水稻籽粒大小相關性狀QTL定位

水稻籽粒大小啪關性狀QTL定位趙錦龍;馮潔深;白和靈;羅碧;劉超;譚亞玲;譚學林;徐津【摘要】［目的］水稻籽粒大小是影響產量和品質的數(shù)量性狀,籽粒大小相關QTLs的定位是進一步克隆、功能研究以及分子育種的基礎.［方法］用1個大粒水稻ZD05321和斯里蘭卡的極小粒Suwandel為親本，創(chuàng)建了1個246個單株的F2群體，用48個SSR標記對控制粒長、粒寬、千粒重和長寬比進行QTLs定位分析?［結果］F2群體粒長、粒寬、千粒重等性狀呈現(xiàn)連續(xù)分布的數(shù)量性狀遺傳特點，多數(shù)植株的表型偏向大粒親本?粒長、粒寬與千粒重都存在極顯著的正相關;隨著粒重的增加,粒長對粒重的作用逐漸變小?在第1、4、6、7、8和9號染色體上，共檢測到15個與籽粒大小相關的QTL,單個性狀QTL為3~5個，可分別解釋1.02%~16.52%的相應性狀變異?在第9染色體上檢測到同時控制粒長、粒寬、千粒重和長寬比等4個性狀的4個QTL,它們位于該染色體的RM3609~RM7586和RM6543~RM566區(qū)段上?［結論］大粒親本ZD05321中可能存在控制籽粒大小的效應值較大的QTk,第9染色體上存在同時控制多個粒形性狀區(qū)域，為下一步精細定位這些新的粒形相關QTL奠定了基礎.％［Purpose］GrainsizecontrolledbyQTLsdispersedinricegenomeisaquantitativetraitthatinfluenceboththequalityandyieldofrice,andlocatingthoseQTLsisthefirststepsforfurtherresearch,suchasQTLcloneandfunctionanalysis.［Method］Alagergrainsizericevariety,ZD05321wascrossedwithaverysmallgrainsizevarietySuwandeltoproduceaF2populationcontaining246lines.AndtheQTLsinvolving4grainsizerelatedtraits,includinggrainlength(GL),grainwidth(GW),thousandgrainweight(TGW)andlength-widthratio(L/W)weremappedwith48SSRmolecularmarkersinthisF2population.［Results］GeneticanalysisshowedthattheGL,GWandTGWintheF2populationpresentcontinuousdistributionasthetypicalquantitativetraits.ThephenotypeofmostplantsintheF2populationisinfavorofthelagergrainsizericevariety,ZD05321.ThereisanextremelyremarkablepositivecorrelationamongGL,GWandTGW.Andwiththeincreaseofgrainweight,thegrainlengthmakeslesscontributiontograinweight.Atotalof15QTLsrelevanttograinsizeweredetected,inthe1st,4th,6th,7th,8thand9thchromosomesintherice,thenumberofQTLsdetectedforeachtraitare3to5,andwiththecontributionof1.02％to16.52％tothecorrespondingcharacters.Thereare4QTLsrelevanttograinlength,grainwidth,thousandgrainweightandlength-widthratioweredetectedonthe9thchromosome,andtheseQTLsarelocatedinthesegmentofRM3609-RM7586andRM6543-RM566.[Conclusion]TheremayexistmajorQTLswhichcontrolthegrainsizewithinthelargergrainsizevarietyZD05321.Achromosomeregionwhichcontrolseveralgrainsizetraitswasdiscoveredinthe9thchromosome,andthisisthebasisforfinemappingtherelatedQTLsinthisregioninthefuturestudy.【期刊名稱】《云南農業(yè)大學學報》年(卷),期】2017(032)005【總頁數(shù)】9頁(P747-755)【關鍵詞】水稻(OryzasativaL.);遺傳圖譜;籽粒大小;QTL定位作者】趙錦龍;馮潔深;白和靈;羅碧;劉超;譚亞玲;譚學林;徐津【作者單位】云南農業(yè)大學稻作研究所,云南昆明650201;大理白族自治州州種子管理站,云南大理671000;云南農業(yè)大學稻作研究所,云南昆明650201;云南農業(yè)大學稻作研究所,云南昆明650201;云南農業(yè)大學稻作研究所,云南昆明650201;云南農業(yè)大學稻作研究所,云南昆明650201;云南農業(yè)大學稻作研究所,云南昆明650201;云南省雜交粳稻工程技術研究中心,云南昆明650201;云南農業(yè)大學稻作研究所,云南昆明650201;云南省雜交粳稻工程技術研究中心,云南昆明650201;云南農業(yè)大學稻作研究所,云南昆明650201;云南省雜交粳稻工程技術研究中心,云南昆明650201【正文語種】中文【中圖分類】S511.035.3水稻(OryzasativaL.)是世界上最主要的糧食作物之一，全球有一半以上的人口以水稻為主食［1］。隨著全球人口的不斷增長，對水稻的需求也將持續(xù)上漲,預計到2035年將需要額外的1.16億t大米養(yǎng)活不斷增長的世界人口［2］。增加水稻產量對糧食安全非常重要，同時也是解決糧食需求的唯一途徑。籽粒大小是水稻最重要的性狀之一，它影響著稻米的品質和產量。在育種實踐中籽粒大小通?？捎昧Ｖ亍⒘ｉL、粒寬和粒厚等性狀來衡量。而這些性狀均是由多個遺傳因子控制的數(shù)量性狀(quantitativetrait)。在過去的幾十年已經(jīng)有很多的QTLs已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)。通過不同的作圖群體已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過400個控制籽粒大小和形狀的QTLs［3-6］，并且已克隆了多個與水稻籽粒大小相關的基因，同時開展了功能研究［7-12］。FAN等［13］利用在粒長和粒重方面存在顯著差異的兩個親本明恢63(大粒)和Chuan7(小粒)構建的近等基因系，定位了控制籽粒大小的GS3(GRAINSIZE3)。GS3位于水稻3號染色體的著絲粒附近，它是控制粒重和粒長的主效QTL，是控制粒寬和粒厚的微效QTL。研究發(fā)現(xiàn)：GS3的N端是調控粒型的關鍵區(qū)域，GS3的C端對OSR(organsizeregulationdomain)的功能有抑制作用，這表明GS3可能對籽粒大小起負調節(jié)作用。MAO等［7］的研究進一步表明：幾乎所有的優(yōu)良粳稻的品種都含有完整的GS3基因，表現(xiàn)為中等粒型，而長粒型秈稻優(yōu)良品種的GS3基因N端都有缺失，表明GS3對水稻的產量和品質有重要的作用，是粒型變異和演化的主要決定因子之一。LI等［8］利用來自珍汕97(寬籽粒)和H94(細長籽粒)雜交后代培育的1個DH(doublehaploid)群體，定位了GS5(GRAINSIZE5)。GS5位于水稻5號染色體的短臂上，它正調控水稻種子大小和粒重，預測編碼1個S10肽酶家族絲氨酸羧肽酶，通過調控細胞周期基因的表達促進水稻穎殼細胞的橫向分裂，導致穎殼寬度增加，進而增加種子大小以及谷粒重量和單株產量。WANG等［10］通過Basmati385(窄粒)和HJX74(寬粒)雜交創(chuàng)建的1個單片段代換系(SSSLs)克隆了1個可以同時控制水稻產量和品質的關鍵基因GW8(GRAINWIDTH8)，GW8是OsSPL16的同源基因，該基因編碼1個轉錄因子，通過促進細胞增殖控制籽粒的寬度和產量。GS2是在水稻中新鑒定的1個調控籽粒大小和重量的半顯性QTL，GS2編碼轉錄因子OsGRF4，并受OsmiR396的調控［14-15］。GS2-個2bp的堿基替換突變破壞了OsmiR396對GS2的調控，導致籽粒變大和粒重增加，提高了糧食產量，同時發(fā)現(xiàn)，GS2與轉錄輔激活因子OSGIF1/2/3發(fā)生互作，過表達OsGIF1可提高籽粒大小和重量。GLW7是韓斌等［16］定位的1個控制水稻粒長和千粒重的主效QTL，其編碼植物特有的轉錄因子OSSPL13，正調控穎殼內細胞的大小，使得水稻粒長和產量增加，研究發(fā)現(xiàn)并證明GLW7主要是通過增加細胞的大小而使籽粒的體積變大。這些研究為理解調控籽粒大小的分子機理奠定了基礎并且對作物的遺傳改良也具有重大的意義。但水稻籽粒大小是1個多基因控制的復雜的數(shù)量性狀，不同的研究者因所采用的研究材料不同，定位的結果往往存在很大的差異。因此，有必要對水稻籽粒大小進行廣泛而深入的研究，挖掘更多與其相關的基因，從而為全面深入的闡明籽粒建成過程中的分子調控機制及相關調節(jié)過程提供可能，并最終將這些機制應用于水稻育種中以提高水稻的產量和品質。本研究利用在粒型方面存在顯著差異的兩個水稻材料作為親本，構建了1個F2群體進行籽粒大小相關性狀QTL的初步定位，為后續(xù)的精細定位、克隆及基因功能的剖析等的相關研究提供科學依據(jù)。同時，也可豐富籽粒大小的控制基因，對育種的理論研究和實踐都有重要意義。材料用大粒型水稻材料ZD05321為母本、來源于斯里蘭卡的極小粒水稻資源Suwandel為父本，構建1個具有246個單株的F2群體（圖1）。性狀考察待水稻成熟收獲后分別測量水稻籽粒的粒長、粒寬和千粒重。親本隨機取3株，每株隨機選取3個穗子進行性狀考察；F2群體的每個單株隨機選取3個穗子進行性狀考察。每穗隨機選取10粒飽滿的水稻籽粒，用游標卡尺（精確到0.01mm）測量粒長和粒寬，以測量的平均值作為性狀表型值；用粒長與粒寬的比值代表長寬比的表型數(shù)值；利用萬分之一的電子天平分別稱量每份材料100粒飽滿水稻籽粒的重量，重復3次，計算3個測量值的平均值，折算成千粒重，作為該材料的千粒重。DNA提取在分蘗盛期，采集親本和F2群體的葉片。利用CTAB法提取葉片基因組DNA。SSR標記及電泳檢測SSR檢測的PCR反應體系20pL,擴增程序為：94°C預變性5min;94°C變性30s、55C退火30s、72C延伸45s,35個循環(huán)；最后72C延伸7min,10°C保存。采用3%瓊脂糖凝膠電泳或8%聚丙烯酰胺凝膠（19:1）電泳檢測SSR擴增產物。采用改進的聚丙烯酰胺凝膠銀染法檢測聚丙烯酰胺凝膠電泳結果［17］。1.5遺傳連鎖圖譜構建和QTL定位用623對SSR標記對親本進行多態(tài)性檢測，篩選出在親本上有多態(tài)性的標記對F2群體進行分析。根據(jù)SSR分析的結果，與親本ZD05321—致的帶型記為2，與Suwandel帶型一致的帶型記為0,同時具有兩親本的雜合帶型記為1,由于某種原因造成帶型缺失或模糊的記為-1。用QTLIciMappingV4.1軟件分析連鎖群并構建連鎖圖譜，采用完備區(qū)間作圖法（inclusivecompositeintervalmapping,ICIM）定位F2群體粒型性狀，以LOD值為3.0的閾值判斷QTL是否存在，QTL命名遵循MCCOUCH等［18］提出的原則。粒型性狀的遺傳分析F2群體的粒長、粒寬和千粒重3個性狀均表現(xiàn)出連續(xù)分布的特征，呈現(xiàn)出數(shù)量性狀遺傳的特點（圖2~4）。各性狀表型平均值介于雙親之間，但均大于中親值，與大粒親本更接近,尤其是粒寬,基本與大粒親本一致（表1）。F2群體中，粒長介于6.10~12.23mm間，主要集中在10~10.8mm之間，有138株，占56.1%;粒寬2.53~4.57mm，主要集中在3.85-4.15mm之間（占44.7%）:千粒重13.22-47.88g，主要分布于29.5-37g之間（占65.4%）。從3個粒型性狀在F2群體分布情況可以看出，群體中多數(shù)植株的表型偏向大粒親本ZD05321,并未呈現(xiàn)出典型的正態(tài)分布特征。因此，大粒親本ZD05321內可能存在較大效應值的QTLs。F2群體粒型性狀的相關分析相關分析（表2）表明：粒長和粒寬與千粒重均呈極顯著正相關,相關系數(shù)分別為0.90和0.87,說明增加籽粒長、寬可顯著提高千粒重:同時,千粒重與長寬比呈顯著正相關,相關系數(shù)為0.14,說明粒長對粒重的貢獻更明顯。F2群體不同千粒重范圍內的粒型性狀及相關分析根據(jù)F2群體內千粒重的分布特點，將材料分成5組(表3)，則各組的粒型性狀平均表型值都隨著千粒重的遞增而增加。在千粒重lt；20g組中，粒長和粒寬的平均值分別為7.25mm、2.90mm;而在千粒重>35g組中，平均粒長和粒寬達到10.37mm和3.98mm，這一結果同樣說明粒長和粒寬與千粒重有較高的關聯(lián)性。同時，在每一個組別中，無論粒長還是粒寬，都存在較大的變幅，說明有多種因素在決定粒重中都有貢獻。另外，雖然長寬比隨著千粒重的遞增而增加，但是在每一個組別中長寬比的變幅都較小，長寬比各組的平均值相差不大，最小值為2.51，最大值為2.61，二者僅相差0.1。5組的粒型性狀的相關分析表明(表4):當mlt;20g時，粒長、粒寬與千粒重均存在極顯著的正相關，在這個粒重范圍內粒長和粒寬的增加對籽粒重量的增加均具有顯著作用；20g<mlt;25g時，粒長與千粒重呈顯著正相關，而粒寬與千粒重關系不大，粒長對籽粒增重具有重要作用；當25g<mlt;30g和30g<mlt;35g時，粒長、粒寬與千粒重均呈極顯著的正相關，粒長和粒寬對籽粒增重的影響比較顯著；當m>35g時，粒長、粒寬與千粒重的相關性不顯著，可能存在其他一些決定粒重的因素，其中一個重要的因素可能與籽粒的充實度有關。F2群體遺傳連鎖圖譜的構建和QTL定位從623對SSR標記中篩選出146對雙親中呈現(xiàn)多態(tài)性的標記，選擇其中48對標記對F2群體進行分析。構建了48個標記組成的遺傳連鎖圖譜。該圖譜包含了水稻的12條染色體，但多數(shù)標記主要集中在1、6、7、9染色體上，總圖距約351.48cM，標記間的平均圖距為7.32cM。QTL分析共檢測到粒長(GL)、粒寬(GW)、千粒重(TGW)和長寬比(L/W)等4個與籽粒大小性狀相關的15個QTL位點，分別位于第1、4、6、7、&9號染色體上，LOD值介于2.81~22.24之間，單個性狀所檢測到的QTL個數(shù)為3~5個，分別解釋1.02%~16.52%的相應性狀變異(表5和圖5)。其中，檢測到3個與粒長有關的QTL，分別位于第6、7和第9染色體上，它們的聯(lián)合貢獻率為23.41%。單個QTL的貢獻率為3.84%~13.80%。檢測到4個控制粒寬的QTL。分別位于第1、6、7和第9染色體上，LOD值在2.99-9.39之間。與千粒重有關的QTL共檢測到5個。其中第7和8號染色體上各有2個，第9染色體上有1個，其LOD值在3.65~22.24之間，貢獻率介于2.55%~16.52%之間。檢測到與長寬比有關的QTL有3個，分別位于第4、第8和第9染色體上。其中，位于第4和第9染色體上的2個QTL的增效等位基因來自小粒親本Suwandel,位于第8染色體上的這個QTL的增效等位基因來自大粒親本ZD05321。值得注意的是，在第9染色體上檢測到控制粒長、粒寬、千粒重和長寬比4個性狀的4個QTL,其中在RM6543~RM566區(qū)段上存在3個QTL。3.1水稻粒型性狀的相關性提高稻米的產量和質量是水稻育種面對的主要問題，而籽粒大小不僅關系到水稻產量，同時也與稻米品質有關。籽粒大小通常用粒重來衡量，很多研究表明：多基因加性效應控制水稻的千粒重，千粒重與粒長、粒寬和粒厚等粒型性狀關系密切。JUN［19］研究發(fā)現(xiàn)粒長與千粒重呈正相關，石春海等［20］研究表明粒長與千粒重間呈顯著的正相關關系；本研究通過對F2群體內粒型性狀間的相關分析發(fā)現(xiàn)，粒長、粒寬和千粒重3個性狀兩兩之間都存在極顯著的正相關關系。粒長和粒寬與千粒重的相關性隨著千粒重的遞增逐漸減小，尤其當千粒重＞35g時，粒長和粒寬與千粒重不存在顯著的相關性。推測在這個千粒重范圍內粒長和粒寬對千粒重的影響是相互獨立的，它們在相同粒重下不同籽粒間的作用大小不相同；另一個可能的原因是，在這個范圍內千粒重主要受到籽粒內部諸如細胞的排列情況、籽粒相關組成成分的結構類型以及籽粒灌漿充實度等因素的影響。關于這一現(xiàn)象，在后續(xù)的工作中可開展相關研究以闡明其真正的原因。3.2定位到的新的粒型相關性狀QTL關于水稻粒型的遺傳、粒型與稻米品質、產量的關系以及粒型性狀的QTL定位等一直是研究的熱點。目前，關于粒型性狀的研究也已經(jīng)取得了一些重要的成果［21-24］。本研究中定位到的部分QTL與已定位并克隆的一些QTL位于相同或相近的區(qū)間（表6）。在第9染色體上檢測到4個QTL，占所檢測到的QTL的26.7%;其中的3個QTL在該染色體呈現(xiàn)成簇分布特點，而基因成簇分布在植物中是普遍存在的［25］。這種基因成簇分布的現(xiàn)象可以解釋性狀間的相關關系，在遺傳上可能是由于一因多效或基因連鎖造成。在這些成簇分布的QTL均是有利的情況下，這種現(xiàn)象對某些性狀基因型的選擇是非常有利的，但當有利與不利的QTL由于緊密連鎖而成簇分布時，如何打破連鎖是育種工作中面臨的艱巨任務。因此，對于本研究中檢測到的成簇分布的QTL的產生原因及作用還有待于進一步分析，同時這些位點也是開展下一步工作的重點。檢測到的15個QTL，除了有6個QTL與前人研究的結果相同或相近之外，沒有發(fā)現(xiàn)其他的9個QTL與已公布的定位結果相同或相近的位點，這9個QTL可能是新的位點。其中qGL-9-1和qTGW-9-1位點的貢獻率較大，且都集中在第9染色體上相同的區(qū)域。另外，第9染色體上檢測到的控制長寬比的qL/W-9-1位點對籽粒大小的作用呈現(xiàn)負效應，其貢獻率為2.55%。利用該F2群體定位到15個籽粒大小相關的QTL，包含了粒長、粒寬、千粒重和長寬比等4個性狀。籽粒大小相關QTL具有成簇分布的特點，共檢測到2個或者2個以上性狀被定位到同一標記位點處的QTL共有5個，分別位于第6、第7、第8和第9染色體上。第6染色體上存在1個同時控制粒長和粒寬的QTL簇；在第7染色體的RM7110~RM21847區(qū)域內檢測到1個同時控制粒寬和千粒重的QTL，在RM2715~RM22150區(qū)間內檢測到1個同時控制粒長和千粒重的QTL;第8染色體上檢測到控制長寬比的qL/W-8-1和控制千粒重的qTGW-8-1都位于RM1270~RM447區(qū)間內；第9染色體上存在1個同時控制粒長、粒寬和千粒重的QTL簇?！鞠嚓P文獻】WANGY,LIJ.Branchinginrice[J].CurrentOpinioninPlantBiology,2011,14(1):94.DOI:10.1016/j.pbi.2010.11.002.SECKPA,DIAGNEA,MOHANTYS,etal.Cropsthatfeedtheworld[J].FoodSecurity,2012,4(1):7.DOI:10.1007/s12571-012-0168-1.XINGY,ZHANGQ.Geneticandmolecularbasesofriceyield[J].AnnualReviewofPlantBiology,2010,61(1):421.DOI:10.1146/annurev-arplant-042809-112209.HUANGR,JIANGL,ZHENGJ,etal.Geneticbasesofricegrainshape:somanygenes,solittleknown[J].TrendsinPlantScience,2013,18(4):218.DOI:10.1016/j.tplants.2012.11.001.MIURAK,ASHIKARIM,MATSUOKAM.TheroleofQTLsinthebreedingofhigh-yieldingrice[J].TrendsinPlantScience,2011,16(6):319.DOI:10.1016/j.tplants.2011.02.009.ZHANGQ,WINGRA.GeneticsandGenomicsofRice[M].NewYork:Springer,2013:237.MAOHL,SUNSY,YAOJL,etal.LinkingdifferentialdomainfunctionsoftheGS3proteintonaturalvariationofgrainsizeinrice[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences,USA,2010,107:19579.DOI:10.1073/pnas.1014419107.LIYB,FANCC,XINGYZ,etal.NaturalvariationinGS5playsanimportantroleinregulatinggrainsizeandyieldinrice[J].NatureGenetics,2011,43:1266.DOI:10.1038/ng.977.WENGJ,GUS,WANX,etal.IsolationandinitialcharacterizationofGW5,amajorQTLassociatedwithricegrainwidthandweight[J].CellResearch,2008,18(12):1199.DOI:10.1038/cr.2008.307.WANGS,WUK,YUANQ,etal.Controlofgrainsize,shapeandqualitybyOsSPL16inrice[J].NatureGenetics,2012,44:950.DOI:10.1038/ng.2327.WANGY,XIONGG,HUJ,etal.CopynumbervariationattheGL7locuscontributestograinsizediversityinrice.[J].NatureGenetics,2015,47(8):944.DOI:10.1038/ng.3346.WANGS,LIS,LIUQ,etal.TheOsSPL16-GW7regulatorymoduledeterminesgrainshapeandsimultaneouslyimprovesriceyieldandgrainquality[J].NatureGenetics,2015,47(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