利用双向回交导入系定位水稻苗期耐亚铁毒和锌毒的QTL
张建, AijazAhmedSOOMRO, 柴路, 崔彦茹, 王小倩, 郑天清*, 徐建龙*, 黎志康
中国农业科学院作物科学研究所 / 农作物基因资源与基因改良国家重大科学工程, 北京 100081
*通讯作者(Corresponding author): 徐建龙, E-mail:xujianlong@caas.cn
摘要

铁和锌是水稻生长必需的微量元素,但在低洼或酸性土壤中, 过量的二价铁和锌对水稻生长具毒害作用,最终造成生物量和产量下降。为探讨水稻苗期耐亚铁毒、锌毒的遗传机制, 利用优质粳稻品种Lemont和高产籼稻品种特青为亲本构建的高代双向回交导入系和308个在染色体上均匀分布的SNP标记剖析耐亚铁毒、锌毒相关的QTL。从双向导入系共检测到42个影响耐亚铁毒、锌毒相关性状如苗高、苗干重、根干重以及胁迫与对照相对值的QTL, 多数位点增强亚铁毒、锌毒抗性的有利等位基因来自Lemont。其中同时在2个背景下表达的QTL有4个, 占定位QTL总数的9.52%, 说明大多数QTL的表达具有明显的遗传背景效应。同一遗传背景下同时影响耐亚铁毒和锌毒的QTL有9个, 其中QSdw5在2个背景中均被检测到, 其效应大小和方向一致, 说明水稻苗期耐亚铁毒、锌毒之间存在遗传重叠位点。因此, 通过分子标记辅助选择从Lemont中导入或聚合有利的遗传重叠区域, 可以提高特青对亚铁毒、锌毒的抗性水平。

关键词: 耐亚铁毒害; 耐锌毒害; QTL; SNP; 水稻
Mapping of QTL for Iron and Zinc Toxicity Tolerance at Seedling Stage Using a Set of Reciprocal Introgression Lines of Rice
ZHANG Jian, Aijaz Ahmed SOOMRO, CHAI Lu, CUI Yan-Ru, WANG Xiao-Qian, ZHENG Tian-Qing, XU Jian-Long*, LI Zhi-Kang
Institute of Crop Sciences / National Key Facility for Crop Gene Resources & Genetic Improvement, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China
Abstract

Ferrum and zinc are essential microelements for rice. However, rice growing in lowland or acid soil is easily subjected to ferrous iron and zinc toxicities which harm plant growth and finally result in deduction of biomass and yield in production. The aim of this study was to identify quantitative trait locus (QTL) underlying ferrous iron toxicity tolerance (FTT) and zinc toxicity tolerance (ZTT) of rice using a reciprocal advanced backcross introgression lines, which was derived from the cross between Lemont (japonica) and Teqing (indica), and 308 evenly distributed single nucleotide polymorphism (SNP) markers developed from the two parents. A total of 42 putative QTLs affecting shoot height (SH), shoot dry weight (SDW), and root dry weight (RDW) under control and stress conditions and for the relative value of the stress to the control were detected, the alleles at most loci improving the tolerance of ferrous and zinc toxicities were from Lemont. Among them, only four QTLs (9.5%) were detected under the two backgrounds, indicating the expression of most QTLs is specific to genetic background. Nine QTLs were detected from the same genetic background affecting the tolerance of both ferrous and zinc toxicities, in whichQSdw5was expressed under the two backgrounds with the same direction and similar quantity of gene additive effect, suggesting that there is a genetic overlap between FTT and ZTT at seedling stage in rice. It is likely, therefore, to improve Teqing’s FTT and ZTT by introgressing and pyramiding Lemont favorable alleles at the overlapping QTLs via marker-assisted selection.

Keyword: Ferrous iron toxicity tolerance; Zinc toxicity tolerance; Quantitative trait locus (QTL); Single nucleotide polymorphism (SNP); Rice
引言

铁和锌是水稻生长必需的微量元素, 但土壤中铁锌的过量积累会对水稻生长带来毒害。其中, 亚铁毒害是低洼地水稻栽培中面临的主要生理病害, 尤其是在热带和亚热带的酸性土壤中[1]。在厌氧环境中, 铁主要以二价形式存在, 极易被水稻吸收并过量积累而造成亚铁毒害[2]。而在二价铁污染的土壤中, 水稻也容易发生锌离子毒害[3]。水稻遭受铁、锌毒害后均会抑制生长, 进而造成生物量和产量下降[4,5]

目前, 对水稻苗期耐亚铁毒害的遗传研究较多, 通过考察在Fe2+胁迫下的耐亚铁毒害的相关性状, 如叶斑指数(leaf bronzing index, LBI)、苗高、根长、地上部苗干重、根干重、分蘖数以及地上部相对苗干重等, 定位到一些耐亚铁毒害的QTL[6,7,8,9,10,11]。对水稻在耐锌毒害生理方面的研究报道较多[12,13], 而对其遗传方面的研究较少, Dong[14]以苗期受害等级为耐锌毒害的指标共检测到3个主效QTL。植物中的锌铁控制运转相关蛋白(zinc-regulated transporters, iron- regulated transporter like protein, ZIP)参与细胞内锌和铁的跨膜运输, 调节植物细胞内锌、铁平衡与分配[15]。在高浓度Fe2+和Zn2+胁迫条件下, 水稻中会生成活性氧, 进而破坏细胞膜、蛋白和核酸, 存在的自由基又会氧化叶绿素, 使光合作用降低, 最终导致光合产物下降[16,17]。目前虽然定位到一些与耐亚铁毒、锌毒相关的QTL[6,7,8,9,10,11,14], 但由于采用不同的遗传群体和分子标记, 而且评价指标各异, 因此定位到的结果很难相互比较, 也未见有研究水稻苗期耐亚铁毒和锌毒遗传关系的报道。

本试验采用Lemont/特青构建的高代双向回交导入系分别进行水稻苗期耐亚铁毒、锌毒的QTL定位, 试图分析水稻苗期耐亚铁毒和锌毒的遗传机制, 为分子标记辅助改良水稻耐亚铁毒和锌毒害水平提供参考。

1 材料与方法
1.1 试验材料

以美国南部的优质粳稻品种Lemont和我国高产的籼稻品种特青配置杂种F1, F1植株分别与双亲回交, 分别形成Lemont和特青背景的双向回交BC1F1群体, 从双向回交后代随机选单株分别与各自的轮回亲本进行2~4次不等的连续回交并经自交多代稳定, 最后分别获得183个Lemont背景导入系(LT-IL), 包括30份BC2F5、122份BC3F4和31份BC4F3, 204个特青背景导入系(TQ-IL), 包括117份BC2F5、62份BC3F4和25份BC4F3

1.2 苗期耐铁、锌毒害的鉴定

试验于2012年6月7日至9月4日在中国农业科学院作物科学研究所温室进行, 通过湿帘和排气扇调节温室内的温、湿度, 在整个生长和胁迫期间的昼夜平均温度分别为30℃和25℃左右, 湿度约为60%。从每株系挑选饱满的种子约50粒浸种、催芽, 选取露白整齐均一的种子播于底部带有尼龙网的泡沫板(10行×13列)里。用pH为5.0的清水培养7 d, 然后换用Yoshida[18]营养液培养至二叶一心期分别开始进行亚铁毒、锌毒胁迫处理。亚铁毒处理采用FeSO4·7H2O, 将营养液Fe2+浓度提高至280 mg L-1(对照为2.0 mg L-1), 锌毒处理采用ZnSO4·7H2O, 将营养液Zn2+浓度提高至180 mg L-1(对照为0.01 mg L-1), 每5 d更换一次营养液, 每2 d调节pH至5.0。处理和对照均设2次重复, 完全随机排列。处理20 d后, 测量处理和对照的苗高, 地上部苗干重和根干重。

1.3 SNP基因型分析

在北京大学生命科学院完成SNP位点的挑选、芯片制定和SNP基因型分型。先对特青和Lemont进行全基因组重测序, 分别得到6 644 677 680和 5 236 481 956 bp的测序数据量。以日本晴的MSU6.1版的基因组序列作为参考基因组(参考基因组为 372 317 567 bp), 将测序数据与参考基因组比对, 获得基因组序列一致的碱基数, 特青为6 154 118 505 bp, Lemont为4 969 908 313 bp, 特青和Lemont的基因组覆盖率分别为92.39%和93.56%。在一致序列的基础上, 将检测到的基因型与参考序列之间存在多态性的位点过滤, 得到一个初步的SNP数据集。根 据reads覆盖度的不同, 在特青和Lemont之间得到了223 001个SNP (reads≥3), 206 433个SNP (reads≥4), 186 504个SNP (reads≥5)。在SNP数据集的基础上, 挑选384个在基因组上均匀分布(平均每5 cM选1个)的SNP, 经美国Illumina公司打分, 从SNP数据集中选分值高的部分SNP进行实验验证, 发现当reads覆盖度≥9的时候, SNP实验验证的成功率高达99%。随后将SNP数据集根据基因组上的分布等分成384份, 并根据Illumina分值和SNP的reads覆盖度从每一份中挑选1个SNP位点。

以筛选出来在双亲间有多态的384个SNP标记送往美国Illumina公司制作芯片, 采用SNP芯片分别鉴定双向导入系群体基因型, 由于存在基因型数据的缺失, 最终选取2个背景下308个相同的SNP位点, 用于构建12条染色体的SNP遗传连锁图。

1.4 数据分析及QTL定位

利用SAS PROC CORR[19]分析各性状间的相关关系, t测验检验双亲各性状间平均数的差异显著性。以对照与胁迫条件下相关表型数据和相对值[(处理值-对照值)/对照值×100%]为输入数据, 结合308个SNP标记基因型数据, 采用IciMapping 3.2软件[20]检测影响2种环境下各性状及胁迫与对照相对值的QTL, 选用LOD≥2.5作为阈值来判断QTL的存在与否。同时采用SAS PROC GLM检测各性状的QTL ( P<0.001), 与ICIM定位的结果比较验证。对于QTL初定位, 凡落在5000 kb (相当于20 cM)范围内且基因效应方向相同的归并为同一个QTL。当一个QTL与2个或多个标记连锁时, 以 F值最高的标记作为与QTL连锁标记列出[21]。为避免使用一个固定的QTL阈值而导致第II类错误的发生, 对所有在一个环境下(对照或胁迫条件)检测到的QTL, 重新检测其在另一个环境下在概率0.05水平的显著性, 只要达到0.05水平显著, 也一并列出该QTL的统计参数[22]

2 结果与分析
2.1 双向导入系物理图谱及群体结构分析

Lemont和特青之间有多态的308个SNP标记覆盖基因组的大小为360.81 Mb, 平均占国际水稻基因组测序计划[23]公布的基因组大小(382.15 Mb)的94.40%, 变幅从第9染色体的88.13%到第12染色体的98.78%。根据水稻基因组12条染色体的总遗传距离(1526.8 cM), 308个SNP标记在12条染色体上分布较为均匀, 平均约每5 cM存在1个SNP位点, 2个相邻标记间的最大距离为6.1 Mb。

双向导入系的大部分遗传背景与各自的轮回 亲本相同, 其中Lemont背景导入系中轮回亲 本Lemont基因组平均占83.86%, 变幅为20.24%~ 100.00%, 特青背景导入系轮回亲本特青基因组平均占91.05%, 变幅为60.95%~100.00% (图1)。

2.2 亲本及导入系耐亚铁毒、锌毒相关性状的 表现

由于受环境影响, 双亲在两次试验中表现略有差异, 但变化趋势基本一致(表1)。Lemont和特青在Fe2+或Zn2+胁迫条件下, 苗高、苗干重、根干重均低于正常条件。在2次试验中, 正常和胁迫条件下特青的苗高、苗干重均显著或极显著高于Lemont; 在Zn2+胁迫条件下, 特青仅苗干重极显著高于Lemont。

图1 双向导入系群体特青基因组所占比例的频率分布Fig. 1 Frequency distribution of the Teqing genome in the reciprocal introgression line populations

Lemont在Fe2+胁迫与正常条件下苗高的相对值显著高于特青, 其余2个性状的相对值差异均未达到显著水平。Lemont在Zn2+胁迫与正常条件下苗高、苗干重的相对值显著高于特青, 而根干重的相对值差异未达到显著水平。Lemont在Fe2+胁迫和Zn2+胁迫的苗干重比正常条件下平均损失分别为9.65%和15.50%, 而特青分别为13.75%和21.10%, 表明Lemont比特青具有较强的耐亚铁毒、锌毒的特性。双向回交导入系群体的耐亚铁毒、锌毒相关性状都表现出超亲分离, 呈连续变异(表1)。

2.3 耐亚铁毒和锌毒相关性状间的相关

正常条件下, 双向回交导入系群体的CSH、CSDW、CRDW彼此呈极显著正相关(表2)。在Fe2+或Zn2+胁迫条件下, 除Lemont背景导入系FSH与FRDW或ZSH与ZRDW相关不显著外, 其余性状间均显著或极显著正相关。Fe2+或Zn2+胁迫与对照相对值性状之间, 苗高和苗干重相对值均呈极显著正相关, 而苗高相对值与根干重相对值相关不显著, 表明地上部和地下部对Fe2+和Zn2+胁迫有不同抗性机制。双向回交导入系群体同一性状在Fe2+或Zn2+胁迫下与正常条件下呈显著或极显著正相关, 表明SH、SDW与RDW在Fe2+或Zn2+胁迫与正常条件下的变化趋势一致; 而同一性状Fe2+或Zn2+胁迫与对照相对值与对照值之间均存在显著或极显著负相关, 表明正常条件下生长量越大则耐Fe2+或Zn2+能力越差。同一性状在Fe2+胁迫与Zn2+胁迫之间均呈显著或极显著正相关, 表明双向导入系耐亚铁毒与耐锌毒之间有可能存在一些相同的遗传机制。

表1 双向导入系苗期Fe2+和Zn2+胁迫下相关性状的表现Table 1 Performance of ferrous and zinc toxicity tolerance related traits in the reciprocal introgression lines
2.4 耐亚铁毒相关性状的QTL定位

从特青背景导入系共检测到对照条件下、Fe2+或Zn2+胁迫条件下以及处理与对照的相对值影响苗高、苗干重和根干重的23个QTL, 分布在除第4、第10和第12染色体外的9条染色体上。从Lemont背景导入系共检测到上述3种条件下影响苗高、苗干重和根干重的QTL 22个, 分布在除第9和第10染色体外的10条染色体上(图2)。

从特青背景导入系检测到对照和Fe2+胁迫下影响SH的QTL 9个, 包括对照条件下的9个和Fe2+胁迫下的5个(表3)。除 QSh1 QSh3a QSh6a外, 其余位点增加苗高的等位基因均来自特青。从Lemont背景导入系检测到对照和Fe2+胁迫下影响SH的QTL 6个(表3), 包括对照条件下的5个和Fe2+胁迫下的5个。除 QSh5 QSh11外, 其余位点减小SH的等位基因均来自特青。根据QTL在不同环境下的表达差异, 将这些QTL分成3组。第1组是仅在对照条件下检测到的5个QTL, 包括特青背景下检测到的4个( QSh3a QSh6b QSh8b QSh11)和Lemont背景下检测到的1个( QSh5); 第2组是在对照与Fe2+胁迫条件下同时检测到的9个QTL, 包括特青背景下检测到的5个( QSh1 QSh5 QSh7 QSh8a QSh9)和Lemont背景下检测到的4个( QSh2a QSh3b QSh6a QSh11); 第3组是仅在Fe2+胁迫条件下在Lemont背景下检测到的1个QTL ( QSh2b)。另外, 从双向导入系检测到5个影响Fe2+胁迫与对照相对值的QTL, 包括特青背景下检测到的2个( QSh6b QSh9)和Lemont背景下检测到的3个( QSh2a QSh5 QSh6a), 除特青背景导入系的 QSh6b外, 其余位点减小SH相对值即降低耐亚铁毒的不利等位基因均来自特青。

从特青背景导入系检测到对照和Fe2+胁迫条件下影响SDW的QTL 6个(表3), 包括第2组在对照条件下和Fe2+胁迫条件下同时检测到的5个QTL ( QSdw1 QSdw5 QSdw7a QSdw8a QSdw9)和第3组仅在Fe2+胁迫条件下检测到的1个QTL ( Qsw8b)。除 QSdw1外, 其余位点增加苗干重的等位基因来自特青。从Lemont背景导入系检测到对照和Fe2+胁迫条件下影响SDW的QTL 6个(表3), 包括第1组仅在对照条件下检测到的3个( QSdw4 QSdw5 QSdw7a), 第2组在Fe2+胁迫和对照条件下同时检测到的1个( QSdw2a)和第3组仅在Fe2+胁迫条件下检测到的2个( QSdw6a QSdw11)。除 QSdw6a外, 其余位点增加苗干重的等位基因均来自特青。此外, 从双向导入系检测到影响Fe2+胁迫与对照相对值的QTL 5个, 包括特青背景下检测到的2个( QSh5 QSh9) 和Lemont背景下检测到的3个( QSdw2a QSdw5 QSdw6a), 除 QSdw2a外, 其余位点减小SDW相对值即降低耐亚铁毒的不利等位基因均来自特青。

从特青背景导入系检测到对照和Fe2+胁迫条件下影响RDW的QTL 4个(表3), 包括第1组的 QRdw2 QRdw4a, 第2组的 QRdw8和第3组的 QRdw1。除 QRdw1外, 其余位点增加根干重的等位基因均来自特青。从Lemont背景导入系检测到对照和Fe2+胁迫条件影响RDW的QTL 7个(表3), 包括第1组的 QRdw1 QRdw4b QRdw5b QRdw12, 第2组的 QRdw5a和第3组的 QRdw2 QRdw6。除 QRdw6外, 其余位点增加干重的等位基因均来自特青。此外, 从双向导入系检测到影响Fe2+胁迫与对照相对值的QTL 4个, 包括特青背景下检测到的2个( QRdw1 QRdw4a)和Lemont背景下检测到的2个( QRdw1 QRdw6), 除Lemont背景下的 QRdw1外, 其余位点减小RDW相对值即降低耐亚铁毒的不利等位基因均来自特青。

2.5 耐锌毒相关性状的QTL定位

从特青背景导入系检测到对照和Zn2+胁迫条件下影响SH的QTL 10个(表3), 包括第1组仅在对照条件下检测到的3个QTL ( QSh5 QSh8a QSh11), 第2组在Zn2+胁迫和对照条件下同时检测到的6个QTL ( QSh1 Qsh3a QSh6b Qsh7 QSh8b Qsh9)和第3组仅在Zn2+胁迫条件下检测到的 QSh2b。除 QSh7 QSh8b QSh9外, 第1组的3个QTL和 Qsh7 QSh8b Qsh9位点增加苗高的等位基因均来自特青, 而其余4个位点增加苗高的等位基因来自Lemont。从Lemont背景导入系检测到对照和Zn2+胁迫条件下影响SH的QTL 7个(表3), 包括第1组仅在对照条件下检测到的3个QTL ( QSh3b QSh5 QSh11), 第2组在Zn2+胁迫和对照条件下同时检测到的2个QTL ( QSh2a QSh6a)和第3组仅在Zn2+胁迫条件下检测到的2个QTL ( QSh2b QSh7), 除 QSh5 QSh11外所有QTL增加苗高的等位基因均来自Lemont。另外, 从双向导入系检测到影响Zn2+胁迫和对照相对值的5个QTL, 包括特青背景下检测到的3个( QSh2b QSh7 QSh8a)和在Lemont背景下的2个( QSh5 QSh7), 其减小SH相对值即降低耐锌毒的不利等位基因均来自特青。

从特青背景导入系检测到对照和Zn2+胁迫条件下影响SDW的QTL 8个(表3), 包括第1组的3个( QSdw1 QSdw7a QSdw8a), 第2组的2个( QSdw5 QSdw9)和第3组的3个( QSdw2b QSdw7b QSdw8b)。除 QSdw1 QSdw2b外, 其余位点增加苗干重的等位基因均来自特青。从Lemont背景导入系检测到对照和Zn2+胁迫条件下影响SDW的QTL 7个(表3), 包括第1组的2个( QSdw2a QSdw7a), 第

表2 双向导入系群体苗期Fe2+和Zn2+胁迫下相关性状的相关系数Table 2 Correlation coefficients between ferrous and zinc toxicity tolerance related traits in the reciprocal introgression lines
表3 双向导入系中检测到影响耐亚铁毒和锌毒相关性状的主效QTLTable 3 Main-effect QTL affecting ferrous and zinc toxicity tolerance related traits detected in the reciprocal introgression lines

图2 双向导入系物理图谱及影响水稻苗期耐亚铁毒和锌毒相关性状的主效QTL在染色体上的分布Fig. 2 Distribution of QTL affecting ferrous and zinc toxicity tolerance related traits detected in the two reciprocal introgression lines derived from the cross of Lemont/Teqing

2组的2个( QSdw4 QSdw5)和第3组的3个( QSdw6b QSdw8b QSdw11), 所有QTL增加苗干重的等位基因均来自特青。从双向导入系还检测到影响Zn2+胁迫SDW和对照相对值的7个QTL, 包括特青背景下检测到的4个( QSdw2b QSdw5 QSdw7b QSdw8a)和在Lemont背景下的3个( QSdw2a QSdw5 QSdw6b), 除 QSdw2a QSdw6b外, 其余位点减小SDW相对值即降低耐锌毒的不利等位基因均来自特青。

从特青背景导入系在对照和Zn2+胁迫条件下检测到影响RDW的QTL 4个, 包括第1组的3个( QRdw2、QRdw4a QRdw8)和第3组的1个( QRdw3), 除 QRdw3外, 其增加根干重的等位基因均来自特青。在Lemont背景导入系中, 检测到对照和Zn2+胁迫条件下影响RDW的QTL 6个, 包括第1组的3个( QRdw1、QRdw5a QRdw5b)、第2组的2个( QRdw4b QRdw12)和第3组的1个( QRdw2), 所有位点增加SDW的等位基因均来自特青。另外, 从双向导入系还检测到影响Zn2+胁迫RDW和对照相对值的QTL各1个, 即 QRdw8 QRdw5b, 其减小RDW相对值即降低耐锌毒的不利等位基因均来自特青。

3 讨论
3.1 水稻苗期耐亚铁毒、锌毒QTL及其遗传 重叠

利用双向导入系群体检测到影响对照、胁迫及胁迫与对照相对值条件下耐亚铁毒和锌毒相关性状(苗高、地上部苗干重和根干重)的QTL中, 真正对耐亚铁毒和锌毒有贡献的QTL仅有两类, 一是通过胁迫与对照的相对值检测到的QTL (例如 QSdw5), 其解释了由于胁迫所造成表型变化的稳定性; 二是能够在对照和胁迫条件下同时检测到, 且基因效应大小相似、方向一致的稳定表达的QTL (例如 QSh1)。在特青背景下检测到耐亚铁毒的QTL有12个, 耐锌毒的QTL有10个, 其中同时影响耐亚铁毒和锌毒的QTL有5个, 包括 QSh7 QSh8a QSdw5 QSdw9 QRdw8, 占QTL总数的22.7%; Lemont背景检测到耐亚铁毒的QTL和耐锌毒的QTL各10个, 其中共同影响耐亚铁毒和锌毒的QTL也有5个, 包括 QSh2a QSh5 QSh6a QSdw2a QSdw5, 占QTL总数的25%。其中, QSdw5在2个背景下均被检测到, 并且其加性效应的大小和方向一致。这表明水稻苗期耐亚铁毒和锌毒存在一些的遗传重叠位点, 共同影响对亚铁毒和锌毒的抗性。

在特青背景导入系的3个染色体区段同时定位到耐亚铁毒的2个或3个相关性状的QTL, 包括第1染色体9 765 185~10 822 085区间的 QSh1 QSdw1 QRdw1, 第8染色体18 396 373~19 556 500区间的 QSh8a QRdw8, 第9染色体5 390 612~7 237 057区间的 QSh9 QSdw9。从Lemont背景导入系同时定位到耐亚铁毒的2个或3个相关性状的QTL的染色体区段有3个, 包括第2染色体8 454 851~ 9 511 612区间的 QSh2a QSdw2a, 第5染色体 17 301 701~19 546 328区间的 QSh5 QSdw5, 第6染色体8 126 604~9 656 257区间的 QSh6a QSdw6a QRdw6。从特青背景导入系的3个染色体区段同时定位到耐锌毒2个或3个相关性状的QTL, 包括第2染色体23 557 743~24 626 496区间的 QSh2b QSdw2b, 第7染色体27 495 091~29 303 506区间的 QSh7 QSdw7b, 第8染色体18 396 373~19 556 500区间的 QSh8a QSdw8a QRdw8。从Lemont背景导入系的2个染色体区段同时定位到耐锌毒的2个以上相关性状的QTL, 包括第2染色体8 454 851~ 9 511 612区间的 QSh2a QSdw2b, 第5染色体 17 301 701~19 546 328区间的 QSh5 QSdw5 QRdw5b。上述重叠位点中, 除第2染色体区段的 QSh2a QSdw2a基因效应方向相反外, 其余位点在不同性状中的基因效应方向一致。

3.2 QTL定位的遗传背景效应

本研究检测到影响苗期耐亚铁毒、锌毒相关性状的42个QTL中, 同时在2个背景下表达的仅有4个(表2), 占9.5%, 说明绝大多数QTL的表达具有明显的遗传背景效应。以往利用Lemont和特青构建的双向导入系群体研究水稻数量性状的试验中也发现相同的现象, 就是虽然双向导入系的亲本相同, 但是在不同回交背景下同时表达的QTL很少[24,25,26,27]。在2个背景同时定位到的QTL中, 虽然遗传背景影响主效QTL的表达, 但并不影响基因作用的方 向[25,27]。在本研究中, 除 QRdw1外, 其余3个位点在2个背景中基因作用方向一致, 即降低耐亚铁毒和锌毒的不利等位基因来自特青, 与上述现象基本一致。

3.3 不同群体定位到耐亚铁毒和锌毒的QTL 比较

根据SNP标记的物理位置, 将本研究定位到的耐亚铁毒和锌毒的QTL与前人的研究结果比较, 发现特青背景导入系影响耐亚铁毒的 QSh1 QSdw1 QRdw1与Zn2+胁迫相关的 qZNT-1定位在一起[14]; 影响双向导入系耐亚铁毒的 QSdw5与铁胁迫下影响苗高的 QPh5定位在一起[9]; 特青背景导入系第9染色体上影响亚铁毒的 QSh9 QSdw9与影响铁胁迫下相对苗高的 qTFS-9定位在一起[10]。另外, 耐亚铁毒和锌毒相关的 QSh5 QSdw5 QRdw5b与水稻Zn2+运输相关的基因 OsZIP2 (23 262 252~23 264 744)[28]紧邻; 在Lemont背景导入系检测到的与耐锌毒相关 的 QRdw4b与Fe2+运输相关的基因 OsYSL2 (26 652 325~ 26 655 465)[29]位于同一区间。在特青背景导入系检测到的影响铁毒的 QSh9 QSdw9与Fe2+运输相关的转录因子 OsWRKY80 (24 734 518~ 24 734 438)[30]相邻。这些位点的等位性还有待进一步证明。

3.4 不同亚铁毒和锌毒抗性指标性状的评价

水稻苗期耐Fe2+和Zn2+胁迫的评价体系直接影响到相关抗(耐)基因检出的效果。评价体系包括处理方式、处理时期、处理浓度、处理时间长度和考察性状等几个方面。考察性状有受害等级、苗高、根长、地上部苗干重、根干重、含水量等一般指标[7,8,9], 也有的考察叶绿素指数、电解质外渗率、MDA含量和离子浓度等生理指标[1,6,11]。从考察的性状来看, 评价受害等级操作不方便, 而且难于定量比较; 测量相关生理指标又比较繁琐且难于精确测定。通过不同评价体系定位到的QTL均有不同之处[31], 而且定位结果也难于相互比较, 因此, 建立高效的水稻苗期耐亚铁毒和锌毒胁迫的评价体系显得十分重要。

水稻应对短时间高浓度离子胁迫和长时间低浓度离子胁迫可能存在不同的抗性机制, 借鉴前人的研究方法和预备试验, 选择在二叶一心期胁迫处理20 d, 考察易于测定的苗高、地上部苗干重、根干重等指标, 同时用处理和对照的相对值评价, 这样可以消除幼苗生长本身引起的差异, 其大小可直接反映株系对Fe2+和Zn2+毒害的抗性。从本研究定位结果来看, 通过苗高和地上部苗干重可以检测到很多共同的位点, 其效应大小和方向也基本一致, 而地上部苗干重较苗高易于考察且试验测量误差较小, 因此我们认为地上部苗干重是较为有效的考察 指标。

3.5 利用分子标记辅助选择提高水稻苗期Fe2+和Zn2+胁迫抗性的启示

从苗高和苗干重来看, 特青显著高于Lemont, 但是在Fe2+和Zn2+胁迫条件下的干重损失上, 特青低于Lemont, 说明Lemont比特青具有较强的抗性。我们检测到影响Fe2+和Zn2+胁迫下与对照相对值的QTL, 大部分增加相对值即提高抗性的有利等位基因来自Lemont, 但是在一些位点提高相对值的有利等位基因来自特青, 如 QSh6b QSdw2a QSdw6b等。因此利用分子标记辅助选择聚合双亲的有利等位基因, 就完全有可能提高品种对亚铁毒和锌毒的抗性水平, 培育出符合育种目标的新品种。

4 结论

利用双向导入系群体分别检测到22个和20个影响水稻苗期耐亚铁毒和锌毒相关性状的QTL, 其中4个在2个背景下共同表达, 9个在同一遗传背景下同时影响耐亚铁毒和锌毒, 即为耐两种金属毒害的遗传重叠位点。利用分子标记辅助选择聚合耐亚铁毒和耐锌毒的遗传重叠位点, 可以提高水稻苗期对亚铁毒和锌毒的抗性水平。

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