張治海，趙芳明，羅洪發(fā)，趙福勝，潘清潔，楊旭東，查仁明

(1.貴州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽 550025； 2.西南大學(xué) 水稻研究所/農(nóng)業(yè)部生物技術(shù)與作物品質(zhì)改良重點開放實驗室，重慶 400716)

水稻是我國重要的糧食作物，提高水稻產(chǎn)量對保障我國糧食安全具有重要的現(xiàn)實意義。水稻產(chǎn)量最終在穗部表現(xiàn)出來，因此，研究水稻穗部性狀對于提高水稻產(chǎn)量具有重要意義。水稻的穗部性狀包括穗長、一次枝梗數(shù)、二次枝梗數(shù)、穗粒數(shù)等。水稻穗部性狀受基因的控制，同時易受外界環(huán)境的影響。目前，水稻穗部性狀QTL已經(jīng)在不同定位群體中被檢測出來。葛永申[1]以中秈品種黃華占為供體親本、中粳品種武育粳3號為背景親本，通過構(gòu)建高代回交導(dǎo)入系群體進(jìn)行年度間QTL定位，2 a共檢測到穗長QTL 3個、一次枝梗數(shù)QTL 11個、二次枝梗數(shù)QTL 4個。陳燕華等[2]以粳稻品系中野1211與秈稻品系中大304構(gòu)建的重組自交系群體定位到穗長QTL 5個、穗粒數(shù)QTL 3個。劉進(jìn)等[3]以沈農(nóng)0530-9和北陸129雜交衍生的F2群體和F2∶3家系為定位群體，定位到穗長QTL 4個。邵昕[4]以粳稻品種越光作為供體親本、秈稻品種9311為受體親本，通過構(gòu)建染色體代換系群體，定位到穗長QTL 2個、穗粒數(shù)QTL 3個。關(guān)于水稻穗部性狀基因功能研究也有報道。ASHIKARI等[5]克隆了1個控制穗粒數(shù)的基因Gnla，其編碼細(xì)胞分裂素氧化酶，可增加水稻穎花數(shù)量。XUE等[6]克隆了1個多效基因Ghd7，該基因可使穗粒數(shù)大幅增加。QIAO等[7]發(fā)現(xiàn)，位于第6染色體的DEP3基因編碼磷脂酶(PLA2)，在該基因功能喪失的植株中，穗粒數(shù)顯著增加。與初級定位群體相比，水稻染色體片段代換系具有遺傳背景簡單、穩(wěn)定性好、定位精度高等優(yōu)點，是理想的QTL定位群體。目前，雖然已構(gòu)建了一些水稻染色體片段代換系群體用于QTL定位[8-9]，但是由于優(yōu)良的等位基因往往分散于廣泛的遺傳資源[10]，通過有限的雜交很難覆蓋廣泛的自然變異。因此，需要構(gòu)建新的水稻染色體片段代換系，以求鑒定出更多優(yōu)良的等位基因。為此，對日本晴(母本)和水稻染色體片段代換系Z745(父本)雜交構(gòu)建的次級F2群體進(jìn)行水稻穗部性狀QTL定位，以期發(fā)現(xiàn)新的穗部性狀QTL，以便對水稻的穗部性狀乃至水稻增產(chǎn)機制開展更深入的研究。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

水稻染色體片段代換系Z745是以日本晴為受體親本、西恢18號為供體親本，經(jīng)連續(xù)回交、自交結(jié)合分子標(biāo)記輔助選擇選育而成。QTL定位群體材料為日本晴(母本)和Z745(父本)雜交構(gòu)建的次級F2群體。2018年4月，將日本晴與Z745各30株、F2群體109株種植于重慶西南大學(xué)水稻研究所歇馬試驗基地，株距和行距分別為16 cm和26 cm，常規(guī)田間管理。

1.2 試驗方法

1.2.1 Z745染色體代換片段的鑒定 首先選用水稻全基因組378個SSR標(biāo)記，對受體日本晴和供體西恢18號進(jìn)行多態(tài)性分析，利用多態(tài)性標(biāo)記對染色體片段代換系Z745進(jìn)行鑒定。當(dāng)Z745帶型與受體親本日本晴(A)一致時，則認(rèn)為該片段來自日本晴基因組；當(dāng)Z745帶型與供體親本西恢18號(B)一致時，則認(rèn)為該代換片段來自西恢18號基因組[11]。代換片段長度的計算參照PATERSON等[12]的方法。

1.2.2 穗部性狀表型分析 水稻成熟后，分別取日本晴、Z745各10株，以及F2群體109單株，考察主穗穗長、一次枝梗數(shù)、二次枝梗數(shù)、穗粒數(shù)。用SPSS 20軟件分析日本晴和Z745穗部性狀差異及F2群體的平均值、最小值、最大值、偏度和峰度等，并進(jìn)行t測驗。

1.2.3 穗部性狀QTL定位 采用CTAB法提取親本以及109個F2群體單株DNA，并進(jìn)行PCR擴(kuò)增，采用10%非變性聚丙烯酰胺凝膠電泳[13]，然后快速銀染[14]。將具有日本晴帶型的單株記為-1，具有Z745帶型的單株記為1，具有雙親帶型的單株記為0，缺失的帶型記為“.”。利用加州大學(xué)河濱分校徐世忠教授編寫的 HPMIXED 程序限制性最大似然(REML)法(略加修改)定位QTL[15]，以P<0.01為閾值判斷一個QTL是否與代換片段上的某標(biāo)記連鎖。QTL的命名方法為：在q后面加上性狀英文字母的縮寫，再加上QTL所定位的染色體，若同一染色體上存在2個以上的位點，按順序標(biāo)以-1、-2等。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻染色體片段代換系Z745染色體代換片段的鑒定

用代換片段上的標(biāo)記和24個代換片段外SSR標(biāo)記對10株Z745進(jìn)行代換片段和殘留片段檢測，10株Z745的代換片段帶型一致，沒有檢出其他來自西恢18的殘留片段，表明Z745已純合。

Z745共含有來自西恢18號的17個代換片段，分布于第1、3—8、10和12等9條染色體上?？偞鷵Q片段長度為26.1 Mb，最長代換片段長度為5.95 Mb，最短代換片段長度為0.15 Mb，平均代換片段長度為1.54 Mb。代換片段在染色體上的位置、長度見表1。

表1 水稻染色體片段代換系Z745染色體代換片段 Tab.1 The chromosome replacement fragment of rice chromosome substitution line Z745

2.2 水稻親本及次級F2群體穗部性狀分析

與日本晴相比，Z745的穗長、一次枝梗數(shù)、二次枝梗數(shù)和穗粒數(shù)均極顯著增加，詳見表2。

表2 日本晴和Z745穗部性狀 Tab.2 Panicle traits of Nipponbare and Z745

注：同行數(shù)據(jù)后不同大寫字母表示差異達(dá)極顯著水平(P<0.01)。

Note：The different uppercase letters after data within a row indicate significant difference at 0.01 level.

以日本晴和Z745雜交構(gòu)建的次級F2群體中，穗長、一次枝梗數(shù)、二次枝梗數(shù)和穗粒數(shù)等性狀均呈正偏態(tài)分布，且峰度較高，見圖1。穗長的均值為21.35 cm，介于17.77～34.75 cm，偏度為2.93，峰度為13.06；一次枝梗數(shù)的均值為8.25個，介于6.41～16.57個，偏度為3.58，峰度為15.89；二次枝梗數(shù)的均值為51.81個，介于33.00～122.43個，偏度為3.50，峰度為15.22；穗粒數(shù)的均值為129.83粒，介于63.13～361.00粒，偏度為3.86，峰度為18.3。F2群體的穗部性狀平均值高于日本晴，略低于Z745(表3)。

2.3 穗部性狀QTL定位

共檢測到穗部性狀QTL 21個，分別分布于其中9個代換片段上，位于第1、3—5、7—8、10和12等8條染色體上，QTL所在染色體、位置及連鎖標(biāo)記等見表4和圖2。

圖1 F2群體的穗部性狀分布Fig.1 Distribution of panicle traits of the F2 population

表3 F2群體穗部性狀統(tǒng)計分析Tab.3 Statistical parameters of panicle traits of F2 population

表4 水稻穗部性狀QTL Tab.4 QTLs for panicle traits of rice

影響穗長的QTL共4個，分別為qPL1、qPL4、qPL7-1、qPL7-2，分別位于第1、4、7染色體上，均為主效QTL，貢獻(xiàn)率分別為40.43%、37.04%、32.95%、23.70%。其中，qPL1、qPL7-1分別可增加穗長2.50、2.73 cm，qPL4、qPL7-2分別可減少穗長3.34、1.78 cm。

影響一次枝梗數(shù)的QTL共4個，分別為qNPB1、qNPB5、qNPB7、qNPB8，分別位于第1、5、7、8染色體上，均為主效QTL，貢獻(xiàn)率分別為29.40%、24.76%、45.52%、79.84%；qNPB1、qNPB5、qNPB8可增加一次枝梗數(shù)1.03、0.43、0.76個，qNPB7減少一次枝梗數(shù)1.19個。

染色體左端數(shù)字為物理圖距(Mb), 右側(cè)為分子標(biāo)記,圖中黑色區(qū)段為代換片段所在的位置,物理圖距左側(cè)為穗部性狀QTLThe digits on the left of chromosomes represent physical distance (Mb)，while the markers are on the right，black intervals indicate the position of substitution segments， the left of the physical distance is the panicle QTL圖2 Z745的代換片段和攜帶的穗部性狀QTL Fig.2 Substitution segments and detected QTLs for paicle traits of Z745

影響二次枝梗數(shù)的QTL共6個，分別為qNSB1-1、qNSB1-2、qNSB7-1、qNSB7-2、qNSB10、qNSB12，分別位于第1、7、10、12染色體上，均為主效QTL，貢獻(xiàn)率分別為18.96%、78.97%、74.47%、28.53%、48.96%、27.10%。qNSB1-1、qNSB1-2、qNSB10分別可增加二次枝梗數(shù)3.80、17.19、6.11個，qNSB7-1、qNSB7-2、qNSB12分別可減少二次枝梗數(shù)15.53、9.98、4.55個。

影響穗粒數(shù)的QTL共7個，分別為qSPP1-1、qSPP1-2、qSPP3、qSPP7-1、qSPP7-2、qSPP8、qSPP10，分別位于第1、3、7、8、10染色體上，均為主效QTL，貢獻(xiàn)率分別27.13%、29.04%、44.67%、39.38%、68.62%、49.59%、34.19%。其中，qSPP1-1、qSPP1-2、qSPP3、qSPP7-1、qSPP8、qSPP10分別可增加穗粒數(shù)14.83、33.98、51.11、35.75、56.44、16.65粒，qSPP7-2可減少穗粒數(shù)48.60粒。

本研究發(fā)現(xiàn)，穗部性狀QTL存在簇狀分布現(xiàn)象，其中穗長qPL1、一次枝梗數(shù)qNPB1、二次枝梗數(shù)qNSB1-2、穗粒數(shù)qSPP1-2位于第1染色體，與RM7202連鎖，且都是正效應(yīng)QTL；二次枝梗數(shù)qNSB1-1、穗粒數(shù)qSPP1-1位于第1染色體，與RM259連鎖，均為正效應(yīng)QTL；穗長qPL7-2、一次枝梗數(shù)qNPB7、二次枝梗數(shù)qNSB7-1、穗粒數(shù)qSPP7-2位于第7染色體，與RM1279連鎖，均為負(fù)效應(yīng)QTL；二次枝梗數(shù)qNSB10、穗粒數(shù)qSPP10位于第10染色體，與RM7545連鎖，均為正效應(yīng)QTL。

3 結(jié)論與討論

水稻穗部性狀遺傳復(fù)雜，利用水稻染色體代換系遺傳背景簡單的特點，可簡化對穗部性狀的研究，提高穗部性狀QTL定位的準(zhǔn)確性[16-17]。本研究發(fā)現(xiàn)，染色體片段代換系Z745的穗長、一次枝梗數(shù)、二次枝梗數(shù)、穗粒數(shù)均高于日本晴。為研究Z745穗部性狀增加的機制，本研究利用日本晴和Z745通過雜交產(chǎn)生的次級F2群體定位到21個穗部性狀QTL。穗長qPL7-1與徐華山等[18]定位的位于標(biāo)記RM427—RM542區(qū)間的穗長pl-7在同一染色體區(qū)段內(nèi)；穗長qPL7-2與王軍等[19]定位的位于標(biāo)記RM21767—S7-17區(qū)間的穗長qPL7-2在相同的染色體區(qū)段內(nèi)；二次枝梗數(shù)qNSB7-1與興旺[20]定位的位于標(biāo)記RM1377—RRM1279區(qū)間的二次枝梗數(shù)qSBN7-2在同一染色體區(qū)段內(nèi)；穗粒數(shù)qSPP1-1與葉少平等[21]定位的位于標(biāo)記RM428—RM259區(qū)間的穗粒數(shù)qSPP1-1在同一染色體區(qū)段內(nèi)。而其余穗部性狀QTL尚未見報道。

本研究發(fā)現(xiàn)，控制水稻穗部性狀的QTL存在簇狀分布的現(xiàn)象，位于第1染色體上的RM7202標(biāo)記附近的QTL，對穗長、一次枝梗數(shù)、二次枝梗數(shù)、穗粒數(shù)具有增效作用；位于第1染色體上RM259標(biāo)記附近的QTL，對二次枝梗數(shù)、穗粒數(shù)同樣起增效作用；位于第7染色體上RM1279標(biāo)記附近的QTL，對穗長、一次枝梗數(shù)、二次枝梗數(shù)、穗粒數(shù)均起到減效作用；位于第10染色體上RM7545標(biāo)記附近的QTL，對二次枝梗數(shù)、穗粒數(shù)均起到增效作用。這些穗部性狀QTL成簇狀分布的現(xiàn)象，或為一因多效，或為緊密連鎖[22]，暗示這些性狀在遺傳演化過程中關(guān)系密切[23-25]。大量研究表明，這種QTL簇群在水稻穗部性狀中普遍存在。韓保林等[26]在水稻第1染色體上同時定位到控制穗長、一次枝梗數(shù)和二次枝梗數(shù)的主效QTL。吳亞輝等[27]在水稻第10染色體上RM147—RM228區(qū)間定位到1個同時控制一次枝梗數(shù)、二次枝梗數(shù)、總粒數(shù)的QTL。王智權(quán)等[28]定位到第8染色體RM331標(biāo)記附近同時控制一次枝梗數(shù)、二次枝梗數(shù)、著粒密度、穗粒數(shù)的QTL。佘東等[29]檢測到第2、6、8染色體上存在能同時控制二次枝梗數(shù)、穗粒數(shù)和實粒數(shù)的QTL簇。在育種過程中利用RM7202、RM259和RM7545標(biāo)記附近多個正效應(yīng)QTL簇狀分布的特性進(jìn)行分子標(biāo)記輔助選擇，有利于對水稻穗部的多個性狀協(xié)同改良。若是出現(xiàn)像RM1279標(biāo)記附近連鎖多個不利性狀QTL的情況，可構(gòu)建染色體代換系，通過分子標(biāo)記的方法將該標(biāo)記選為背景親本，從而去除掉這些不利基因。假如出現(xiàn)有利基因與不利基因連鎖于同一標(biāo)記的情況，則需要構(gòu)建較大的遺傳群體,使基因間重組的機會增加從而打破連鎖[30]。本研究所定位到的穗部性狀QTL貢獻(xiàn)率最低為 18.96%，最高為79.84%，貢獻(xiàn)率普遍偏高，可認(rèn)為其具有較強的表達(dá)能力[31]，這對于深入研究水稻穗部性狀具有重要意義。