胡標(biāo)林 黃得潤(rùn) 肖葉青 何強(qiáng)生 萬(wàn)勇,* 樊葉楊,*

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應(yīng)用東鄉(xiāng)野生稻回交重組自交系群體分析糙米礦質(zhì)含量QTL

胡標(biāo)林1,2黃得潤(rùn)1肖葉青2何強(qiáng)生3萬(wàn)勇2,*樊葉楊1,*

(1中國(guó)水稻研究所 國(guó)家水稻改良中心/水稻生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 杭州 310006;2江西農(nóng)業(yè)科學(xué)院 水稻研究所/國(guó)家水稻改良中心南昌分中心, 南昌 330200;3江西興安種業(yè)有限公司, 江西上饒 334300;*通訊聯(lián)系人, E-mail: wanyong025@163.com, fanyeyangcnrri@163.com)

強(qiáng)化糧食作物的必需礦物質(zhì)有利于緩解人們礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)缺乏癥。從協(xié)青早B//協(xié)青早B/東鄉(xiāng)野生稻BC1F5群體中挑選到1個(gè)單株A58，與協(xié)青早B回交，構(gòu)建了BC2F4:5群體。采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀ICP-AES測(cè)定132個(gè)BC2F4:5株系的糙米Mg、Ca、Zn、Fe、Mn和Cu含量，應(yīng)用Windows QTL Cartographer 2.5進(jìn)行糙米礦質(zhì)QTL分析。共檢測(cè)到17個(gè)糙米礦質(zhì)含量QTL，分別位于第1、4、6、8、9和11等6條染色體上，包括Mg含量1個(gè)、Ca含量4個(gè)、Zn含量4個(gè)、Fe含量2個(gè)、Mn含量2個(gè)和Cu含量4個(gè)。這些QTL解釋表型變異的5.0%~47.2%，其中8個(gè)QTL的增效等位基因來(lái)自東鄉(xiāng)野生稻。12個(gè)QTL聚集于5條染色體上的5個(gè)QTL簇，表明不同礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素涉及到共同遺傳生理機(jī)制，可通過(guò)分子標(biāo)記輔助選擇方法將有利等位基因應(yīng)用于稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)改良。

東鄉(xiāng)野生稻；糙米；礦質(zhì)含量；QTL定位

礦質(zhì)元素在人體內(nèi)具有很多細(xì)胞代謝和生理生化功能，參與人體內(nèi)的多種酶結(jié)構(gòu)和激活[1]。隨著人們膳食結(jié)構(gòu)和生活方式的變化，礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)失衡日漸凸顯，已成為影響人類健康的重要因素。在人類流行的鎂(Mg)、鈣(Ca)、鋅(Zn)、鐵(Fe)、錳(Mn)和銅(Cu)等元素缺乏癥中[2]，以Zn和Fe缺乏最為普遍[3]。由于礦質(zhì)元素不能在體內(nèi)合成，過(guò)去主要依靠保健品和藥物補(bǔ)充等方法補(bǔ)充人體缺乏礦質(zhì)元素以緩解礦質(zhì)元素缺乏癥[4]。然而這些傳統(tǒng)方法覆蓋面小、費(fèi)用高，由此主食被認(rèn)為是一種經(jīng)濟(jì)有效的礦質(zhì)元素補(bǔ)充途徑。因此，通過(guò)生物強(qiáng)化方法提高糧食作物可食用部位中的礦質(zhì)含量日益受到研究者們的關(guān)注。

水稻作為超過(guò)50%全球人群賴以生存的主要糧食之一，是礦質(zhì)元素生物強(qiáng)化的重要對(duì)象[5]。研究表明不同基因型水稻的稻米礦質(zhì)含量存在廣泛的遺傳變異，且遺傳成分在決定稻米礦質(zhì)含量中起主要作用[6]，這為篩選和選育富含礦質(zhì)元素的水稻品種提供了可能性。

水稻傳統(tǒng)育種方法主要通過(guò)表型間接對(duì)基因型進(jìn)行選擇，需要豐富的育種經(jīng)驗(yàn)和較長(zhǎng)時(shí)間；同時(shí)如稻米礦質(zhì)含量等特殊性狀的選擇受到很多因素限制，選擇效率低下。QTL分析是解析稻米礦質(zhì)含量等數(shù)量性狀的有效方法，廣泛應(yīng)用于作物數(shù)量遺傳研究。小麥[7]、玉米[8]和水稻[9]等禾谷類作物中已有大量籽粒礦質(zhì)含量QTL的研究報(bào)道。就水稻而言，已檢測(cè)到稻米Mg、Ca、Zn、Fe、Mn和Cu含量QTL分別有23、24、64、52、41和29個(gè)，分布于水稻的12條染色體上，其中Mg含量QTL熱點(diǎn)區(qū)域位于第9染色體上，Ca含量QTL熱點(diǎn)區(qū)域聚集于第10染色體上，Zn含量QTL熱點(diǎn)區(qū)域聚集于第6、7、8、9和10染色體上，F(xiàn)e含量QTL熱點(diǎn)區(qū)域聚集于第1、3和6染色體上，Mn含量QTL熱點(diǎn)區(qū)域聚集于第1、3、7、8染色體上，而Cu含量QTL熱點(diǎn)區(qū)域聚集于1、2和4染色體上[9-21]。這些稻米礦質(zhì)含量QTL大多為初定位結(jié)果，精細(xì)定位的較少，目前僅有Yu等[18]利用珍汕 97/密陽(yáng)46近等基因系將精細(xì)定位至29.9 kb區(qū)域，含有3個(gè)候選基因。上述QTL研究所使用的定位材料包括窄葉青 8 號(hào)/京系 17、Sasanishiki/Habataki、Ce258/IR75862、ZGX1/IR7586、Lemont/特青、春江06/TN1及Bala/Azucena等秈粳交[9-15]、Madhukar/Swarna、PAU201/Palman 579、珍汕97/明輝63及珍汕97/密陽(yáng)46等秈秈交[16-19]、特青/云南野生稻[20]野栽交和紅香1號(hào)/松98-131粳粳交[21]等不同類型的遺傳群體，主要為亞種間組合群體，野栽交種間組合群體較少[20]，說(shuō)明野生稻稻米礦質(zhì)含量基因發(fā)掘研究還應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)。

由于過(guò)去水稻育種目標(biāo)過(guò)分集中于提高產(chǎn)量，忽視其礦質(zhì)元素含量[22]，在一定程度上導(dǎo)致所育成水稻品種的稻米礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)含量較低。研究表明地方品種和野生稻等種質(zhì)資源的稻米礦質(zhì)含量高于栽培稻[23,24]，是水稻礦質(zhì)含量改良育種的重要資源。野生稻為水稻遺傳改良提供了豐富的基因庫(kù)[25]，如Garcia-Oliveira等[20]研究表明31個(gè)稻米礦質(zhì)含量QTL中26個(gè)(83.9%)增效等位基因來(lái)自野生稻，因此，從野生稻中發(fā)掘有利等位基因可為栽培稻的稻米礦質(zhì)含量遺傳改良提供有效途徑。

東鄉(xiāng)野生稻是全球分布最北(28°14' N)的普通野生稻，蘊(yùn)含豐富的重要農(nóng)藝性狀有利等位基因[26]，利用這一珍稀水稻資源開展稻米礦質(zhì)含量QTL研究具有重要意義。本研究利用協(xié)青早B和東鄉(xiāng)野生稻雜交衍生的BC2F4:5群體，開展糙米礦質(zhì)含量QTL分析，旨在鑒定控制礦質(zhì)含量QTL，并分析東鄉(xiāng)野生稻有利等位基因在遺傳改良上的前景。

1 材料與方法

1.1 水稻材料

本研究所用BC2F4:5株系材料的構(gòu)建過(guò)程(圖1)如下：以前期研究[26]的協(xié)青早B//協(xié)青早B/東鄉(xiāng)野生稻BC1F5回交重組自交系群體中的1個(gè)單株A58為母本，以協(xié)青早B為父本，回交1次并自交1次，獲得415個(gè)BC2F2單株，并自交產(chǎn)生415個(gè)BC2F2:3株系；利用169個(gè)SSR標(biāo)記檢測(cè)由30個(gè)BC2F2:3株系組成的3個(gè)DNA混池，發(fā)現(xiàn)47個(gè)SSR標(biāo)記位點(diǎn)(表1)呈雜合，其余122標(biāo)記位點(diǎn)均呈純合。利用上述47個(gè)SSR標(biāo)記檢測(cè)415個(gè)BC2F2:3株系，結(jié)合農(nóng)藝性狀考查，得到4個(gè)候選株系；進(jìn)一步檢測(cè)4個(gè)候選株系各6個(gè)單株，挑選到農(nóng)藝性狀接近于親本協(xié)青早B的5個(gè)BC2F3單株，自交收獲種子；種植其自交產(chǎn)生的5個(gè)BC2F4分離群體，每個(gè)群體種植72個(gè)單株，經(jīng)農(nóng)藝性狀考查和SSR標(biāo)記檢測(cè)后，挑選到132個(gè)BC2F4單株，自交產(chǎn)生132個(gè)BC2F4:5株系。

圖1 BC2F4:5材料構(gòu)建過(guò)程

Fig. 1. Procedure for developing the BC2F4:5population.

1.2 SSR標(biāo)記多態(tài)性分析

前期構(gòu)建的協(xié)青早B//協(xié)青早B/東鄉(xiāng)野生稻BC1F5群體遺傳圖譜中共包含41個(gè)RFLP標(biāo)記和108個(gè)SSR標(biāo)記[26]，針對(duì)41個(gè)RFLP標(biāo)記所處區(qū)間，應(yīng)用Gramene數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.gramene.org)中的110對(duì)SSR引物，開展多態(tài)性篩選，以便應(yīng)用SSR標(biāo)記替代RFLP標(biāo)記。由于協(xié)青早B//協(xié)青早B/東鄉(xiāng)野生稻BC1F5群體的原始雜交親本東鄉(xiāng)野生稻單株丟失，故隨機(jī)挑選30份BC2F2:3株系DNA等量混合，組成3個(gè)DNA混池，結(jié)合親本協(xié)青早B共計(jì)4份DNA模板進(jìn)行多態(tài)性檢測(cè)。在協(xié)青早B和3個(gè)DNA混池間篩選到61個(gè)呈多態(tài)的SSR標(biāo)記，結(jié)合BC1F5群體遺傳圖譜中108個(gè)SSR標(biāo)記，總共169個(gè)SSR標(biāo)記用于BC2F2:3群體基因型檢測(cè)。

1.3 田間試驗(yàn)

2012年11月-2013年4月，在海南陵水種植415個(gè)BC2F2:3株系及親本協(xié)青早B，每個(gè)株系種植12個(gè)單株。株行距16.7 cm′26.7 cm，正常田間管理。移栽后10 d，各株系混取中間10株幼苗葉片，用于DNA提取。 2013年5-10月在浙江杭州種植5個(gè)BC2F3單株自交產(chǎn)生的BC2F4群體，每群體種植72個(gè)單株。株行距16.7 cm′26.7 cm，正常田間管理。移栽后10 d，每株幼苗取約2 cm葉片，用于DNA提取。2014年5-10月在浙江杭州種植132個(gè)BC2F4:5株系及親本協(xié)青早B，重復(fù)2次。每個(gè)重復(fù)中各株系種植1行12個(gè)單株，株行距16.7 cm′26.7 cm，完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，正常田間管理。移栽后10 d，選1個(gè)重復(fù)各株系混取10株幼苗葉片，約2 cm，用于DNA提取。采用簡(jiǎn)易法[27]提取所有試驗(yàn)材料總DNA。

1.4 標(biāo)記檢測(cè)

PCR擴(kuò)增反應(yīng)在PCR熱循環(huán)儀上進(jìn)行。PCR反應(yīng)體系含10 μL溶液，包含5.0 μL 2′預(yù)混合溶液(CWBIO，北京康為世紀(jì)生物科技有限公司)、3 μL 去RNase酶水、1 μL DNA模板和3.3 ng/μL SSR引物各0.5 μL。PCR擴(kuò)增條件：94℃下預(yù)變性2 min；94℃下變性30 s，55℃下退火30 s，72℃下延伸30 s，共循環(huán)29次；最后72℃下延伸2 min。PCR擴(kuò)增產(chǎn)物檢測(cè)視帶型片段大小和清晰度，分別采用2.5%瓊脂糖膠分離后GelRed染色和6%非變性聚丙烯酰胺凝膠電泳分離后銀染顯色進(jìn)行檢測(cè)。

基因型鑒定按如下進(jìn)行：協(xié)青早B帶型記為“1”，東鄉(xiāng)野生稻帶型記為“2”，雜合帶型記為“3”，缺失帶型記為“0”。

1.5 糙米米粉制備和礦質(zhì)含量測(cè)定

在2014年浙江杭州試驗(yàn)點(diǎn)，待稻谷成熟后，2次重復(fù)中各株系混收中間5株稻穗，曬干脫粒后，置于常溫下保存3個(gè)月。稱取20 g稻谷，用THU-35A型礱谷機(jī)(日本佐竹公司)脫殼成糙米，再將糙米用1093型旋風(fēng)式磨粉機(jī)(瑞典FOSS公司)磨制成粉，過(guò)0.18 mm孔徑的不銹鋼網(wǎng)篩(80目篩)，得到糙米米粉樣品，裝入塑料密封袋中待測(cè)。

準(zhǔn)確稱取0.500 g(± 0.002 g)米粉試樣置于25 mL聚丙烯塑料管中，加入8 mL 68%~70%硝酸(HNO3)。將聚丙烯塑料管中混合溶液放入置于通風(fēng)柜中的DigiBlock ED54型石墨消解儀(LabTech中國(guó)公司)在110℃下加熱消化，約2.5 h。溶液加熱直至不再產(chǎn)生棕色氣體且變?yōu)榍辶翢o(wú)色，溶液剩余體積2 mL左右取出，切不可蒸干。再加入3 mL 30%雙氧水(H2O2)混合搖勻，繼續(xù)在110℃下消化0.5 h，溶液剩余體積1 mL左右取出，切不可蒸干。待消化殘留液冷卻至室溫后，用去離子水定容至25 mL，上下?lián)u勻。同時(shí)做空白試劑和大米米粉標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GW10010)試驗(yàn)。

吸取10 mL消化溶液置于15 mL玻璃管中待測(cè)，利用去離子水、標(biāo)準(zhǔn)液制作測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)曲線后，IRIS Intrepid Ⅱ XSP型原子發(fā)射光譜儀(Inductively coupled plasma atomic emission spectrometer，ICP-AES)進(jìn)行測(cè)定，并在工作曲線上計(jì)算出米粉樣品中的Mg、Ca、Zn、Fe、Mn和Cu等礦質(zhì)含量。

表1 用于BC2F4:5群體基因型檢測(cè)的47對(duì)SSR標(biāo)記

1.6 數(shù)據(jù)分析

在前期的遺傳圖譜基礎(chǔ)上[26]，將檢測(cè)到新的61個(gè)SSR標(biāo)記加密到遺傳圖譜，利用MapMaker 3.0軟件構(gòu)建含169個(gè)SSR標(biāo)記的遺傳圖譜。以2個(gè)重復(fù)中各性狀數(shù)據(jù)的均值為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)合新構(gòu)建的遺傳圖譜，應(yīng)用Windows QTL Cartographer 2.5軟件[28]，采用復(fù)合區(qū)間作圖法(composite interval mapping，CIM)進(jìn)行QTL分析，以LOD=3.0作為QTL閾值，將LOD值最高處所對(duì)應(yīng)的加性效應(yīng)、顯性效應(yīng)和貢獻(xiàn)率記為該QTL的效應(yīng)。QTL命名遵循McCouch和CGSNL[29]提出的命名法則。

2 結(jié)果與分析

2.1 BC2F4:5群體的表型變異

BC2F4:5群體及親本協(xié)青早B的糙米6種礦質(zhì)含量基本統(tǒng)計(jì)參數(shù)列于表2。除Fe含量外，其余5種糙米礦質(zhì)含量分布均呈正態(tài)分布。6種糙米礦質(zhì)含量的遺傳變異均較小，其中Mg含量的變異系數(shù)最小，為6.54%；而Ca含量的變異系數(shù)最大，為12.33%。與親本協(xié)青早B相比，群體的Mg、Ca、Zn、Fe、Mn和Cu含量均值分別高9.21%、9.14%、0.70%、2.10%、11.40%和13.00%。

表2 協(xié)青早B3/東鄉(xiāng)野生稻BC2F4:5群體糙米礦質(zhì)含量

表3 協(xié)青早B3/東鄉(xiāng)野生稻BC2F4:5群體糙米礦質(zhì)含量間相關(guān)分析

*,**分別表示在0.05和0.01水平上顯著相關(guān)。

*,**significant at 0.05 and 0.01 level, respectively.

2.2 糙米礦質(zhì)含量間相關(guān)性分析

由糙米礦質(zhì)含量間相關(guān)性分析(表3)可知，有較強(qiáng)的證據(jù)表明Mg、Ca、Zn、Fe和Mn之間顯著性較高，而Cu含量與其余5種糙米礦質(zhì)含量的相關(guān)性較低。具體表現(xiàn)為：除Ca和Zn以及Fe和Mn之間不呈現(xiàn)顯著相關(guān)外，Mg、Ca、Zn、Fe和Mn含量?jī)蓛芍g均呈極顯著正相關(guān)；Cu含量?jī)H與Mg和Zn含量呈顯著正相關(guān)，與Ca含量呈顯著負(fù)相關(guān)。

2.3 糙米礦質(zhì)含量QTL分析

采用CIM法對(duì)6個(gè)糙米礦質(zhì)含量進(jìn)行QTL分析，以LOD=3.0為QTL閾值，共檢測(cè)到17個(gè)控制糙米礦質(zhì)含量QTL(表4，圖2)，分別位于第1、4、6、8、9和11等6條染色體上，LOD介于3.12~18.58。單個(gè)QTL解釋糙米礦質(zhì)含量的表型貢獻(xiàn)率介于5.0%~47.2%，其中表型貢獻(xiàn)率大于10%的QTL有13個(gè)，8個(gè)QTL增效等位基因來(lái)自東鄉(xiāng)野生稻。

表4 協(xié)青早B3/東鄉(xiāng)野生稻BC2F4:5群體糙米礦質(zhì)含量QTL

a加性效應(yīng)是指東鄉(xiāng)野生稻等位基因取代協(xié)青早B等位基因。

aAdditive effect of replacing an Xieqingzao B allele by Dongxiang wild rice allele.

本研究?jī)H檢測(cè)到1個(gè)控制糙米Mg含量QTL，位于第1染色體上的RM10176－RM10300區(qū)間內(nèi)，表型貢獻(xiàn)率為15.5%，遺傳作用模式為部分顯性，其協(xié)青早B增效等位基因可增加糙米Mg含量41.76 mg/kg。

檢測(cè)到4個(gè)控制糙米Ca含量的主效QTL，分布于第1、4、6和11染色體上，貢獻(xiàn)率介于13.5%~17.2%。其中和的遺傳作用模式均為部分顯性，其增效等位基因分別來(lái)自協(xié)青早B和東鄉(xiāng)野生稻，加性效應(yīng)分別為9.00 mg/kg和17.88 mg/kg；表現(xiàn)完全顯性，加性效應(yīng)和顯性效應(yīng)分別為10.11 mg/kg和9.66 mg/kg；的遺傳作用模式為超顯性，增效等位基因來(lái)自協(xié)青早B，顯性效應(yīng)值為10.56 mg/kg。

共檢測(cè)到4個(gè)糙米Zn含量QTL，分別位于第4、6和8等3條染色體上，貢獻(xiàn)率介于5.0%~16.1%。其中和的遺傳作用模式均為加性，其增效等位基因分別來(lái)自東鄉(xiāng)野生稻和協(xié)青早B，加性效應(yīng)為0.99 mg/kg和0.97 mg/kg；其余和的遺傳作用模式為部分顯性，其增效等位基因均來(lái)自協(xié)青早B，加性效應(yīng)分別為0.66 mg/kg和0.92 mg/kg。

檢測(cè)到2個(gè)控制糙米Fe含量QTL，和，表型貢獻(xiàn)率分別為38.8%和23.1%，其中的遺傳作用模式為部分顯性，其東鄉(xiāng)野生稻等位基因分別增加糙米Fe含量1.31 mg/kg；的遺傳作用模式為超顯性，增效等位基因來(lái)自東鄉(xiāng)野生稻，顯性效應(yīng)值為0.99 mg/kg。

檢測(cè)到2個(gè)控制糙米Mn含量QTL，分別位于第6和11染色體上，表型貢獻(xiàn)率分別為5.8%和47.2%。其中，的遺傳作用模式為超顯性，增效等位基因來(lái)自協(xié)青早B，顯性效應(yīng)值為2.06 mg/kg；的遺傳作用模式為部分顯性，增效等位基因來(lái)自協(xié)青早B，加性效應(yīng)值和顯性效應(yīng)值分別為2.81 mg/kg和1.09 mg/kg。

檢測(cè)到4個(gè)控制糙米Cu含量QTL，分別位于第6、8和9等3條染色體上，其貢獻(xiàn)率介于9.6%~21.9%。其中、和的遺傳作用模式均為超顯性，前者的增效等位基因來(lái)自協(xié)青早B，后兩者的增效等位基因來(lái)自東鄉(xiāng)野生稻，顯性效應(yīng)值分別為0.34、0.20和0.18 mg/kg；的遺傳作用模式為顯性，增效等位基因均來(lái)自東鄉(xiāng)野生稻，顯性效應(yīng)值為0.08 mg/kg。

圖2 糙米Mg、Ca、Zn、Fe、Mn及Cu含量QTL的染色體位置

Fig. 2. Chromosomal positions of the QTLs conferring Mg, Ca, Zn, Fe, Mn and Cu contents in brown rice.

3 討論

近年來(lái)，隨著人們膳食結(jié)構(gòu)和生活方式的變化，礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)缺乏已成為影響人體健康的重要因素。由于稻米的全球消費(fèi)量大，稻米礦質(zhì)含量略微增加便可有效緩解人類礦質(zhì)元素缺乏癥[6]。理解稻米礦質(zhì)含量遺傳變異和礦質(zhì)含量等位基因間的差異對(duì)稻米礦質(zhì)含量的遺傳改良非常重要。人們習(xí)慣食用稻米部位為精米，盡管其礦質(zhì)含量低于糙米[30]，但與糙米礦質(zhì)含量密切相關(guān)；其次，高礦質(zhì)含量稻米可以通直接食用糙米或加工成米制品以提高稻米礦質(zhì)含量的利用效率。為此，本研究利用野生稻和栽培稻種雜交構(gòu)建BC2F4:5群體開展糙米礦質(zhì)含量QTL分析。

3.1 糙米礦質(zhì)含量間的相關(guān)性

稻米礦質(zhì)含量間的相關(guān)性已有較多報(bào)道。稻米Mg含量與Ca含量[18, 31, 32]、Zn含量[18,31]、Fe含量[31,33]，Mn含量[18,31-33]及Cu含量[18]呈顯著或極顯著正相關(guān)。稻米Ca含量與Zn、Fe含量[18, 31, 33]及Mn含量[18, 31-34]呈極顯著正相關(guān)，而與Cu含量[33]呈極顯著負(fù)相關(guān)。稻米Zn含量與Fe含量[23, 31-33]、Mn含量[18,23]及Cu含量[18, 32, 33]均呈顯著或極顯著正相關(guān)。稻米Fe含量與Cu含量[34]及Mn含量[23, 31, 33]均呈顯著或極顯著正相關(guān)。稻米Mn含量與Cu含量均呈顯著或極顯著正相關(guān)[18,31, 33]。

本研究結(jié)果表明，Mg含量與Ca、Zn、Fe及Mn含量呈極顯著正相關(guān)，與Cu含量呈顯著正相關(guān)；Ca含量與Fe和Mn含量呈極顯著正相關(guān)，而與Cu含量呈顯著負(fù)相關(guān)；Zn含量與Fe和Mn含量呈極顯著正相關(guān)，與Cu含量呈顯著正相關(guān)。上述結(jié)果與前人結(jié)果較為一致，尤其是Mg、Zn和Mn含量間均呈顯著或極顯著正相關(guān)，表明這些礦質(zhì)含量間存在穩(wěn)定的協(xié)同效應(yīng)，將有助于稻米不同礦質(zhì)元素的聚合改良，應(yīng)在育種實(shí)踐中得到重視。

3.2 糙米礦質(zhì)含量QTL

本研究共檢測(cè)到17個(gè)糙米礦質(zhì)含量QTL，其中8個(gè)QTL的有利等位基因來(lái)自東鄉(xiāng)野生稻，這些有利的野生稻等位基因成功導(dǎo)入到協(xié)青早B背景將促進(jìn)稻米礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的遺傳改良。

在17個(gè)QTL中，有13個(gè)QTL與前人報(bào)道的稻米礦質(zhì)含量QTL區(qū)間重疊或相近(表3)。其中Mg含量和Fe含量QTL各1個(gè)QTL，即與Garcia-Oliveira等[20]報(bào)道的糙米Mg含量QTL重疊，位于Anuradha等[19]檢測(cè)到的糙米Fe含量QTL區(qū)間內(nèi)。Ca含量和Mn含量QTL各2個(gè)，即和分別與糙米含量QTL[20]和糙米及精米Ca含量QTL[18, 35]相近，和分別與糙米Mn含量QTL[9]和精米Mn含量QTL[18]部分重疊。Cu含量QTL有3個(gè)，即分別與2個(gè)報(bào)道中的糙米Cu含量QTL[15, 20]及Yu等[18]報(bào)道的精米Cu含量QTL重疊；位于Norton等[15]檢測(cè)到的標(biāo)記區(qū)間內(nèi)；與黃瑩瑩等[21]報(bào)道的糙米Cu含量QTL相同。Zn含量QTL有4個(gè)，分別為與2個(gè)報(bào)道中的糙米Zn含量QTL[9, 11]區(qū)間一致；與3個(gè)研究中的糙米Zn含量[9, 11, 15]和2個(gè)研究中的精米Zn含量QTL[14, 18]部分重疊；位于Xu等[13]檢測(cè)的精米Zn含量QTL區(qū)間內(nèi)；與糙米Zn含量QTL[10, 16]和Xu等[13]檢測(cè)的精米Zn含量QTL重疊。值得注意是，本研究檢測(cè)到LOD值最高的礦質(zhì)含量QTL均在前人相同元素含量QTL定位研究中被檢測(cè)到。上述在不同環(huán)境和遺傳背景中共同檢測(cè)到的控制稻米礦質(zhì)含量染色體區(qū)間，可能是有潛在利用價(jià)值的稻米含量QTL。此外，由于本研究利用BC2F4:5分離群體的遺傳背景較為純合(純合率為72.19%)，一定程度上也導(dǎo)致已報(bào)道的位于這些純合區(qū)域的稻米礦質(zhì)含量QTL在本研究中未被檢測(cè)到。

在QTL定位研究中,相關(guān)性狀QTL通常成簇分布于相同或相鄰的染色體區(qū)間內(nèi)，這可能是由基因的多效性和多個(gè)基因的緊密連鎖引起的。本研究檢測(cè)到的17個(gè)糙米礦質(zhì)含量QTL分別聚集于6條染色體上的5個(gè)QTL簇中，這也證實(shí)了QTL多效性的存在?？刂?種不同糙米礦質(zhì)含量QTL分別位于第6和第11染色體上的2個(gè)QTL簇中，如控制Ca、Zn和Cu含量QTL位于第6染色體的RM588-RM204區(qū)間和控制Ca、Fe和Mn含量QTL第11染色體上的RM206-RM254區(qū)間?？刂?個(gè)不同稻米礦質(zhì)含量QTL位于第1、6和8染色體上的3個(gè)QTL簇，如控制Ca和Zn含量QTL位于第4染色體上RM273-RM5709區(qū)間，且這2個(gè)QTL的有利等位基因均來(lái)自東鄉(xiāng)野生稻。由上述分析可知，除了第1染色體上的RM10176-RM10300區(qū)間和第4染色體上的RM273-RM5709區(qū)間的QTL增效等位基因方向一致外，其余3個(gè)QTL簇中的QTL增效等位基因方向不同，表明對(duì)某些性狀有利的野生稻等位基因可能對(duì)另一些性狀的影響不利。在5個(gè)QTL簇中，QTL簇均為主效QTL，且其有利等位基因來(lái)自東鄉(xiāng)野生稻，將成為進(jìn)一步精細(xì)定位和克隆的候選對(duì)象；相應(yīng)地，從群體中挑選到含該QTL的株系108，其糙米Ca和Zn含量分別為142.80 mg/kg和32.06 mg/kg，該株系可應(yīng)用于稻米Zn和Ca含量改良育種。由于初定位區(qū)間較大，一般難以判斷QTL簇的成因。因此，需將QTL簇中的不同QTL分解到更小的區(qū)間內(nèi)，以探究QTL的一因多效機(jī)理以及不同性狀QTL簇的存在形式，可為多性狀的同步改良或標(biāo)記輔助選擇提供有力的手段，如同時(shí)開展稻米中多個(gè)礦質(zhì)元素的聚合改良。

謝辭: 感謝中國(guó)水稻研究所莊杰云研究員對(duì)本研究的悉心指導(dǎo)！

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QTL Analysis for Mineral Contents in Brown Rice Using a BC2F4:5Population Derived from Dongxiang Wild Rice (Griff.)

HU Biaolin1, 2, HUANGDerun1, XIAO Yeqing2, HE Qiangsheng3, WAN Yong2,*, FAN Yeyang1,*

(1,,,;2,,,;Jiangxi Xingan Seed Industry Co. Ltd, Shangrao 334300, China;,:)

Biofortifying food crops with essential minerals would alleviate mineral deficiencies in humans.One plant A58 was selected from Xieqingzao B// Xieqingzao B /Dongxiang wild rice BC1F5population, and was backcrossed with Xieqingzao B to develop a BC2F4:5population. The contents of Mg, Ca, Zn, Fe, Mn and Cu in brown rice of 132 BC2F4:5lines were measured with an inductively coupled plasma atomic emission spectrometer (ICP-AES). Detection of quantitative trait loci (QTLs) for mineral contents in brown rice was conducted using Windows QTL Cartographer 2.5.A total of 17 QTLs for mineral contents in brown rice were detected on chromosomes 1, 4, 6, 8, 9 and 11, respectively, including one for Mg content, four for Ca content, four for Zn content, two for Fe content, two for Mn content, and four for Cu content. The explained phenotypic variations ranged from 5.0% to 47.2%, and eight QTLs of them had the enhancing alleles derived from.Twelve QTLs were clustered in five chromosomal regions, indicating that common genetic-physiological mechanisms were involved for different mineral nutrients, and the beneficial alleles could be utilized to improve grain nutritional quality by marker-assisted selection.

Dongxiang wild rice; brown rice; mineral content; QTL mapping

10.16819/j.1001-7216.2018.7011

Q343.1+5; S511.03

A

1001-7216(2018)01-0043-08

2017-01-19；

2017-04-02。

國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014AA10A604)；江西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重大專項(xiàng)(20161ACF60022)；江西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20171ACB21071)；江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(20161CBS002)。