以南方籼型杂交稻恢复系泸恢99和北方粳型超级稻沈农265杂交衍生的重组自交系群体(recombinant inbred lines, RILs)为试验材料, 对株型性状(株高、穗长、分蘖和叶片性状)进行不同环境下的数量性状基因位点(quantitative trait locus, QTL)分析。共检测到39个相关QTL, 分布在水稻第1、第2、第3、第6、第7、第8和第9染色体上, LOD值介于2.50~16.90之间, 有11个QTL能在两年中被检测到。株型相关的QTL在染色体上成簇分布, 主要分布于第1、第6和第9染色体上, 这可能与株型性状间显著或极显著相关有关。其中, 在第9染色体上RM3700B-RM7424区间存在1个QTL簇, 含4个QTL, 即
A recombinant inbred lines (RILs) derived from the across between
水稻是重要的粮食作物之一, 提高产量是水稻遗传育种学家追求的永恒目标。对水稻高产育种而言, 其基本原理有两条, 即形态改良和机能改进[ 1]。前者主要通过塑造适应本地区的理想株型, 进而构建高光效群体和提高群体物质生产能力, 后者则是通过利用杂种优势改善个体的生理机能, 提高个体生产能力。水稻育种历史也表明, 株型改良对水稻产量潜力的提高发挥了重要作用。无论20世纪60年代的矮化育种, 还是在此基础上兴起的理想株型育种, 核心问题都是株型[ 2]。可见, 良好的株型是水稻新品种选育的重要目标之一, 株型性状的遗传研究对水稻育种的理论、方法和策略都至关重要。
迄今为止, 关于株型的遗传规律研究较多, 一般认为株型性状为多基因控制的数量性状, 易受环境的影响。近年来, 人们加强了对水稻株型的遗传基础研究, 尤其是水稻株型的分子调控机制研究取得了较大进展, 一些株型性状相关基因相继被鉴定和功能注释。水稻半矮秆材料的发现和利用推动了水稻绿色革命, 后来的研究发现, 半矮秆基因 sd1是由3个外显子和2个内含子组成的开放阅读框, 编码由389个氨基酸组成的GA20氧化酶(GA20ox), 参与赤霉素的生物合成[ 3]。Jiao等[ 4]和Miura等[ 5]克隆了理想株型基因 IPA1, 该基因编码含有SBP结构域的转录因子OsSPL14, 在营养生长时期的茎尖和生殖生长时期的枝梗原基中表达量最高, IPA1可以使水稻分蘖数减少, 穗粒数和千粒重增加, 茎秆变得粗壮, 从而有助于水稻产量的提高。 MOC1基因是控制水稻分蘖数量的相关基因, 编码GRAS家族蛋白, 通过决定腋生分生组织起始和生长而控制分蘖的数量[ 6]。Qi等[ 7]深入研究了矮秆窄叶突变体 nal1, NAL1基因编码一个植物特有的未知功能蛋白, 该基因通过改变生长素极性运输和分布来调控水稻的维管排列, 进而影响叶片的生长发育。多蘖矮秆基因 HTD2/ D88/ D14编码一个酯酶, 能抑制水稻分枝发生, 负调节水稻分蘖数[ 8, 9, 10]。矮化多分蘖突变体 d53是一个独脚金内酯不敏感突变体, 对该基因的功能分析表明, D53蛋白作为独脚金内酯信号途径的抑制子参与调控水稻分蘖的生长发育[ 11, 12]。这些基因的鉴定不仅为水稻株型改良提供了重要的理论基础, 而且为水稻籼粳交杂种优势利用提供了有用的基因和材料。尽管人们对水稻的株型性状进行了很多分析, 定位到一些控制株型的QTL/基因, 但多数分析涉及的性状较少, 分析的不够透彻。因此, 有必要对株型相关性状进行更为深入细致的分析。本研究以重组自交系群体为材料, 对9个株型性状进行QTL分析, 同时与已报道的研究结果进行比较, 进一步加深对水稻株型性状遗传多样性的理解, 也为利用分子标记辅助聚合水稻株型性状基因提供理论依据。
沈农265是北方粳型超高产品种, 其株型紧凑, 穗短而直立, 泸恢99是籼型杂交稻重要恢复系, 其剑叶和穗长较大, 株型为叶下禾。2007年夏季在沈阳配制杂交组合“泸恢99/沈农265”, 采用单粒传法(single seed descent, SSD)获得RIL群体, 利用RIL群体中151个稳定株系作为试验材料。
试验于2012年和2013年在沈阳农业大学水稻研究所试验田进行, 4月18日至20日育苗, 5月18日至20日移栽, 151个RIL株系, 每小区3行, 每行10株, 栽植的行株距为30.0 cm×13.3 cm, 单苗插植, 其他管理与一般大田相同。
参照《水稻种质资源描述规范和数据标准》[ 13]去除边株选取5穴, 测定株高、分蘖、穗长、剑叶长、剑叶宽、倒二叶长和倒二叶宽, 计算剑叶和倒二叶的叶长宽比, 2次重复取均值。
选择均匀分布于水稻12条染色体上的456对分子标记对泸恢99和沈农265进行差异引物筛选, 其中包括366对SSR (简单重复序列, Simple Sequence Repeat)标记、34对InDel (插入/缺失, Insertion/ Deletion)标记[ 14]和56对SSILP (亚种间特异性内含子长度多态性, Subspecies-Specific Intron Length Poly--morphism)标记[ 15], 共筛选出179对具有明显差异的多态性标记构建分子标记连锁图谱, 多态性频率为39.25%。图谱覆盖了水稻基因组约1571.3 cM, 标记间的平均距离为8.77 cM, 平均每对染色体上的标记数为14.92个。利用Mapmaker/EXP3.0分析软件构建连锁图谱, 利用Kosambi函数将重组率转化为遗传图距(cM), 利用Mapchart2.2绘制连锁图[ 16, 17]。采用QTL ICI Mapping v3.0的完备区间作图(ICIM)方法进行QTL分析[ 18], LOD的阈值设为2.5, 当实际求得的LOD值大于LOD阈值时, 就判定该区段存在1个QTL, 同时估算每个QTL的加性效应值和贡献率。QTL的命名遵循McCouch等[ 19]的原则。
亲本间9个性状都存在显著差异, 与泸恢99相比沈农265具株型紧凑的直立穗, 其剑叶和倒二叶均为“短-窄”型, 株高稍矮、分蘖稍多, 在重组自交系群体中株型性状均表现出较大的超亲分布, 变异幅度较大, 表现数量性状的遗传特性( 表1), 符合QTL作图要求。
相关分析表明( 表2), 株高与穗长、剑叶长、倒二叶长均呈极显著正相关, 与每穴分蘖数呈极显著负相关, 与剑叶宽的相关性不显著: 穗长与每穴分蘖数呈极显著负相关, 与剑叶长、倒二叶长均呈极显著正相关, 与剑叶宽的相关性不显著: 每穴分蘖数与剑叶长、剑叶宽、倒二叶长均存在极显著的负相关, 但相关系数均相对较小, 与倒二叶宽的相关性不显著: 剑叶长和倒二叶长存在极显著的正相关, 与剑叶宽相关性不显著: 剑叶宽与倒二叶宽呈极显著正相关, 与倒二叶长相关性不显著。此外, 倒二叶宽年际间各相关系数变化较大, 说明其易受环境条件的影响。
两年间各指标呈现极显著相关, 但每穴分蘖数的相关系数相对较小, 表明其可能易受环境影响。株高和剑叶长的相关系数相对较大, 其受环境因素影响很小。
2.3.1 2012年株型性状QTL分析 2012年检测到19个QTL, 分布在第1、第2、第3、第6、第8和第9染色体上( 表3和 图1)。检测到控制株高的QTL 1个, 位于第1染色体上, 增效等位基因来自泸恢99, 贡献率为44.25%。检测到控制穗长的QTL 2个, 分别位于第8和第9染色体, 其中 qPL8增效等位基因来自沈农265, qPL9增效等位基因来自泸恢99, 贡献率分别为6.58%和48.07%。检测到1个与每穴分蘖数相关的QTL qTN2, 贡献率为30.38%, 其增效等位基因来自泸恢99。控制剑叶长度的位点有2个, 位于第8和第9染色体, qFLL9增效等位基因来自泸恢99, 贡献率为44.50%, qFLL8的增效等位基因来自沈农265, 贡献率为12.53%。控制剑叶宽度的位点有2个, 分别位于第1和第6染色体, 增效等位基因都来自于泸恢99, 贡献率分别为11.73%和9.75%: 共检测到2个控制剑叶长宽比的QTL qFLWR1和 qFLWR9, 其中 qFLWR9贡献率最大, 表型贡献率达47.48%, 其增效基因来自泸恢99, qFLWR6增效基因来自沈农265, 贡献率均相对较小。
控制倒二叶长度的位点有4个, 位于第1、第3和第9染色体, 增效等位基因来自沈农265的有 qSFL1和 qSFL3c, 贡献率分别为5.36%和7.86%, qSFL3a和 qSFL9的增效等位基因来自泸恢99, 贡献率为7.53%和36.09%。控制倒二叶宽度的位点有3个, 位于第1、第6和第9染色体, 增效等位基因来自泸恢99的有 qSFW1和 qSFW6, 贡献率分别为7.99%和14.66%, 增效等位基因来自沈农265只有 qSFW9, 贡献率为9.44%。检测到2个控制倒二叶长宽比的QTL qSLWR1和 qSLWR9, 其中 qSLWR9贡献率较大, 其增效基因均来自泸恢99, qSLWR1贡献率均相对较小, 其表型贡献率仅4.12%, 增效基因来自沈农265。
2.3.2 2013年株型性状QTL分析 2013年检测到20个QTL ( 表3和 图1), 分布在第1、第2、第6、第7、第8和第9染色体上。检测到控制株高的QTL 4个, 分布在第1、第8和第9染色体上, 其中 qPH1a的效应值最大, qPH1b的效应值最小, 除 qPH9外增效等位基因均来自泸恢99。检测到1个控制穗长的QTL qPL9, 其LOD值、表型贡献率、加性效应值分别为9.19、30.99%和2.03, 其增效等位基因来自泸恢99。控制剑叶长度的位点有2个, 位于第8和第9染色体, LOD值分别为3.91和10.71, 贡献率分别为9.92%和32.03%, 加性效应值分别为 -2.17和3.96, 其中 qFLL9增效等位基因来自泸恢99, qFLL8的增效等位基因来自沈农265。控制剑叶宽度的位点有4个, 位于第2、第6、第7和第9染色体, 增效等位基因来自泸恢99的有 qFLW2和 qFLW6, 贡献率分别为10.69%和12.50%, 增效等位基因来自沈农265的有 qFLW7和 qFLW9, 贡献率分别为9.91%和7.49%。共检测到2个控制剑叶长宽比的QTL, 其中 qFLWR9贡献率较大, 表型贡献率达33.87%, 其增效基因来自泸恢99, qFLWR6贡献率为10.58%, 增效基因来自沈农265。
控制倒二叶长度的位点有3个, 位于第2、第8和第9染色体, 增效等位基因来自沈农265的有 qSFL8, 贡献率分别为9.98%, 来自泸恢99的有 qSFL2和 qSFL9, 贡献率为8.60%和26.83%。控制倒二叶宽度的位点有2个, 位于第6和第9染色体, qSFW6增效等位基因来自泸恢, 贡献率仅为6.01%, qSFW9增效等位基因来自沈农265, 贡献率为11.09%。检测到2个控制倒二叶长宽比的QTL qSLWR1和 qSLWR9, 其中 qSLWR9贡献率较大, 能解释表型变异的32.96%, 增效基因来自泸恢99。未检测到与每穴分蘖数相关的QTL, 可能是每穴分蘖数受环境因素影响较大所致。
2.3.3 两年株型性状QTL比较分析 两年共检测到39个株型性状相关的QTL, 2012年和2013年分别为19个和20个 QTL, 分布于第1、第2、第3、第6、第7、第8和第9染色体, LOD值介于2.50~16.90之间, 单个QTL贡献率在5.36%~46.16%范围内。其中, 有11个QTL在2年间均能被检测到, 包括1个株高的QTL ( qPH1a), 1个穗长QTL ( qPL9)、2个剑叶长的QTL ( qFLL8和 qFLL9), 1个剑叶宽的QTL ( qFLW6),1个剑叶长宽比QTL( qFLWR9), 1个倒二叶长的QTL ( qSFL9b), 2个倒二叶宽的QTL ( qSFW6和 qSFW9)以及2个倒二叶长宽比QTL ( qSLWR1和 qSLWR9)。就这些QTL分布的染色体区间而言, 控制株型性状的QTL分别在第1、第6和第9染色体上形成QTL簇。其中, 在第1染色体RM1361-RM6321和RM580-RM259区域及附近检测到控制多个株型性状的QTL, 在第6染色体PSM389-RI04969区域检测到能调控剑叶宽、倒二叶宽和剑叶长宽比的QTL, 在第9染色体RM3700B-RM7424A区域检测到同时调控株高、穗长、剑叶长、剑叶宽、倒二叶长和倒二叶宽的QTL, 而其余位点多效性不明显。
株型改良是水稻增产的重要途径之一, 通过合理组配调控株高、分蘖和剑叶等株型性状可以提升冠层的光合利用率进而增加单产。株型性状主要包括株高、穗型、分蘖、叶片和根系等性状, 与光合作用和水肥吸收的主要部位相关联, 显著影响产量和品质。株高是与产量相关的重要农艺性状之一, 研究表明株高, 叶长与穗重、千粒重、一次、二次枝梗数等相关性状显著正相关, 但并不是越高(长)越好, 株高过高, 重心也会升高, 易倒伏, 导致产量和品质降低。因此, 适当增加株高和培育壮秆抗倒伏的新品种是超高产育种的主要目标。李仕贵等[ 20]以籼粳交DH群体对剑叶性状进行定位分析, 共检测出13个QTL, 包括控制剑叶长的QTL 4个, 叶宽的QTL 5个, 影响剑叶长宽比的QTL 2个; 岳兵等[ 21]以重组自交系为材料, 分别检测到控制剑叶长、宽和叶面积的QTL 5、3和5个。徐建军等[ 22]利用染色体片段代换系群体定位剑叶形态QTL, 共检测到14个相关QTL, 贡献率介于4.06%~60.40%; 王一平等[ 23]以汕优63重组自交系群体为材料, 对顶部3叶的叶片性状进行QTL分析, 共检测到28个QTL, 同时发现穗重与9个叶片性状存在极显著的正相关。彭茂民等[ 24]认为控制水稻剑叶形态性状的QTL在不同遗传背景下的数量、分布、QTL位置、贡献率和加性效应值都有比较明显的差异。本研究2年共检测到39个QTL, 其中17个在单一年份中被检测到, 11个在2年均能被检测到, 分别占当年定位QTL总数的57.9%和55.0%, 重复性相对较好。根据国家水稻数据中心的基因数据库(http://www. ricedata.cn/gene/)和水稻QTL数据库(http://qtaro. abr.affrc.go.jp/qtab/table)公布的信息, 结合本研究中检测到的12个主效QTL, 对株型相关基因/QTL的图谱整合( 图1)发现, 在第1染色体长臂和第9染色体相应的区域均有相关QTL被报道, 这些基因/QTL可能相同, 也可能是新的基因或等位基因。特别是位于第6染色体控制叶宽的 qFLW6和 qSLW6与已定位的 qPL6和 qPH6位于相近区域, 但还未见克隆的报道。本研究中定位到的 qSLWR1和 qFLL8未见有文献报道, 是2个新的QTL位点。
QTL的多效性指的是同一区间的QTL同时对多个性状产生作用, 这种情况在作物中普遍存在。就泸恢99/沈农265的RILs群体而言, 控制株型性状的QTL主要分布在第1、第6和第9染色体上, 且成簇分布。本研究中效应值较大的QTL在不同的环境中表达比较稳定, 其中第6染色体的 qFLW6和 qSLW6, 第6染色体长臂末端的 qFLW6和 qSLW6与姜树坤等[ 25]检测到的 qFLW6、 qFLL6、 qSLW6a和 qSLW6b, 刘进等[ 26]在第6染色体检测到的 qFLW6和 qSLW6在相近的位置; 第9染色体检测到的 qPH9、 qPL9、 qFLL9和 qSFL9b与姜树坤等[ 25]、Hittalmani等[ 27]、方萍等[ 28]和杜景红等[ 29]在第9染色体上定位到株高、穗长和剑叶长QTL位点相近, 其贡献率和加性效应均相对较大, 能在不同环境中被检测到。此外, 在该区间内存在已被克隆的穗型基因 qPE9-1/ EP/ DEP1[ 30, 31, 32], 该基因调控株高、穗长和着粒密度等多个性状。当然, 本研究所检测到的QTL是否为 DEP1基因的多效性造成, 还需要进一步精细定位分析来确定。
利用泸恢99/沈农265的RIL群体构建了覆盖水稻基因组1571.3 cM的遗传图谱, 标记间平均距离为8.77 cM。对株高、穗长、分蘖、剑叶长、剑叶宽、剑叶长宽比、倒二叶长、倒二叶宽和倒二叶长宽比等9个株型性状进行QTL定位分析, 2年共检测到39个QTL, 包括2012年的19个, 2013年的20个。2年重复检测到的QTL有11个, 占总数的28.21%。部分株型性状的QTL在染色体上成簇分布, 主要分布在第1、第6和第9染色体上, 这可能与株型性状间存在显著或极显著相关有关。特别是位于第9染色体RM3700B-RM7424区间的1个QTL簇包括4个QTL( qPH9、 qPL9、 qFLL9和 qSLL9), 这4个QTL在两年中均被检测到, 且效应较大, 对这些QTL可作进一步深入研究。
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