水稻堊白主效QTL的定位與分析

柏晶晶，胡文彬，汪 麗，周 政，王立峰，趙正洪，何予卿

（1. 華中農業大學，湖北 武漢 430070；2. 湖南省水稻研究所，湖南 長沙 410125； 3. 萬年縣農業農村產業發展服務中心，江西 上饒 335599； 4. 湖南省農業生物技術研究所，湖南 長沙 410125）

堊白是指在肉眼觀察下存在于稻米中白色不透明部分，按照分布位置可分為腹白、心白和背白。堊白形成會造成大米透明度降低，商品外觀變差，影響其市場價值；另外，堊白還能降低稻米硬度，造成稻米加工的商品率下降；雖然堊白粒率的增多能提高米飯蓬松度，但適口性下降十分明顯，米飯食味變差[1]，因此，堊白的遺傳研究對水稻新品種培育有著重要的指導意義。

堊白是一個調控機理十分復雜的性狀，雖然容易因環境而發生改變，但主要還是基因型所決定。目前已經報道水稻堊白相關QTL或基因大約有80多個，第一個被克隆堊白基因是Chalk5[2]；還有一些由突變體克隆的堊白基因，如GOT1B、Os-SMK1、FucT、OsLTPL36、SSG4等[3-8]。Chalk5增加堊白粒率，尤其是增加水稻腹白的形成幾率；它通過編碼胚乳液泡焦磷酸合成酶V-PPase，使V-PPase轉運液泡上的H+離子，從而影響液泡內外pH值，使其動態平衡被打破，導致水稻堊白產生，使水稻外觀和食味品質受到影響。

Wang等[3]研究發現，gpa4基因突變體中囊泡轉運蛋白存在缺陷，使得囊泡定位的VPE1前體增加，細胞內積累更多的57 kD谷蛋白前體，造成GluA和GluB含量增加，并在胚乳中形成松散的淀粉顆粒，從而導致gpa4突變體植株中儲藏蛋白合成缺陷。Li等[5]研究發現，OsSMK1-1基因純合突變體水稻種子呈現癟縮，胚乳呈現全堊白，其主要原因是因為OsSMK1在線粒體基因表達調控中發揮重要作用，該基因能使水稻線粒體nad7在轉錄過程中發生堿基突變，即第836位的胞嘧啶（C）突變為尿嘧啶（U），進而造成線粒體異常，最終導致水稻籽粒胚以及胚乳發育受到限制，形成癟縮、全堊白。SSG4編碼一個功能未知新蛋白，該蛋白能直接調控水稻胚乳中淀粉顆粒的大小。Matsushima等[8]比較ssg4基因突變體與對照組日本晴發現，突變體中的堊白率明顯提升，且胚乳中的淀粉顆粒顯著增大。

此外，還有許多影響水稻堊白的基因未被發現，其調控機制尚不明確，需要研究人員進一步去挖掘和研究。研究選用9311和農香32兩個秈稻品種，雜交后得到F1代，再自交得到192株F2代，旨在運用分子標記進行定位，找到水稻堊白相關的QTL，為以后基因的精細定位和克隆提供依據，也將為水稻品質改良提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 水稻材料

以常規秈稻9311為母本，優質秈稻農香32為父本，雜交后得到的F1代，然后自交獲得F2代作圖群體，共192個單株及其衍生F2∶3株系。

1.2 材料種植

2019年在武漢華中農業大學水稻試驗田種植試驗材料，將F2代種子種2個小區，每個小區共8行，每行種12株，共192株。2020年于華中農業大學試驗田種植182個株系，每個株系種植12株，每10行分為一個小區。水肥管理和病蟲害防治均參考當地常規田間管理。

1.3 水稻堊白考察

將水稻用礱谷機去掉穎殼，去除綠色糙米，隨機抽取200粒左右，在堊白測定儀下進行堊白的考察。按照堊白的位置不同，將其分為腹白、背白、心白和無堊白，考察并統計腹白、背白、心白和無堊白糙米數，計算各類堊白占取比例，計算公式：各類堊白粒率=（各類堊白米粒數/總的米粒數）×100%，并記錄數據。

1.4 分子標記檢測

取單株葉片，利用CTAB法[9]抽提DNA，使用多態性引物進行PCR擴增，再用聚丙烯酰胺凝膠電泳鑒定結果；記錄基因型，并以A、B、H表示。

1.5 遺傳連鎖圖譜繪制

結合基因型和表型，利用R語言中的OneMap構建遺傳連鎖圖譜；通過WinQTLCart 2.5軟件的復合區間作圖法得到QTL定位信息。

2 結果與分析

2.1 群體表型考察

對群體的表型進行考察分析，發現2019年武漢種植的9311/農香32 F2單株腹白粒率均值為1.89%，范圍在0.00%~7.41%；背白粒率均值為0.61%，范圍在0.00%~11.76%；心白粒率均值為4.99%，范圍在0.00%~18.93%；堊白粒率均值為7.57%，范圍在0.00%~27.45%；對2020年武漢種植的9311/農香32 F3株系表型考察，發現 F3群體的腹白粒率均值為3.53%，范圍在0.00%~23.68%；背白粒率均值為0.12%，范圍在0.00%~2.63%；心白粒率均值為4.85%，范圍在0.00%~16.94%；堊白粒率均值為8.44%，范圍在0.00%~33.55%；由圖1可以得到，堊白相關表型均呈現偏分布趨勢。

圖1 9311/農香32群體表型分布（A：心白率；B：腹白率；C：背白率；D：堊白率）

2.2 遺傳圖譜的繪制

在雙親間篩選到107對多態性良好引物對用于鑒定9311/農香32 F2群體的192個株系的基因型，利用軟件繪制其遺傳圖距為1192 cM的遺傳圖譜。結果如圖2所示。根據遺傳連鎖圖譜以及2019和2020年2 a 的9311/農香32 F2群體表型數據分析，初步定位到16個QTL，其中與腹白粒率相關QTL 5個，與心白粒率的相關QTL 5個，與背白粒率相關QTL 1個，與堊白粒率相關QTL 5個。

圖2 9311/農香32 F2群體遺傳連鎖圖譜及QTL在染色體上的分布

2.3 水稻堊白粒率的QTL定位與分析

由表1可知，水稻堊白粒率的QTL主要存在于第2、3、4、7、8號染色體上。在第2條染色體上同年檢測到2個QTL，將其命名為qCR2.1和qCR2.2，2個QTL的LOD值分別為4.56和3.62，解釋遺傳變異率分別為9.72%和8.75%，加性效應分別為2.61和2.38。在第3條染色體上檢測到1個與堊白粒率相關的QTL，將其命名為qCR3，其LOD值為2.51，解釋遺傳變異率為7.74%，加性效應為1.87。將第4條染色體上定位到的QTL命名為qCR4，其LOD值為3.09，解釋遺傳變異率為9.08%，加性效應為-1.26。將第7條染色體上定位到的QTL命名為qCR7，其LOD值為5.38，解釋遺傳變異率為5.47%，加性效應為-2.77。在第8條染色體上2 a均檢測到同一個QTL，將其命名為qCR8，2 a的LOD值分別為2.57和4.47，解釋遺傳變異率分別為6.57%和2.23%，加性效應分別為-1.87和-2.22。

表1 9311/農香32 F2和F2∶3群體初步定位到的QTL

2.4 水稻腹白的QTL定位與分析

水稻腹白粒率的QTL主要存在于第1、2、11號染色體上。在第1條染色體上檢測到一個與腹白粒率相關QTL，將其命名為qWBR1，其LOD值為3.87，解釋遺傳變異率為3.69%，加性效應為-1.22。在第2條染色體上同年檢測到2個QTL，將其命名為qWBR2.1和qWBR2.2，2個QTL的LOD值分別為3.08和7.07，解釋遺傳變異率分別為7.21%和22.47%，加性效應分別為1.37和2.13。在第11條染色體上2 a均檢測到同一個QTL，將其命名為qWBR8，2 a的LOD值分別為3.64和2.60，解釋遺傳變異率分別為0.31%和4.60%，加性效應分別為-1.71和1.28。

2.5 水稻心白粒率的QTL定位與分析

水稻心白粒率的QTL主要存在于第2、3、7、8號染色體上。在第2條染色體上檢測到一個與腹白粒率相關的QTL，將其命名為qWCR2，其LOD值為2.85，解釋遺傳變異率為5.37%，加性效應為1.16。將第3條染色體上定位到的QTL命名為qWCR3，其LOD值為3.02，解釋遺傳變異率為6.55%，加性效應為1.52。將第7條染色體上定位到的QTL命名為qWCR7，其LOD值為5.11，解釋遺傳變異率為7.65%，加性效應為-1.71。存在于第8條染色體的QTL 2 a內均被檢測到，將其命名為qWCR8，其 LOD值分別為3.31和5.70，解釋粒長表型遺傳變異率分別為8.46%和2.89%，加性效應分別為-1.65和-1.64。

2.6 水稻背白粒率的QTL定位與分析

水稻背白粒率的QTL主要存在于第1號染色體上。在第1條染色體上檢測到一個背白粒率的QTL，將其命名為qBR2，其LOD值為2.70，解釋遺傳變異率為9.31%，加性效應為0.45。

綜合以上結果分析發現，在第1號染色體上的RM128-RM297的位置同時檢測到影響腹白粒率以及背白粒率相關性狀的QTL；在第2號染色體上的B2.4-B2.8的位置同時檢測到影響心白粒率、腹白粒率以及堊白粒率相關性狀的QTL，在RM106-B2.9的位置同時檢測到影響腹白粒率和堊白粒率QTL；在第3號染色體上的B3.26-B3.29的位置同時檢測到影響心白粒率堊白粒率相關性狀的QTL；在B7.8-B7.13位置上同時檢測到影響心白粒率和堊白粒率QTL；在第8號染色體上的B8.3-RM25的位置同時檢測到影響心白粒率以及堊白粒率的QTL。

3 討論與小結

堊白是水稻籽粒外觀品質的一個重要性狀，堊白的存在嚴重影響水稻的外觀，另外水稻籽粒中堊白還會導致大米的食用口感變差，加工商品率降低，從而降低稻米的經濟價值。李成荃等[10]和劉宜柏等[11]研究中發現，堊白與粒形存在負相關，即：稻米的粒長越小，粒寬越大，稻米中存在的堊白越多。在研究中發現，存在于第3號染色體的B3.26和B3.29標記間的qWCR3同時調控水稻籽粒的粒長以及堊白率，這些結果與前人的研究結果基本相符。

堊白的產生是因為水稻胚乳中排列不規則淀粉顆粒以及蛋白質中存在的縫隙，導致水稻籽粒存在光折射而產生白色不規則部分，這可能是水稻在灌漿期時，填補籽粒時因為灌漿物質不夠導致籽粒間填補不均勻，也有可能是因為水稻處于灌漿期填充物質時分配不均勻導致的。在該研究中，堊白的主要類型是心白和腹白，且增效位點均來自親本9311；兩年重復驗證到調控堊白率的qCR8以及調控心白率的qWCR8定位在同一區間，猜測可能是一個QTL同時調控堊白率和心白率。由于目前獲得的堊白基因極少，該研究中被定位與堊白相關的QTL能為后續的研究提供重要數據支持。