孫愛(ài)伶 伍洪銘 陳高明 張?zhí)煊?曹鵬輝 劉世家 江 玲,* 萬(wàn)建民,2

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控制普通野生稻種子休眠性QTL的定位

孫愛(ài)伶1伍洪銘1陳高明1張?zhí)煊?曹鵬輝1劉世家1江 玲1,*萬(wàn)建民1,2

1南京農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游粳稻生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 江蘇省植物基因工程技術(shù)研究中心, 江蘇南京 210095;2中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所 / 作物基因資源與遺傳改良國(guó)家重大科學(xué)工程, 北京 100081

水稻種子休眠性是關(guān)系到稻米品質(zhì)和稻種質(zhì)量的一個(gè)重要農(nóng)藝性狀。研究水稻種子休眠性遺傳及分子機(jī)制對(duì)培育具有適度休眠性的優(yōu)良水稻品種具有重要意義。本研究以秈稻品種9311為受體、普通野生稻為供體的染色體片段置換系群體為材料, 在后熟不同時(shí)間檢測(cè)群體種子休眠性, 對(duì)控制種子休眠性的QTL進(jìn)行定位分析, 共定位到14個(gè)QTL, 分布在第3、第4、第5、第6、第7、第10、第11、第12染色體上。篩選休眠性顯著強(qiáng)于背景親本9311的家系, 分析這些家系攜帶的QTL數(shù)目, 表明攜帶的位點(diǎn)越多, 休眠性越強(qiáng)。進(jìn)一步利用家系Q14與9311的F2群體驗(yàn)證了第7染色體標(biāo)記RM180和RM21323之間存在一個(gè)效應(yīng)較大的QTL, 該位點(diǎn)LOD值為18.49, 可解釋的表型變異率為33.53%, 表明該位點(diǎn)是一個(gè)控制普通野生稻種子休眠性的主效QTL, 且能穩(wěn)定遺傳。本研究為野生稻種子休眠基因的精細(xì)定位及克隆奠定了基礎(chǔ), 且為培育強(qiáng)休眠性秈稻品種提供了育種材料。

野生稻; 種子休眠; 染色體片段置換系; QTL

種子休眠是指完好無(wú)損有活力的種子在適宜萌發(fā)的條件下(光照、溫度、水分、氧氣等)不能發(fā)芽的現(xiàn)象[1]。水稻種子休眠性是一個(gè)重要的農(nóng)藝性狀。一方面休眠性較弱的品種在成熟后期遭遇高溫多雨天氣, 容易發(fā)生穗發(fā)芽, 從而降低稻米的品質(zhì)和種子質(zhì)量[2]; 另一方面休眠性過(guò)強(qiáng)的品種, 可能導(dǎo)致播種時(shí)田間出苗率低, 出苗不整齊, 不利于水稻直播的推廣應(yīng)用。為培育適度休眠性的優(yōu)良品種, 研究水稻種子休眠性的遺傳特性和分子機(jī)制, 顯得尤為重要。

水稻種子休眠性是一個(gè)十分復(fù)雜的數(shù)量性狀, 影響種子休眠的因素包括內(nèi)在因素和外在環(huán)境因素,其中內(nèi)在因素主要含植物激素、胚效應(yīng)、種皮效應(yīng)等; 外在因素主要有溫度、水分、空氣、光照等。隨著分子標(biāo)記技術(shù)的發(fā)展, 水稻高密度遺傳圖譜的構(gòu)建使得對(duì)這些數(shù)量性狀位點(diǎn)的定位及克隆成為可能。迄今, 已初步定位了100多個(gè)與水稻休眠性有關(guān)的QTL, 廣泛分布于水稻12條染色體上, 其中在第1、第3、第5、第6、第7和第11染色體上的休眠QTL較多[3], 且檢測(cè)到一些穩(wěn)定表達(dá)的種子休眠性QTL, 并對(duì)其進(jìn)行了精細(xì)定位和克隆。例如, 日本學(xué)者Yano課題組利用日本晴和Kasalath衍生的高代回交群體(BC4F2), 將位于第7染色體的QTL進(jìn)行了圖位克隆, 這是首個(gè)圖位克隆的控制水稻種子休眠性的基因, 但其調(diào)控休眠的分子機(jī)制尚不清楚[4]。Takeuchi等[5]利用高代回交群體對(duì)位于第3染色體控制種子休眠性的QTL進(jìn)行了精細(xì)定位, 將其限制在RFLP標(biāo)記R10942與C2045之間的區(qū)域內(nèi), 與標(biāo)記C1488共分離。Gu等檢測(cè)到了一個(gè)來(lái)自雜草稻的位于第12染色體的控制種子休眠的主效QTL, 進(jìn)一步精細(xì)定位將其限定在標(biāo)記RM28642與SD12m50之間的小于75 kb的區(qū)間內(nèi)[6-7]。Lu等[8]利用南粳35和N22衍生的高代回交群體, 定位到2個(gè)控制N22種子休眠的QTL和, 將位于第1染色體的限定在標(biāo)記RM11669和RM1216之間, 將位于第5染色體的限定在標(biāo)記RM480和RM3664之間。羅正良[9]利用近等基因系K7481 ()與背景親本岡46B的F2群體, 將位于第8染色體控制種子穗發(fā)芽抗性的QTL精細(xì)定位在標(biāo)記RM23511和RM23520的103 kb之間。

野生稻由于長(zhǎng)期處于野生狀態(tài), 經(jīng)受了各種災(zāi)害和不良環(huán)境的自然選擇, 具有抗病、耐逆、休眠性強(qiáng)等多種特性, 是天然的基因庫(kù), 保持有栽培稻不具有或已經(jīng)消失了的基因, 遺傳多樣性豐富, 是栽培稻育種的寶貴種質(zhì)資源, 也是研究稻種起源、演變和分化必不可少的材料[10]。為此, 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所楊慶文課題組利用普通野生稻與9311構(gòu)建了以9311為受體, 野生稻為供體的一套染色體片段置換系群體, 該群體為挖掘野生稻中控制種子休眠性的基因提供了基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以9311為受體、普通野生稻為供體的染色體片段置換系(CSSL)群體, 共200個(gè)家系由楊慶文課題組提供。

2015年正季在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)土橋水稻試驗(yàn)基地種植CSSL群體及親本9311 (普通野生稻在南京不能抽穗)。每個(gè)家系2行, 每行10株。行距為20.0 cm, 株距為13.3 cm, 每穴1株。田間的水肥管理同常規(guī)大田。抽穗后35 d收獲各家系種子, 選擇每個(gè)家系3株長(zhǎng)勢(shì)一致的植株分單株收種, 在室溫條件下后熟21 d和28 d后檢測(cè)種子的休眠性。同時(shí), 從CSSL群體各家系中挑選典型單株與9311雜交。2015年冬季在海南加代, 自交得到F2種子。

根據(jù)正季種子休眠性鑒定的結(jié)果, 選擇強(qiáng)休眠性的9個(gè)家系以及強(qiáng)休眠性Q14家系與9311雜交自交的F2群體(含275個(gè)單株)和親本9311, 于2016年正季種植在土橋水稻試驗(yàn)基地, 種植方法同2015年。抽穗后35 d收獲F2群體各單株種子, 在室溫條件下后熟14 d后檢測(cè)種子的休眠性。同樣在抽穗后35 d收獲9個(gè)強(qiáng)休眠性的CSSL家系, 立即做發(fā)芽試驗(yàn)檢測(cè)種子休眠性, 并在室溫條件下后熟14 d后再次檢測(cè)種子的休眠性。

1.2 種子休眠性的表型鑒定

參照Wan等[11]的方法, 略作修改, 鑒定種子休眠性表型。從CSSL群體各單株隨機(jī)數(shù)取50粒健康飽滿的種子, 放入鋪有兩層濾紙的9 cm培養(yǎng)皿, 加水置30°C培養(yǎng)箱黑暗條件下發(fā)芽。以胚根或胚芽超過(guò)半粒種子長(zhǎng)為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn), 統(tǒng)計(jì)第7天的種子發(fā)芽率。以3個(gè)單株的發(fā)芽率平均數(shù)作為家系的發(fā)芽率表型值, 進(jìn)而判斷各家系種子的休眠性。

從F2群體各單株隨機(jī)數(shù)取50粒健康飽滿的種子置雙層濕潤(rùn)濾紙上, 設(shè)2個(gè)重復(fù), 在30°C黑暗條件下發(fā)芽, 按上述標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)第7 d發(fā)芽率, 以種子發(fā)芽率來(lái)評(píng)價(jià)種子休眠性。

1.3 DNA的提取及分子標(biāo)記分析

在Q14/9311 F2群體分蘗期取各單株葉片1張。采用CTAB法[12], 稍作修改, 提取DNA。將提取的DNA加200 μL ddH2O溶解作為DNA母液, 用Perkin Elmer MBA 2000 DNA濃度測(cè)定儀測(cè)定母液濃度, 并稀釋成20 ng μL–1的DNA工作液, 作為PCR擴(kuò)增反應(yīng)的模板, 4°C冰箱中保存。

PCR體系包括DNA模板1 μL (20 ng μL–1), 引物1.2 μL (2 mmol L–1), dNTP 0.4 μL (2.5 mmol L–1), buffer (Mg2+) 1 μL, ddH2O 6.6 μL, rDNA聚合酶0.1 μL (0.1 U)。PCR擴(kuò)增程序?yàn)?5°C預(yù)變性5 min, 94°C變性30 s, 55°C退火30 s, 72°C延伸40 s, 變性–退火–延伸步驟進(jìn)行35次循環(huán), 72°C10 min, 4°C保存。擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)8%非變性聚丙烯酰胺凝膠電泳分離, 參考Sangnietti等[13]的方法銀染顯色。

1.4 遺傳圖譜構(gòu)建及休眠性QTL檢測(cè)

CSSL群體的分子遺傳圖譜(基因型背景)由本實(shí)驗(yàn)室陳高明博士提供, 是用3410個(gè)覆蓋全基因組的SNP標(biāo)記對(duì)群體進(jìn)行基因型分析(SNP標(biāo)記數(shù)據(jù)等信息另文發(fā)表)。利用QTL IciMapping 4.1軟件[14], 采用逐步回歸相似比率測(cè)試(RSTEP-LRT)方法, 進(jìn)行種子休眠性QTL檢測(cè)。

Q14和9311衍生的F2群體的圖譜構(gòu)建, 用覆蓋全基因組的223個(gè)SSR和Indel標(biāo)記來(lái)確定家系Q14的置換片段位置, 部分置換主要在第7染色體。利用第7染色體親本間多態(tài)性較好的4個(gè)SSR標(biāo)記和4個(gè)Indel標(biāo)記, 分析F2分離群體中275個(gè)單株的基因型, 獲得每個(gè)單株的分子數(shù)據(jù)。利用QTL IciMapping 4.1軟件[14], 采用復(fù)合區(qū)間作圖方法對(duì)F2群體進(jìn)行種子休眠性QTL檢測(cè)。以LOD值2.5作為閾值判斷QTL是否存在。遵循McCouch等[15]的方法命名QTL。用于分析Q14/9311 F2群體各單株基因型的標(biāo)記序列信息見(jiàn)表1。

表1 用于分析Q14/9311 F2群體各單株基因型的SSR和Indel引物序列

SSR: 簡(jiǎn)單重復(fù)序列; Indel: 插入缺失。SSR: simple sequence repeat; Indel: insertion/deletion.

2 結(jié)果與分析

2.1 CSSL群體休眠性表型分析

2.1.1 2015年正季群體種子后熟21 d 普通野生稻有較強(qiáng)的種子休眠性, 而9311的種子休眠性相對(duì)較弱。對(duì)后熟過(guò)程中親本9311的種子, 每隔3 d做一次發(fā)芽試驗(yàn), 檢測(cè)其休眠性。當(dāng)9311的發(fā)芽率達(dá)到中等水平, 即后熟21 d時(shí), 其發(fā)芽率為(75±2)%, CSSL群體的發(fā)芽率呈0~100%的連續(xù)分布, 且表現(xiàn)出超親現(xiàn)象(圖1)。有20%家系的發(fā)芽率在70%以下,顯著低于背景親本9311, 表明這些休眠性很強(qiáng)的家系中攜帶有普通野生稻增強(qiáng)休眠性的基因位點(diǎn)。

2.1.2 2015年正季群體種子后熟28 d 背景親本9311的發(fā)芽率達(dá)到(94±3)%, 而CSSL群體的發(fā)芽率仍呈連續(xù)分布, 變異幅度在10%~100%之間(圖2)。與后熟21 d相比, 群體內(nèi)60%的家系的發(fā)芽率已達(dá)到90%以上, 但仍有30%家系的發(fā)芽率顯著低于背景親本9311。表明這些家系存在更強(qiáng)的休眠性基因位點(diǎn)。

圖1 2015年CSSL群體種子后熟21 d后休眠性次數(shù)分布圖

Germination rate (%)表示種子在第7天的發(fā)芽率, 每個(gè)家系3個(gè)重復(fù), 每個(gè)重復(fù)50粒; No. of lines為對(duì)應(yīng)發(fā)芽率的家系數(shù), 用柱子上的數(shù)字表示。

Germination rate (%) indicates that at seventh days of germination, three plants for each line were tested, using 50 grains for each replicate; No. of lines in the line number at the corresponding germination rate, showing on the column.

圖2 2015年CSSL群體種子后熟28 d后休眠性次數(shù)分布圖

Germination rate (%)表示種子在第7天的發(fā)芽率, 每個(gè)家系3個(gè)重復(fù), 每個(gè)重復(fù)50粒; No. of lines為對(duì)應(yīng)發(fā)芽率的家系數(shù), 用柱子上的數(shù)字表示。

Germination rate (%) indicates that at seventh days of germination, three plants for each line were tested, using 50 grains for each replicate; No. of lines in the line number at the corresponding germination rate, showing on the column.

2.2 CSSL群體種子休眠性QTL檢測(cè)

2.2.1 2015年正季群體種子后熟21 d 在CSSL群體檢測(cè)到6個(gè)休眠性QTL, 分別位于第4、第7、第11、第12染色體上, 其中于第7、第12染色體均檢測(cè)到2個(gè)位點(diǎn)。LOD值介于2.75~13.01之間, 貢獻(xiàn)率在3.93~22.38之間, 其中的LOD值最大, 貢獻(xiàn)率也最高, 達(dá)到22.38%, 其加性效應(yīng)為-21.62, 表明該位點(diǎn)上來(lái)自野生型的等位基因能降低21%的發(fā)芽率(表2)。

2.2.2 2015年正季群體種子后熟28 d 在CSSL群體共檢測(cè)到11個(gè)QTL, 分別位于第3、第5、第6、第7、第10、第11、第12染色體上, LOD值介于3.07~20.87之間, 貢獻(xiàn)率在1.74~14.75之間。其中在第3染色體上檢測(cè)到2個(gè)位點(diǎn), 而第12染色體上檢測(cè)到4個(gè)位點(diǎn), 其中和在后熟21 d的條件下也被檢測(cè)到, 說(shuō)明這2個(gè)位點(diǎn)的真實(shí)性。而另外2個(gè)位點(diǎn)和是被新檢測(cè)到的, 其真實(shí)性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。和兩個(gè)位點(diǎn)距離很近且控制種子休眠性的基因來(lái)源不同, 如果這2個(gè)位點(diǎn)是真實(shí)存在的, 說(shuō)明在普通野生稻的該區(qū)間存在作用相反的2個(gè)位點(diǎn)。的LOD值最大, 貢獻(xiàn)率也最高, 達(dá)到20.87%, 加性效應(yīng)為–14.20, 表明該位點(diǎn)來(lái)自野生稻的等位基因能降低14%的發(fā)芽率(表3)。

在不同后熟時(shí)間檢測(cè)到3個(gè)相同的位點(diǎn),、和。此外,和位置很近, 猜測(cè)可能是同一個(gè)休眠性QTL。表明這4個(gè)位點(diǎn)控制的休眠性在后熟過(guò)程中不易被打破。另外, 在后熟28 d時(shí)檢測(cè)到更多的位點(diǎn), 其可能原因是, 背景親本9311有一定休眠性, 且其休眠性更易被解除, 后熟28 d時(shí), 其發(fā)芽率達(dá)到94%, 而CSSL群體中比9311發(fā)芽率顯著低的家系約有30%, 后熟21 d時(shí)比9311發(fā)芽率顯著低的家系只有20%。

表2 2015年正季CSSL群體種子后熟21 d后休眠性QTL定位

PVE (%): 可解釋的表型變異值。PVE (%): phenotypic variance explained。

表3 2015年正季CSSL群體種子后熟28 d后休眠性QTL定位

PVE (%): 可解釋的表型變異值。PVE (%): phenotypic variance explained.

2.3 在CSSL群體中篩選休眠性強(qiáng)的家系

根據(jù)不同后熟時(shí)間后的種子休眠性表現(xiàn), 選擇了9個(gè)種子休眠性顯著比背景親本9311強(qiáng)的家系。2016年對(duì)所選家系的種子休眠性表型再次驗(yàn)證, 發(fā)現(xiàn)所有9個(gè)家系種子休眠性仍較強(qiáng), 其發(fā)芽率均顯著低于9311, 說(shuō)明這些家系強(qiáng)的種子休眠性是能穩(wěn)定遺傳的。分析這些家系的基因型, 發(fā)現(xiàn)攜帶QTL位點(diǎn)越多的家系休眠性越強(qiáng), 如在種子休眠性QTL位點(diǎn)攜帶多個(gè)野生稻置換片段的Q2、Q11、Q29、Q64等家系休眠性比僅帶有單個(gè)或2個(gè)置換片段的家系休眠性更強(qiáng), 表明這些QTL之間存在累加效應(yīng)(表4和表5)。

2.4 利用Q14和9311衍生的F2次級(jí)分離群體驗(yàn)證qSD-7-2

2.4.1 F2群體休眠性表型分析 鑒于Q14在休眠性位點(diǎn)上攜帶的置換片段較少, 且已獲得其與9311配制的F2群體, 為此, 2016年正季種植了Q14、9311及其由275個(gè)單株組成的Q14/9311的F2群體, 鑒定了后熟14 d后的種子發(fā)芽率, 盡管2016年收獲時(shí)期連續(xù)陰雨天氣, Q14與9311之間在種子休眠性上還是存在一定的差異, Q14的種子休眠性仍強(qiáng)于9311。Q14/9311衍生的F2群體的發(fā)芽率在0~90%間呈連續(xù)分布, 且群體表現(xiàn)偏向低發(fā)芽(強(qiáng)休眠性)的偏態(tài)分布。

2.4.2 驗(yàn)證對(duì)F2群體的休眠性QTL進(jìn)行檢測(cè), 結(jié)果在第7染色體定位到2個(gè)QTL, 一個(gè)位于標(biāo)記S7-11和S7-12之間, LOD值較小, 為2.88; 另一個(gè)位于標(biāo)記RM180和RM21323之間, LOD值較高, 達(dá)18.49, 可解釋表型變異的貢獻(xiàn)率達(dá)33.53%, 為主效QTL, 該QTL位置與一致, 說(shuō)明該位點(diǎn)能穩(wěn)定遺傳, 其來(lái)自普通野生稻的等位基因增強(qiáng)了種子休眠性(圖4和表6)。

表4 CSSL群體中強(qiáng)休眠性家系的發(fā)芽率

15~21 d指2015年新鮮收獲后熟21 d; 15~28 d指2015年新鮮收獲后熟28 d; 16-FHS指2016年新鮮收獲種子; 16~14 d指2016年新鮮收獲后熟14 d; 發(fā)芽率表示為發(fā)芽率±標(biāo)準(zhǔn)差。

15–21 d: in 21 days after harvest in 2015; 15–28 d: in 28 days after harvest in 2015; 16-FHS: freshly harvested seeds in 2016; 16–14 d: in 14 days after harvest in 2016; Germination rate (%): germination rate ± standard deviation.

表5 CSSL群體中強(qiáng)休眠性家系的基因型

標(biāo)記表示離檢測(cè)到的休眠性QTL最近的標(biāo)記; 空白表示該位點(diǎn)是9311基因型, “B”表示該位點(diǎn)是野生稻基因型, “H”表示該位點(diǎn)是雜合型。

Marker: the nearest marker from the tested QTL; blank: homozygous 9311 genotype; “B”: homozygous common wild rice genotype; “H”: heterozygous genotype.

圖3 2016年F2群體種子后熟14 d后休眠性次數(shù)分布圖

Germination rate (%)表示種子在第7天的發(fā)芽率, 每個(gè)單株3個(gè)重復(fù), 每個(gè)重復(fù)50粒; No. of lines為對(duì)應(yīng)發(fā)芽率的單株數(shù), 用柱子上的數(shù)字表示。

Germination rate (%) indicates that at seventh days of germination, each plant had three replicates to be tested, using 50 grains for each replicate; No. of lines in the number plants at the corresponding germination rate, showing on the column.

利用位點(diǎn)緊密連鎖的分子標(biāo)記RM180和RM21323分析Q14/9311 F2群體中各單株的基因型, 比較了2個(gè)標(biāo)記同為9311型, 或同為普野型的單株的種子發(fā)芽率, 結(jié)果如表6,位點(diǎn)基因型為9311型的55個(gè)單株的平均發(fā)芽率為39%, 而為普野基因型的37個(gè)單株的平均發(fā)芽率只有11%, 兩者存在極顯著差異(表7), 說(shuō)明來(lái)自普通野生稻的等位基因確實(shí)能降低種子發(fā)芽率, 增強(qiáng)種子休眠性。表明是真實(shí)存在的控制種子休眠性的位點(diǎn)。

3 討論

野生稻是水稻育種的重要種質(zhì)資源, 在其漫長(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)程中形成了極其豐富的遺傳多樣性, 具有栽培稻所不具有或已消失了的優(yōu)良基因。利用分子標(biāo)記技術(shù)從野生稻中發(fā)掘有利基因是目前稻種資源研究利用中的重點(diǎn)。但其農(nóng)藝性狀往往不如栽培稻, 不良農(nóng)藝性狀和不利連鎖基因的存在, 使對(duì)野生稻種質(zhì)資源中優(yōu)良基因的利用存在巨大挑戰(zhàn)。1996年Tanksley等[16]首次驗(yàn)證了高代回交QTL分析法(advanced backcross quantitative traitlocus analysis, AB-QTL)的可行性, 此方法對(duì)野生種質(zhì)資源中有利基因的研究和利用提供了新的途徑。AB-QTL是利用高代回交群體分析QTL, 并且與輪回親本不斷回交構(gòu)建近等基因系, 一方面驗(yàn)證所定位的QTL真實(shí)性, 另一方面可作為改良品系直接用于育種。CSSL是以AB-QTL分析法為基礎(chǔ), 通過(guò)雜交、連續(xù)回交和自交, 并結(jié)合分子標(biāo)記輔助選擇, 使供體親本染色體片段滲入到受體親本中。置換系的遺傳背景與受體親本相似, 只有少數(shù)置換片段的差異, 消除了背景干擾, 為遺傳分析和功能研究奠定了良好基礎(chǔ)。

表6 Q14×9311的F2群體中種子休眠性QTL定位

PVE(%): 可解釋的表型變異值。PVE (%): phenotypic variance explained.

圖4 Q14×9311的F2群體中種子休眠性QTL的LOD值曲線

表7 按qSD-7-2位點(diǎn)緊密連鎖分子標(biāo)記的基因型分析Q14/9311 F2群體各單株發(fā)芽率的株數(shù)分布

9311型: RM180/RM21323標(biāo)記是純合9311基因型; 普野型: RM180/RM21323標(biāo)記是純合普通野生稻基因型。

9311 type: RM180/RM21323 marker is homozygous 9311 genotype; Common wild type: RM180/RM21323 marker is homozygous common wild rice genotype.

現(xiàn)代高產(chǎn)品種往往缺乏種子休眠性, 在種子灌漿成熟后期遭遇高溫多雨天氣時(shí), 極易出現(xiàn)穗發(fā)芽現(xiàn)象, 對(duì)作物生產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失。野生稻種子休眠性強(qiáng), 因此可挖掘其休眠基因來(lái)改良常規(guī)品種。本研究利用普通野生稻和9311的染色體片段置換系為材料, 鑒定了控制普通野生稻種子休眠性QTL, 共定位到14個(gè)QTL, 分布在第3、第4、第5、第6、第7、第10、第11、第12染色體上。其中,在Miura等[18]利用日本晴/ Kasalath//日本晴的BIL群體檢測(cè)到的區(qū)間內(nèi)。位于Wang等[19]利用韭菜青和IR26的RIL群體檢測(cè)到的區(qū)間內(nèi)。Li等[20]利用珍汕97和明恢63的RIL群體在第5染色體上檢測(cè)到位點(diǎn), 本文的與其位置相近。Marzougui等[21]利用Nona Bokra (強(qiáng)休眠)和Koshihikari (弱休眠)衍生的染色體片段替代品系(CSSL)進(jìn)行QTL分析。在第6染色體檢測(cè)到一個(gè)QTL, 本研究檢測(cè)到的與其位置相近, 與Gu等[22]利用EM93-1//EM93-1/SS18-2 (雜草稻株系)的BC1群體檢測(cè)到的結(jié)果也相近。Sasaki等[23]利用日本晴和Kasalath的BIL群體在第10染色體檢測(cè)到一個(gè)休眠性相關(guān)QTL, 本研究在相近位置同樣檢測(cè)到, 說(shuō)明第10染色體該位置確實(shí)存在一個(gè)控制種子休眠的基因。本研究檢測(cè)到的在后熟不同時(shí)間均檢測(cè)到, 說(shuō)明該位點(diǎn)不易被解除, 其位置與Rathi等[24]利用Cheni ahu (強(qiáng)休眠)和Kolong (無(wú)休眠)的F2群體檢測(cè)的位置相近。此外, 本文檢測(cè)到的的休眠性同樣不易在后熟過(guò)程中解除, 且該位點(diǎn)在Cai等[17]利用臺(tái)灣秈稻栽培品種和亞洲普通野生稻衍生的RIL群體檢測(cè)到的區(qū)間內(nèi),即標(biāo)記G148和Acp1之間。上述分析表明本研究檢測(cè)到的QTL存在真實(shí)性。

本研究在第12染色體共檢測(cè)到4個(gè)控制種子休眠性QTL, 其中和兩個(gè)位點(diǎn)在后熟不同時(shí)間均被檢測(cè)到, 說(shuō)明二者在后熟過(guò)程中不易被解除。位于第12染色體短臂末端, LOD值為18.02, 可解釋表型變異率為12.65, 加性效應(yīng)為–11.90, 來(lái)自普通野生稻的基因增強(qiáng)種子休眠性, 目前在該位點(diǎn)尚未有相關(guān)報(bào)道, 可能是一個(gè)新的位點(diǎn)。此外,和兩個(gè)位點(diǎn)距離很近且控制種子休眠性的基因來(lái)源不同, 如果這2個(gè)位點(diǎn)是真實(shí)存在的, 說(shuō)明在普通野生稻的該區(qū)間存在作用相反的2個(gè)位點(diǎn), 該結(jié)果還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

本研究在后熟不同時(shí)間均檢測(cè)到種子休眠性QTL, 說(shuō)明該位點(diǎn)具有較強(qiáng)穩(wěn)定性。進(jìn)一步利用家系Q14與9311的F2群體驗(yàn)證第7染色體標(biāo)記RM180和RM21323之間確實(shí)存在一個(gè)效應(yīng)較大的QTL, LOD值為18.49, 可解釋種子休眠性表型變異率為33.53%, 來(lái)自普通野生稻的等位基因顯著增強(qiáng)種子休眠性。Gu等[22]利用雜草稻與栽培稻的BC1群體, 在后熟1 d、11 d、21 d均檢測(cè)到第7染色體標(biāo)記R180附近存在一個(gè)休眠性位點(diǎn), 本研究的與其位置相近, 表明該位點(diǎn)可能普遍存在。但是該位點(diǎn)目前尚未被精細(xì)定位, 因此下一步計(jì)劃是在家系Q14與9311的F2群體中挑選休眠性強(qiáng)的單株與9311繼續(xù)回交, 進(jìn)一步純化遺傳背景和縮小定位區(qū)間, 構(gòu)建攜帶位點(diǎn)的近等基因系, 對(duì)其進(jìn)行圖位克隆。因此本研究不僅為水稻種子休眠基因的精細(xì)定位及克隆奠定了基礎(chǔ), 且為培育強(qiáng)休眠性秈稻品種提供了育種材料。

4 結(jié)論

定位到14個(gè)QTL, 分布在第3、第4、第5、第6、第7、第10、第11、第12染色體上。通過(guò)篩選強(qiáng)休眠性家系, 并分析這些家系所攜帶QTL數(shù)目, 發(fā)現(xiàn)家系攜帶的位點(diǎn)越多, 休眠性越強(qiáng)。利用家系Q14與9311的F2群體驗(yàn)證了位于第7染色體標(biāo)記RM180和RM21323之間的QTL的真實(shí)穩(wěn)定性, 該位點(diǎn)是一個(gè)控制普通野生稻種子休眠性的主效QTL。

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Mapping of QTLs for Seed Dormancy inGriff.

SUN Ai-Ling1, WU Hong-Ming1, CHEN Gao-Ming1, ZHANG Tian-Yu1, CAO Peng-Hui1, LIU Shi-Jia1, JIANG Ling1,*, and WAN Jian-Min1,2

1State Key Laboratory of Crop Genetics and Germplasm Enhancement / Key Laboratory of Biology, Genetics and Breeding ofRice in Mid-lower Yangtze River, Ministry of Agriculture / Research Center of Jiangsu Plant Gene Engineering, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, Jiangsu, China;2National Key Facility for Crop Gene Resources and Genetic Improvement / Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China

Seed dormancy of rice is an important agronomic trait related to rice quality and quantity. Studies on genetics and molecular mechanisms of rice seed dormancy are of great significance in breeding fine rice varieties with moderate dormancy. In this research, a set of chromosome segment substitution lines (CSSLs), derived from anrice variety 9311 as the recurrent parent and theGriff. as the donor parent, were used to detect the QTLs for dormancy of seeds at different storage dates after harvest. A total of 14 QTLs were detected on chromosomes 3, 4, 5, 6, 7, 10, 11, and 12. The lines with significantly stronger dormancy than the background parent 9311 were selected, showing the more dormancy loci in the lines the more strong dormancy. The F2population of the cross between Q14 and 9311 was used to verify the QTLs for seed dormancy. A significant dormancy locuswas mapped on chromosome 7 between the markers RM180 and RM21323, its LOD was 18.49 and the phenotypic variation rate was 33.53%. On this major stable inherited QTL, the allele gene fromGriff. significantly increased the dormancy of seeds. These results are available for map-based cloning of major QTLs for seed dormancy, and provide the breeding materials for cultivating appropriate dormant rice varieties.

Griff.; seed dormancy; CSSL; QTL

2017-04-06;

2017-09-10;

2017-10-31.

10.3724/SP.J.1006.2018.00015

通信作者(Corresponding author):江玲, E-mail: jiangling@njau.edu.cn

E-mail: 2014101098@njau.edu.cn

本研究由國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0100101-08), 江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金課題(CX[16]1029), 安徽省科技重大專項(xiàng)(16030701068)和江蘇省現(xiàn)代作物生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心項(xiàng)目資助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFD0100101-08), the Agricultural Science and Technology Independent Innovation Fund Project of Jiangsu Province (CX[16]1029), the Science and Technology Major Project of Anhui Province (16030701068), and Jiangsu Collaborative Innovation Center for Modern Crop Production.

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20171031.1427.002.html