水稻粒型相关性状的QTL分析
姜树坤1，2，张喜娟1，王嘉宇2?，刘 进2，张凤鸣1，徐正进2
（1. 黑龙江省农业科学院 耕作栽培研究所，哈尔滨 150086；2. 沈阳农业大学 水稻研究所，沈阳 110866）
摘 要: 利用Nipponbare(粳)/Kasalath(籼)//Nipponbare(粳)的98个BC1F5回交重组自交系群体及其对应的包含245个分子标记的连锁图谱，于2009和2010年分别在日本筑波和中国沈阳对水稻粒型相关性状（粒长、粒宽和粒厚）进行数量性状基因位点（Quantitative trait loci, QTL）分析。共检测到16个控制粒型相关性状的QTL，包括在日本筑波检测到的13个QTL和在中国沈阳检测到的9个QTL。它们分布在第1、2、3、5、6、9、10和12号染色体上，其中有6个QTL在2个环境下被同时检测到，分别是控制粒长的qSL3-1和qSL12；控制粒宽的qSW5；控制粒厚的qST3、qST5和qST6-1。这些QTL为粒型相关性状在不同环境条件下的相对稳定遗传提供了理论支持，而其余的在特定环境下表达的QTL也反映了粒型相关性状遗传的复杂性。 关键词: 水稻；粒长；粒宽；粒厚；数量性状基因位点 中图分类号： Q941+.3
QTL Analysis for the Traits related to Seed Type in Rice
JIANG Shu-kun12，ZHANG Xi-juan1，WANG Jia-yu2，LIU Jin2，ZHANG Feng-ming1，XU Zheng-jin2
，
(1.Cultivation and Farming Research Institude, Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Harbin, 150086； 2.Rice Research Institude,
Shenyang Agricultural University, Shenyang, 110866 China)
Abstract: Ninty-eight backcross recombinant inbred lines (BC1F5) derived from a cross between Nipponbare (japonica)/Kasalath (indica)//Nipponbare (japonica) and its linkage map including 245 molecular markers were used to map QTL controlling seed shape (seed length, seed width and seed thickness) in Tsukuba Japan (2009) and Shenyang China (2010), respectively. A total of 16 QTLs containing 13 in Tsukuba and 9 in Shenyang were identified on chromosomes 1, 2, 3, 5, 6, 9, 10 and 12. Six QTLs were detected under two environments including qSL3-1, qSL12, qSW5, qST3, qST5 and qST6-1. The genetically stable QTL controlling seed shape provides theoretical support under different environmental condition, the expressed QTL under given conditions reflected the genetic complexity of seed type traits. Key words: rice; seed length; seed width; seed thickness; quantitative trait loci
稻谷粒长、粒宽和粒厚是水稻产量构成的重要因素，也是衡量稻米外观品质的重要指标。增加水稻籽粒体积和提高籽粒充实度可以提高籽粒产量，但随着籽粒体积的增加，往往导致稻米外观和加工品质的恶化。因此，合理的粒型是水稻高产优质的重要指标。众多研究表明，稻谷粒型是受多基因控制的数量性状，利用分子标记对控制粒型的QTL进行定位，分析其遗传效应和作用方式，不仅能够加深对稻谷粒型遗传机制的了解，还将为相关QTL的克隆提供数据和参考。目前，关于粒型基因的克隆和调控机制已有不少报道，张启发研究小组克隆了控制粒长的QTL-GS3，其编码由假定的PEBP-like结构域，跨膜区，TNFR/NGFR家族中富含半胱氨酸的同源区域和一个VWFC模块构成。进一步发现大粒品种GS3基因的第2个外显子区域发生了一个无义突变，导致目标蛋白在第178个氨基酸处中断，导致功能缺失[1]。林鸿宣研究团队克隆了控制粒宽的QTL-GW2，其编码未知的RING-type蛋白，具有E3泛素连接酶活性，参与降解促进细胞分裂的蛋白的途径，宽粒品种GW2基因的第4外显子提前终止，导致功能缺失，细胞分裂素积累量增加，谷粒颖壳细胞数增多，进而增加粒宽[2]。矢野昌裕研究小组和万建民研究小组同时克隆了第5染色体上控制粒宽的QTL-qSW5（GW5 ），该基因编码一个144氨基酸组成的核定位蛋白，该蛋白包含一个核定位信号和一个富精氨酸区域，进一步分析表明其调控机制可能与GW2相同[3, 4]。虽然对于粒型的分子调控取得了一定的进展，但上述研究也反映出了稻谷粒型相关性状遗传及调控的复杂性，不同品种粒型的调控基因可能 收稿日期：
基金项目：辽宁省教育厅重点实验室项目（LS2010147） 作者简介：姜树坤（1981-），男，助理研究员，博士，从事水稻遗传基础与分子育种研究。Tel：0451-86680041， E-mail：sk_jiang@126.com 通讯作者：王嘉宇（1976-），男，副研究员，博士，主要从事水稻产量生理与分子遗传育种研究。Tel:024-88487184，E-mail：ricewjy@126.com
不同。因此，有必要挖掘新的控制粒型的相关基因，检测不同基因在不同环境下的表达稳定性以及不同基因与环境的互作关系，筛选出能在不同环境下稳定遗传的基因，为水稻粒型分子设计育种提供元件。为此，本研究利用Nipponbare和Kasalath杂交衍生的BILs群体，在两个不同环境下，对控制粒长、粒宽和粒厚的QTL进行检测和分析，旨在为水稻粒型的分子改良奠定基础。
1 材料与方法
1.1 试验材料
Nipponbare/Kasalath//Nipponbare的98个BC1F5回交重组自交系群体及其对应的包含245个分子标记的连锁图谱资料均有日本农业生物资源研究所Yano博士提供。分别于2009和2010年种植在日本筑波市农业生物资源研究所（东经140°40′；北纬36°20′）和中国沈阳农业大学水稻研究所试验基地（东经123°24′；北纬45°50′），田间管理采用常规的适应于当地气候条件的栽培措施，成熟后收集的种子自然风干后，用于粒型相关性状的测定。 1.2 性状调查
参照《水稻种质资源描述规范和数据标准》[5]的方法略作修改，每个家系随机选取10个单株，每单株随机抽取成熟稻谷谷粒30粒，用游标卡尺(精确到0.01 mm)测量粒长、粒宽和粒厚，并取其平均值，3次重复，以10个单株的均值作为该家系的分析数值。 1.3 QTL分析
采用WinQTL Cartographer 2.5的CIM方法[6]进行QTL定位，步移速度设置为1 cM， LR阈值设置为11.5，模型为6，控制标记数为5，用向前回归方法，被检区间选择每侧10 cM的控制窗口。采用排列组合1 000次的方法确定LOD阈值（α=0.05），当实际求得的LOD值大于LOD阈值时，就认为该区段存在1个QTL，其置信区间为LOD峰值向下1个LOD值单位的区间。
2 结果与分析
2.1 三个粒型相关性状表现及相关分析
两个亲本Nipponbare和Kasalath的3个粒型相关性状差异显著，与Kasalath相比，Nipponbare的粒型表现为“短-宽-厚”。3个性状在BC1F5回交重组自交系群体中变异幅度大，呈现双向超亲分离，表现为接近正态的连续分布(表1)，这一结果表明这些性状均为多基因控制的数量性状，符合QTL作图的要求。由于种植地点的由日本筑波北移到中国沈阳（北纬36°20′→北纬45°50′），日照增长，穗分化延迟，引起抽穗期的推迟，导致部分植株不能正常成熟或灌浆不良，因此群体的粒长、粒宽和粒厚在北移后，表现出整体变小的趋势（表1）。
表1 粒长、粒宽和粒厚在Nipponbare/Kasalath//Nipponbare的BILs群体中的分布
Table 1 Distribution of seed length, seed width and seed thickness in Nipponbare/Kasalath//Nipponbare BILs population
性状
Traits 粒 长 Seed length 粒 宽 Seed width 粒 厚 Seed thickness
地点 Location 筑波 Tsukuba 沈阳 Shenyang 筑波 Tsukuba 沈阳 Shenyang 筑波 Tsukuba 沈阳 Shenyang
亲本 Parent
日本晴 Nipponbare 7.38 6.95 3.49 3.33 2.26 2.11
Kasalath Kasalath 7.5 7.2 2.88 2.63 1.85 1.91
差值 Difference 0.12 0.25 0.61 0.70 0.41 0.20
回交重组自交系
BILs
平均值±标准差 Mean±SD 7.42±0.45 7.10±0.41 3.11±0.18 3.03±0.18 2.04±0.11 1.93±0.12
变幅
Range 6.28~8.73 6.23~8.53 2.78~3.58 2.60~3.43 1.80~2.25 1.65~2.20
变异系数 CV% 6.07 5.78 5.78 5.94 5.39 6.22
峰度 Kurtosis 0.57 1.06 -0.88 -0.49 -0.68 -0.39
偏度 Skewness 0.42 0.6 0.1 -0.21 0.04 -0.2
粒长、粒宽和粒厚在两地间表现出极显著正相关（表2），其在两地间的相关系数分别为0.743**、0.575*和0.668**，其中粒宽的相关系数最小，表明其易受环境影响，而粒长和粒厚的遗传相对稳定。此外，粒宽与粒厚间呈显著正相关，在两地内的相关系数分别为0.612**和0.510*；在两地间的相关系数分别为0.541*和0.612**。而粒长与粒宽、粒厚间无相关性。上述信息表明粒宽与粒厚的遗传机制很可能相同，而粒长与粒宽和粒厚的遗传机制可能
不同。
表2 粒长、粒宽和粒厚的相关系数
Table 2 Correlation coefficients among seed length, seed width and seed thickness
性状 Traits 粒长 Seed length 粒宽 Seed width 粒厚 Seed thickness
环境 Environments 筑波 Tsukuba 沈阳 Shenyang 筑波 Tsukuba 沈阳 Shenyang 筑波 Tsukuba 沈阳 Shenyang
粒长 Seed length
筑波 Tsukuba 沈阳 Shenyang -1.000** -0.743** -1.000 -0.016** -0.001 -0.136** -0.005 -0.004** -0.075 -0.027** -0.107
粒宽 Seed width
筑波 Tsukuba 沈阳 Shenyang
-1.000** -0.575** -1.000** -0.612** -0.612** -0.541** -0.510**
粒厚 Seed thickness 筑波 Tsukuba 沈阳 Shenyang
-1.000** -0.686** 1.000
* 表示显著(P<0.05)，** 表示极显著(P<0.01) * Significant at P<0.05，** significant at P<0.01
2.2 三个粒型相关性状的QTL分析
通过复合区间作图分析，共检测到控制粒型相关性状的16个QTL（表3），图1显示这些QTL在染色体上的位置。其中包括6个粒长QTL、4个粒宽QTL和6个粒厚QTL，分别位于第1、2、3、5、6、9、10和12号染色体上，所有检测到的QTL的LOD值在2.53~11.16之间，单个QTL的表型贡献率在11.50％~40.80％之间。共有6个QTL在两地同时检测到，包括控制粒长的qSL3-1和qSL12；控制粒宽的qSW5；控制粒厚的qST3、qST5和qST6-1，进一步分析发现这些QTL均为主效基因。除qSL10以外，所有粒长QTL的加性效应值均为负值，表明粒长的增效基因基本来自Kasalath。粒宽增效基因来自Nipponbare的有qSW2和qSW5；qSW3和qSW10的增效基因来自Kasalath。除qST6-1和qST6-2以外，其余粒厚QTL的加性效应值均为正值，表明多数粒厚增效基因来自Nipponbare。这些信息为水稻粒型的分子改良提供了理论基础。
表3 粒长、粒宽和粒厚的QTL定位
Table 3 The QTLs controlling seed length, seed width and seed thickness
数量性状座位
QTL qSL1 qSL3-1 qSL3-2 qSL6 qSL10 qSL12 qSW2 qSW3 qSW5 qSW10 qST2 qST3 qST5 qST6-1 qST6-2 qST9
染色体 Chromosome
1 3 3 6 10 12 2 3 5 10 2 3 5 6 6 9
标记区间 Marker interval R2414-C813 C595-C944 C1135-C1488 R674-R6549 R716-G127 R617-R2672 C1221-C560 C595-C944 R3166-C249 C1369-R716 C1221-C560 C361-C1488 R3166-C249 R2869-C191B R674-C358 C609-C570
LOD值 LOD Value
筑波Tsukuba
2.85 4.72 3.36 2.65 5.31 3.86 10.72 3.90 11.16 5.95 2.59 3.91 3.51
沈阳Shenyang
2.53 3.15 2.85 5.50 4.90 3.90 4.31 4.41 4.98
表型贡献率 PVE (%)
筑波Tsukuba
12.50 19.90 14.60 11.70 22.10 16.60 39.60 16.70 40.80 24.40 11.50 16.80 15.20
沈阳Shenyang
12.30 15.10 13.70 24.70 22.40 18.30 20.00 20.40 22.70
加性效应 Additive effect
筑波Tsukuba
-0.16 -0.21 0.18 -0.17 0.09 -0.07 0.11 0.05 0.06 0.05 -0.02 -0.03 0.03
沈阳Shenyang
-0.10 -0.20 -0.14 -0.21 0.08 -0.04 0.05 0.04 -0.06