基于水稻RIL群體的加工品質(zhì)性狀QTL分析

陳 麗,馬 靜,朱志明,劉 煒,孫建昌

(1.寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)作物研究所,銀川 750002;2.寧夏農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站,銀川 750001)

0 引 言

【研究意義】稻米品質(zhì)是一個(gè)包括多項(xiàng)指標(biāo)的綜合性概念[1]。稻米品質(zhì)主要包括加工品質(zhì)、外觀品質(zhì)、蒸煮食味品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)[2-5]。其中加工品質(zhì)指稻谷在碾磨后保持的特性,加工品質(zhì)衡量指標(biāo)主要有出糙率、精米率和整精米率,而高整精米率則是優(yōu)質(zhì)稻谷所具備的良好品質(zhì)之一。【前人研究進(jìn)展】前人[6-23]利用亞種內(nèi)、亞種間和種間各種組合衍生的群體,對(duì)控制加工品質(zhì)和粒形的 Quantitative trait locus (QTL)開(kāi)展了分子定位研究。定位結(jié)果表明[24],控制糙米率 QTL在第 3 和 4 染色體上檢測(cè)到較多,精米率 QTL 主要分布于第 5、6 和 10 染色體,整精米率 QTL 在第 1、5 和 6 號(hào)染色體上檢測(cè)到較多。【本研究切入點(diǎn)】雖然影響水稻加工品質(zhì)的QTL精確定位到了特定染色體的一些區(qū)域,但是由于研究群體差異、所處環(huán)境的影響,QTL定位結(jié)果不盡相同,能夠應(yīng)用于水稻品質(zhì)選育的QTL還很少,目前僅克隆了1個(gè)影響整精米率的基因Chalk5[25]。需要發(fā)掘有利用價(jià)值的稻米品質(zhì)性狀相關(guān)QTL。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】采用整精米率差異較大的13HJZ-44/13HJZ-19材料及其構(gòu)建的RIL群體為材料,分析加工品質(zhì)相關(guān)性狀QTL定位,發(fā)掘有利QTL,為水稻品質(zhì)育種提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料為13HJZ-44(母本)、13HJZ-19(父本)及二者雜交衍生的包含243個(gè)家系的RIL群體F7代。其中13HJZ-44為低整精米率材料,13HJZ-19為高整精米率材料。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019～2021年在寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)作物研究所基地進(jìn)行,采用插秧栽培方式,隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),每份材料種植2行,行長(zhǎng)2 m,株行距26.4 cm×9.9 cm,每穴3～5苗,重復(fù)3次。成熟時(shí)各材料單獨(dú)收獲、脫粒、自然曬干,待稻米理化性質(zhì)穩(wěn)定后用于加工品質(zhì)測(cè)定。

1.2.2 測(cè)定指標(biāo)

1.2.2.1 出糙率

稱取飽滿種子 25 g,根據(jù)待測(cè)樣品谷粒的厚度,調(diào)節(jié)礱谷機(jī)皮輥的間距值 0.5～1.0 mm,將樣品勻速倒入礱谷機(jī)中去殼,用天平稱取糙米的重量,每個(gè)樣品重復(fù)2次。糙米率=糙米重/樣品總重×100%。

1.2.2.2 精米率

碾米機(jī)內(nèi)部用刷子打掃干凈,將經(jīng)糙米率測(cè)定的糙米放入碾米機(jī)中加工,每次約 10 g,運(yùn)行40 s,將糙米磨成精米,用天平稱取精米的重量。精米率=精米重/樣品總重×100%。

1.2.2.3 整精米率

從磨成精米中挑出完整米粒,將所挑出的完整米粒稱重。整精米率=整精米率重/精米重×100%。

1.2.2.4 基因組DNA提取和QTL定位

于分蘗前期對(duì)親本及群體材料每株掛牌,田間采集葉片,利用打孔器將葉片打入 2.0 mL 的離心管中,每個(gè)離心管中裝有 2 mm 鋼珠。將裝好樣品的離心管按照順序放入研磨機(jī)(SPEX Geno2010-230 )配備的 48 孔金屬槽中,經(jīng)液氮冷凍后進(jìn)行研磨,采用CTAB法提取親本及子代DNA。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用R/qtl軟件的Check Interval Mapping(CIM)對(duì)加工品質(zhì)性狀進(jìn)行QTL檢測(cè),利用Permutation test(P<0.05)方式QTL確定閾值,并計(jì)算每個(gè)QTL的貢獻(xiàn)率和加性效應(yīng),QTL的命名原則遵循McCouch[26]等方法。

使用北京百邁客生物科技有限公司自主研發(fā)的SLAF-seq(Specific-Locus Amplified Fragment Sequencing)軟件[27],以日本晴為參考基因組,對(duì)水稻重組自交系遺傳分離群體(2個(gè)親本和243個(gè)子代)進(jìn)行高密度分子標(biāo)記開(kāi)發(fā)。

以連鎖群為單位,采用HighMap軟件[28]分析獲得連鎖群內(nèi)Marker的線性排列,并估算相鄰Marker間的遺傳距離。

2 結(jié)果與分析

2.1 親本及RIL群體加工品質(zhì)性狀的變異

研究表明,親本13HJZ-44的出糙率、精米率、整精米率分別為83.68%、70.25%和41.25%,13HJZ-19的出糙率、精米率、整精米率分別為84.15%、73.25%和61.02%。RIL群體家系的出糙率、精米率、整精米率變異較大,變異范圍分別為70.00～90.00%、57.00～86.00%和37.00～66.00%,其中出糙率變異幅度最大,變異系數(shù)為48.91%,精米率次之,整精米率變幅最小,變異系數(shù)為9.23%,且各性狀變化均存在超親現(xiàn)象。表1

表1 親本及RIL群體加工品質(zhì)性狀的變異表現(xiàn)

RIL群體中各性狀呈連續(xù)變異,屬于典型數(shù)量性狀,受多基因控制,該群體適合進(jìn)行QTL定位。圖1

注:A.代表家系的出糙率;B.代家系的表精米率;C.代表家系的整精米率

2.2 水稻RIL群體遺傳圖譜的構(gòu)建

研究表明,親本平均測(cè)序深度為38.53 X,子代平均測(cè)序深度為11.32 X,共開(kāi)發(fā)了503 303個(gè)SLAF標(biāo)簽,其中134 309個(gè)SLAF標(biāo)簽具有多態(tài)性,占比為2.67%。過(guò)濾掉親本測(cè)序深度5 X以下以及SNP數(shù)目大于8的標(biāo)簽,剔除基因組覆蓋度小于子代60%以上的和嚴(yán)重偏分離的標(biāo)簽,最終2 225個(gè)SLAF標(biāo)簽。總圖距為1 135.11 cM,平均圖距為0.51 cM的遺傳連鎖圖譜。圖2

注:橫坐標(biāo)表示染色體,縱坐標(biāo)表示遺傳圖距,橫線表示圖譜上的分子標(biāo)記

2.3 水稻RIL群體加工品質(zhì)性狀的QTL

研究表明,共檢測(cè)到9個(gè)QTL位點(diǎn),其中糙米率2個(gè),精米率3個(gè),整精米率4個(gè)。糙米率相關(guān)2個(gè)QTL,分別位于4號(hào)和11號(hào)染色體上,命名為qBR-4和qBR-11。其中qBR-11的LOD值為6.06,貢獻(xiàn)率為75.32%,加性效應(yīng)值為-1.21%,有利等位變異來(lái)源于母本13HJZ-44;qBR-4的LOD值為2.53,貢獻(xiàn)率為18.68%,有利等位變異來(lái)源于父本13HJZ-19,且二者均為主效QTL。

精米率相關(guān)3個(gè)QTL,為qMR-1、qMR-2和qMR-5,分別位于1號(hào)、2號(hào)和5號(hào)染色體上,貢獻(xiàn)率為4.35%、0.75%和16.21%。其中qMR-5和qMR-1有利等位變異均來(lái)自父本13HJZ-19,qMR-2有利等位變異來(lái)源于母本13HJZ-44,且qMR-5為主效QTL,解釋16.21%的遺傳變異。

整精米率相關(guān)4個(gè)QTL,分別位于5號(hào)、6號(hào)和8號(hào)染色體上,貢獻(xiàn)率為10.76%、5.86%、5.42%和3.66%。其中qHR-5、qHR-6-1和qHR-8有利等位變異均來(lái)源于父本13HJZ-19,qHR-6-2有利等位變異來(lái)源于母本13HJZ-44,且qHR-5為主效QTL,解釋了10.76%的遺傳變異。表2、圖3

圖3 稻米加工品質(zhì)相關(guān)性狀的QTL在染色體上的分布

表2 稻米加工品質(zhì)相關(guān)性狀QTL定位

3 討 論

3.1環(huán)境條件(溫度、水分、光照等)對(duì)稻米品質(zhì)的影響是通過(guò)影響稻株和穎果的生理過(guò)程而發(fā)揮作用的[4]。加工品質(zhì)也是由多基因控制的數(shù)量性狀之一,受種子基因、細(xì)胞質(zhì)基因和母體基因等遺傳主效應(yīng)的影響,精米率以母體遺傳效應(yīng)為主,糙米率由核基因控制[1]。研究表型數(shù)據(jù)分析表明,出糙率、精米率、整精米率是由多基因控制的數(shù)量性狀,與文獻(xiàn)研究結(jié)論[1]一致。

3.2研究在5號(hào)染色體檢測(cè)到了2個(gè)對(duì)稻米加工品質(zhì)遺傳起重要作用的QTL(qMR-5和qHR-5),它們分別位于Marker49932-Marker141199和Marker160033-Marker137238區(qū)域。經(jīng)過(guò)比對(duì),qMR-5和qHR-5與與梅德勇[29]在5號(hào)染色體上檢測(cè)到qBRR5、qMR5和qHRR5結(jié)果一致。研究中的qMR-5與qHRR5(RM592-RM437)位于同一區(qū)域,qHR-5與qBRR5和qMR5位于同一區(qū)域(RM15303-RM18038)。且前人也在RM15303-RM18038區(qū)域檢測(cè)到控制稻米加工品質(zhì)和粒形的 QTL[6-7,10-12,16-18,20]。5號(hào)染色體RM15303-RM18038區(qū)域確實(shí)存存在對(duì)稻米外觀品質(zhì)有重要影響的QTL。

3.3在2號(hào)染色體Marker2776334-Marker2942331區(qū)域檢測(cè)到控制精米率qMR-2,該區(qū)域與胡霞等[19]檢測(cè)到的控制糙米率qBR-2(RM71-RM300)位于同一區(qū)域。在4號(hào)染色體Marker2308870-Marker2433873區(qū)域檢測(cè)到qBR-4與Wang[30]和梅捍衛(wèi)等[18]定位結(jié)果相吻合。在8號(hào)染色體上檢測(cè)到控制整精米率qHR-8,與梅德勇[29]和穆平[9]結(jié)果一致。

3.4研究還在6號(hào)染色體和11號(hào)染色體上檢測(cè)到了3個(gè)加工品質(zhì)QTL,其中6號(hào)染色體檢測(cè)到2個(gè)控制整精米率qHR-6-1(Marker3365801-Marker314237)和qHR-6-2(Marker3340147-Marker3099891),分別解釋了5.86%和5.42%遺傳變異,qHR-6-1有利等位變異來(lái)源于父本13HJZ-19,qHR-6-2有利等位變異來(lái)源于母本13HJZ-44。qHR-6-1和qHR-6-2 可能是新的控制整精米率位點(diǎn),對(duì)整精米率有微效性。11號(hào)染色體上檢測(cè)到1個(gè)控制糙米率的主效QTL(qBR-11),解釋了75.32%遺傳變異,有利等位變異來(lái)源于母本13HJZ-44。與前人研究結(jié)果比較,qBR-11是一個(gè)新的控制糙米率主效QTL,可進(jìn)一步精細(xì)定位,挖掘候選基因。研究中,雖然定位到了4個(gè)控制糙米率、精米率和整精米率主效QTL,但這些QTL在不同年份間并沒(méi)有重復(fù)被檢測(cè)到,糙米率、精米率和整精米率容易受環(huán)境影響。今后可進(jìn)行多點(diǎn)多年試驗(yàn),以消除環(huán)境的影響,挖掘更多、更穩(wěn)定加工品質(zhì)相關(guān)QTL。

4 結(jié) 論

在6號(hào)染色體和11號(hào)染色體上檢測(cè)到了3個(gè)加工品質(zhì)QTL(qHR-6-1、qHR-6-2和qBR-11),qHR-6-1和qHR-6-2是新的控制整精米率位點(diǎn),對(duì)整精米率有微效性;qBR-11是一個(gè)新的控制糙米率主效QTL。