千粒重與粒長(zhǎng)、粒寬以及粒厚都呈極顯著正相關(guān),說(shuō)明千粒重受粒長(zhǎng)、粒寬以及粒厚影響較大,與粒形沒(méi)有檢測(cè)到相關(guān)性。李賢勇等[24]提出千粒重與堊白率存在顯著正相關(guān),而本研究只在2009年檢測(cè)到千粒重與腹白率存在極顯著正相關(guān),千粒重與心白率則在兩年中都沒(méi)有檢測(cè)到相關(guān)性。因此,千粒重與堊白的關(guān)系需要進(jìn)一步進(jìn)行考察。

3.3 水稻外觀品質(zhì)性狀和千粒重的QTLs定位結(jié)果分析及比較

兩年間粒長(zhǎng)與粒寬的QTLs結(jié)果表明粒長(zhǎng)和粒寬可能具有不同的遺傳基礎(chǔ),與粒長(zhǎng)、粒寬的相關(guān)性分析結(jié)果一致。石春海等[25]認(rèn)為,水稻粒長(zhǎng)和粒形受環(huán)境影響較小,而粒寬和粒厚易受到環(huán)境互作效應(yīng)的影響,但在本研究中粒長(zhǎng)QTLs在兩年中并沒(méi)有被重復(fù)檢測(cè)到,可能是在本研究中QTLs效應(yīng)較小,所以受環(huán)境影響較大并未被重復(fù)檢測(cè)到。而值得注意的是,兩個(gè)解釋表型變異較大的QTLs,分別為控制粒長(zhǎng)的qGL-8-2(貢獻(xiàn)率24.31%)和控制粒寬的qGW-6-1(貢獻(xiàn)率22.34%)都僅在一年中被檢測(cè)到,并沒(méi)有在兩年中重復(fù)檢測(cè)到。通過(guò)分析qGL-8-2和qGW-6-1定位的區(qū)間發(fā)現(xiàn),這兩個(gè)QTLs的定位區(qū)間都超過(guò)20 cM,因此兩個(gè)QTLs效應(yīng)值偏大可能是因?yàn)槎ㄎ粎^(qū)間存在一些緊密連鎖的微效QTLs的效應(yīng)累加。2009年在第4染色體RM252~RM303之間檢測(cè)到粒長(zhǎng)、心白率與千粒重的QTLs,在第3染色體RM186~RM448之間檢測(cè)到粒厚與千粒重的QTLs;2010年在第6染色體RM584~RM402檢測(cè)到粒寬、粒形以及千粒重的QTLs;2009、2010年在第6染色體RM402~RM5963檢測(cè)到千粒重與粒寬的QTLs,在第8染色體RM515~RM433檢測(cè)到千粒重與粒長(zhǎng)的QTLs。因?yàn)槎ㄎ坏膮^(qū)間較寬,很難去區(qū)分這些QTLs是一因多效的QTLs還是緊密連鎖的QTLs。結(jié)合性狀相關(guān)性分析結(jié)果,推測(cè)這些QTLs為一因多效的QTLs。粒寬對(duì)粒形和心白有較大的影響,粒寬越寬,粒形值越小,心白率越高;千粒重受粒長(zhǎng)、粒寬以及粒厚影響,增加粒長(zhǎng)、粒寬以及粒厚均能提高千粒重。

對(duì)本研究中所定位到的外觀品質(zhì)性狀與千粒重的QTLs與前人所定位到的QTLs進(jìn)行了比較。控制粒長(zhǎng)的qGL-4與Yoshida等[26]、Redo?觡a等[27]定位結(jié)果較接近,qGL-5與Li等[28]定位結(jié)果較接近,qGL-8-1與楊亞春等[29]定位結(jié)果較接近,qGL-8-2與姚國(guó)新等[30]定位結(jié)果較接近。控制粒寬的qGW-2與楊亞春等[29]、井趙斌等[31]定位結(jié)果較接近,qGW-3與Yoshida等[26]、許凌等[32]、王偉等[33]定位結(jié)果較接近,qGW-6-1與Yoshida等[26]、Tan等[34]定位結(jié)果較接近,qGW-6-2與Tan等[34]、姚國(guó)新等[30]定位結(jié)果較接近。控制粒形的qGS-5與Li等[28]、徐建龍等[35]定位結(jié)果較接近,qGS-6與Aluko等[36]定位結(jié)果較接近,qGS-9-2與王偉等[33]定位結(jié)果較接近。控制腹白率的qWBR-5-2與黎毛毛等[37]定位結(jié)果較接近。控制千粒重的qTGW-3與Yoshida等[26]、Xing等[38]以及Liu等[39]定位結(jié)果較接近,qTGW-4-1和qTGW-4-2與Redo?觡a等[27]定位結(jié)果較接近,qTGW-6-2與Zhuang等[40]定位結(jié)果較接近,qTGW-8與Xie等[41]定位結(jié)果較接近。控制千粒重的qTGW-3和qTGW-6-2在兩年間均被重復(fù)檢測(cè)到。Liu等[39]將一個(gè)控制千粒重的QTL TGW-3b精細(xì)定位到2.6 cM區(qū)間,通過(guò)標(biāo)記位置的比較,TGW-3b與本研究中的qTGW-3應(yīng)該為同一個(gè)QTL;qTGW-6-2與Zhuang等[40]定位結(jié)果較接近。綜合與前人定位的比較結(jié)果,本研究所定位到的QTLs大部分與前人定位結(jié)果接近,具有較好的重復(fù)性。因此,在本研究中所定位到的QTLs可為分子標(biāo)記選擇輔助育種提供理論依據(jù)。

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