水旱條件下水稻劍葉蒸騰與光合性狀QTL分析

鄒德堂，王江旭，王敬國，劉化龍，孫健，李承欣，李晨煦，趙宏偉

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，哈爾濱 150030）

水旱條件下水稻劍葉蒸騰與光合性狀QTL分析

鄒德堂，王江旭，王敬國，劉化龍，孫健，李承欣，李晨煦，趙宏偉

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，哈爾濱 150030）

研究抗旱品種小白粳子與不耐旱品種空育131構(gòu)建含有207個株系的F9重組自交系群體，分別在水旱兩種環(huán)境下作蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、凈光合速率表型與遺傳分析。結(jié)果表明，水旱條件下水稻劍葉蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和凈光合速率表型值均呈極顯著正相關(guān)，三者聯(lián)系緊密。水旱條件下共定位到13個加性QTL，分布于2、3、5、6、7、9、11號染色體上，共解釋68.7%表型變異。定位到12對上位性QTL，除第10號染色體均有分布，共解釋106.2%表型變異。qE-9-2和qGS-9位于同一區(qū)間RM1328-RM409，水旱兩種條件下僅檢測到qPn-6-1一個凈光合速率的QTL，且干旱條件下加性效應(yīng)和貢獻率均高于正常水分，qE-9-2、qGs-9、qPn-6-1、qE-6、qE-9-3和qGs-11-1所在區(qū)間均與之前報道基因位置重合或相近。

水稻；干旱；光合速率；蒸騰速率；氣孔導(dǎo)度；QTL

鄒德堂，王江旭，王敬國,等.水旱條件下水稻劍葉蒸騰與光合性狀QTL分析[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2016,47(10):1-8.

Zou Detang,Wang Jiangxu,Wang Jingguo,et al.Analysis of quantitative trait loci for photosynthetic and transpiration traits of flag leaf in rice[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(10):1-8.(in Chinese with English abstract)

蒸騰作用是水稻水分代謝重要環(huán)節(jié)，影響水稻體內(nèi)無機鹽和礦質(zhì)離子吸收和運輸。氣孔是水稻葉片氣體進出主要通道，水稻氣孔運動與葉片光合、呼吸和蒸騰密切相關(guān)，受環(huán)境影響[1-2]。凈光合速率與蒸騰作用密不可分，與蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度等蒸騰性狀共同影響水稻產(chǎn)量。

目前水稻氣孔相關(guān)性狀生理研究成果豐碩，王建林等研究氣孔密度與孔徑，氣孔導(dǎo)度與氣孔密度和氣孔開度相關(guān)關(guān)系[3-6]，陳溫福等認為秈稻氣孔密度和光合速率均大于粳稻[7-8]。由于受環(huán)境影響大、難以測量等因素制約，氣孔性狀遺傳研究報道較少。近年來，關(guān)于水稻光合作用相關(guān)數(shù)量性狀基因位點研究較多。Hu等在水旱條件下檢測到光合速率位點qPR2、qPR10[9]。張強等利用98個BC1F5回交重組自交系定位到凈光合速率、蒸騰速率QTL、qPn6、qTr-10[10]。胡茂龍等定位到qPn3、qPn4、qPn5[11]。但研究多局限在光合性狀定位分析上，或僅在單一環(huán)境下研究光合與蒸騰的遺傳基礎(chǔ)。水旱條件下結(jié)合分析蒸騰作用與光合作用研究鮮有報道。

本研究采用天然雨養(yǎng)處理還原大田生產(chǎn)環(huán)境下的干旱條件，探究干旱脅迫與正常水分條件下水稻劍葉蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、凈光合速率相互關(guān)系及遺傳基礎(chǔ)，以期為水稻高光效育種、抗旱改良育種以及MAS分子輔助育種提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

粳稻空育131（K131）和旱稻小白粳子（XJ）構(gòu)建的F9代重組自交系群體，共207個株系?？沼?31曾是黑龍江省廣泛種植的高產(chǎn)粳稻品種，抗旱性較差，原產(chǎn)地日本。小白粳子是旱稻品種，抗旱性強，兩親本抗旱性差異較大，二者構(gòu)建的重組自交系群體適合抗旱研究。

1.2 田間試驗

207個重組自交系和親本于2015年種植于東北農(nóng)s業(yè)大學(xué)香坊實驗實習基地，設(shè)置干旱處理和正常灌溉對照。由于我國東北部水資源分布不均，水稻生育前期降雨量相對較少，本試驗干旱處理設(shè)置為天然雨養(yǎng)干旱[12-14]模擬大田生產(chǎn)旱情。全生育時期實驗基地月平均降雨量448.0 mm，日平均氣溫14.5～33.5℃。干旱處理從分蘗期開始斷水，完全依靠天然降雨供水，全程觀測土壤水勢，當水勢低于-50 kPa時補水防止株系死亡[15]。試驗材料于4月12日浸種，4月20日播種，5月25日移栽。4 m行長，兩行區(qū)，株距10 cm，行距30 cm，每穴一株，常規(guī)水肥管理。

1.3 數(shù)據(jù)測量

斷水后兩周開始測量。蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、凈光合速率均由便攜式光合儀CI-340測量（CID,Camas,WA,USA）。測量工作選晴天光線充足條件下完成，時間為9:30～11:30和13:00～15:00。為確保測量過程中葉室里CO2濃度穩(wěn)定在（350±10）μmol·mol-1，儀器上連接氣體緩沖系統(tǒng)。葉室內(nèi)相對濕度40%，溫度25℃。每株測量最上面3片劍葉，每個株系測量3株。

1.4 遺傳圖譜構(gòu)建與數(shù)據(jù)分析

遺傳圖譜包括105個從www.gramene.org上篩選的SSR標記，利用MapMaker/EXP 3.0軟件分析標記數(shù)據(jù)，采用Kosambi函數(shù)將重組率轉(zhuǎn)換為遺傳距離，MapChart 2.2軟件繪制遺傳連鎖圖。連鎖圖譜全長1 285.13 cM，平均圖距12.23 cM?；蚪MDNA從207個F9RIL株系以及親本中提取，采用改良CTAB法[16]。QTL定位采用QTL IciMapping v3.0完備區(qū)間作圖法（ICIM），設(shè)定閾值為LOD≥2.5。QTL命名原則參照文獻[17]?；緮?shù)據(jù)分析采用SPSS 13.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 RIL群體表型分析

如表1所示，旱稻親本小白粳子無論水旱條件，劍葉蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、凈光合速率三項指標皆明顯高于不抗旱親本空育131，兩親本抗旱性存在差異。對兩親本和群體來說，干旱條件下蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度均值相對正常水分條件下明顯降低（空育131分別降低28.2%，24.3%；小白粳子分別降低21.1%，10.8%；群體分別降低9.4%，18.9%），然而凈光合速率卻有所不同，干旱條件下小白粳子均值反而升高20.2%，空育131和群體均值則均呈降低趨勢。水旱條件下，蒸騰速率和凈光合速率群體均值皆表現(xiàn)為超親分離。各指標偏度和峰度均小于1，且符合正態(tài)分布（見圖1），說明蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、凈光合速率為受多基因控制的數(shù)量性狀，符合QTL作圖標準。

2.2 水旱環(huán)境下各指標相關(guān)性分析

水稻劍葉蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、凈光合速率三者水旱條件下皆呈極顯著正相關(guān)（見表2）。值得注意的是，凈光合速率與蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度相關(guān)系數(shù)正常水分條件下為0.214**、0.220**，干旱條件下為0.522**、0.448**，均小于另兩者之間在正常水分下相關(guān)系數(shù)0.469**和干旱下相關(guān)系數(shù)0.609**。說明水稻劍葉蒸騰速率與氣孔導(dǎo)度之間相關(guān)更密切。另外在干旱條件下所有相關(guān)系數(shù)高于正常水分，說明極端條件下，植物自我保護機制可能使其生理生化活動進一步協(xié)同作用以維持生命。

表1 水旱條件下群體和兩親本蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、凈光合速率表型變異Table 1Phenotypic variation of traits related to transpiration rate,stomatal conductance and net photosynthetic rate in RIL lines and their parents under two water conditions

DS·E[mmol(H2O)m-2s-1]

WW·E[mmol(H2O)m-2s-1]

DS·Gs[mmol(H2O)m-2s-1]

WW·Gs[mmol(H2O)m-2s-1]

圖1 水旱條件下群體與親本頻率分布Fig.1Frequency distribution of RIL lines and their parents under two water conditions

WW·Pn[μmol(CO2)m-2s-1]

表2 蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、凈光合速率之間相關(guān)性Table 2Relationship of transpiration rate,stomatal conductance,net photosynthetic rate.

2.3 蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、凈光合速率加性QTL分析

正常水分條件下共檢測到加性QTL 7個，蒸騰速率QTL 3個、氣孔導(dǎo)度QTL 3個、凈光合速率QTL 1個（見表3）。這些加性QTL分別位于第2、3、5、6、7號染色體，LOD值為2.27～4.71，共解釋表型變異37.98%，單個QTL可解釋的表型變異為3.90%～9.58%。正常水分條件下只有氣孔導(dǎo)度的兩個QTL qGs-2-1和qGs-3-2增效等位基因來自空育131（-3.14，-3.31），其余均來自小白粳子。干旱脅迫下共檢測到6個加性QTL，蒸騰速率QTL 3個、氣孔導(dǎo)度QTL 2個、凈光合速率QTL 1個。凈光合速率QTL qPn-6-1兩環(huán)境下均被檢測到，且兩種環(huán)境下均只檢測到加性QTL，說明RM510-RM586區(qū)間內(nèi)很有可能含有凈光合速率的主效基因。蒸騰速率QTL qE-9-2和氣孔導(dǎo)度QTL qGs-9位于同一標記區(qū)間RM1328-RM409（見表3，圖2），表明此區(qū)間內(nèi)可能含有同時控制兩性狀的基因。干旱條件下的加性QTL分別位于第3、6、9、11號染色體，LOD值為2.22～5.76，共解釋表型變異41.07%，單個QTL可解釋的表型變異為3.83%～10.85%。其中僅qGs-11-1和qE-3增效等位基因來自空育131（-4.96，-0.16），其他均來自小白粳子。除qPn-6-1外所有QTL僅在單一環(huán)境下檢測到。

2.3 蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、凈光合速率上位性QTL分析

正常水分條件下檢測到6對上位性QTL，其中蒸騰速率1對，氣孔導(dǎo)度3對，凈光合速率2對（見表4），涉及第1、2、3、7、8、11號染色體，單個上位性位點貢獻率為3.24%～17.17%。6對上位性QTL中，3對是親本型起增效效應(yīng)，另外3對是重組型起增效效應(yīng)。干旱脅迫下共檢測到6對上位性作用位點，其中蒸騰速率3對，氣孔導(dǎo)度2對，凈光合速率1對（見表4），分別位于1、2、4、5、6、7、9、11號染色體，單個貢獻率6.28%～12.99%。只有qGs-5-1-qGs-6和qE-2-qE-7-2為

親本型起增效效應(yīng)，其余則為重組型起增效效應(yīng)。干旱條件下，氣孔導(dǎo)度主效QTL qGs-11-1參與上位性互作。qGs-11-2作為上位性QTL同時參與水旱兩環(huán)境下的上位性互作，說明加性效應(yīng)和上位性效應(yīng)同時控制氣孔導(dǎo)度表型變異，以及非等位基因間互作的復(fù)雜性。

表3 水旱條件下蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、凈光合速率加性QTLTable 3Additive QTLs for stomatal conductance,photosynthetic rate,and transpiration rate under two water conditions

表4 水旱條件下蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、凈光合速率上位性QTLTable 4Epistatic QTLs for stomatal conductance,photosynthetic rate,and transpiration rate under two water conditions

圖2 水旱條件下蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、凈光合速率加性QTL在連鎖圖譜上位置Fig.2QTL position for transpiration rate(E),stomatal conductance(Gs)and net photosynthetic rate(Pn), on the genetic linkage groups under two water conditions

3 討論

研究結(jié)果顯示，干旱脅迫下水稻劍葉蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和凈光合速率表型值相對正常水分條件均呈下降趨勢，且三者互為正相關(guān)，和前人研究結(jié)果一致[10、18-19]。說明植株在干旱逆境下生長受到抑制，但蒸騰與光合協(xié)同作用代謝途徑互通3個性狀聯(lián)系緊密。近年來由于分子標記技術(shù)迅速發(fā)展，育種工作者對水稻蒸騰與光合分子遺傳也有一定研究。張強等利用日本晴和kasalath構(gòu)建的BC1F5群體檢測到控制蒸騰速率的QTL qPn-6和凈光合速率QTL qTr-10[10]。Teng等通過DH群體檢測到1個QTL與氣孔導(dǎo)度相關(guān)，位于第4染色體上標記Y34LCDO456間[20]。Hu等以CSSL群體為材料，發(fā)現(xiàn)3個QTL與水稻劍葉凈光合速率有關(guān)，位于第3、4、5號染色體上，1個QTL與水稻劍葉蒸騰速率有關(guān)，位于第1染色體的標記C970附近[21]。本研究利用大田模擬實際生產(chǎn)中的干旱災(zāi)害，在水旱條件下共定位到13個加性QTL，分布于2、3、5、6、7、9、11號染色體，可解釋3.83%～10.85%表型變異。同時定位到12對上位性QTL，除第10號染色體均有分布，貢獻率為3.24%～17.17%。干旱條件下檢測到的蒸騰速率QTL qE-9-2和氣孔導(dǎo)度QTL qGs-9位于同一區(qū)間RM1328-RM409，且在水旱條件下蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度表型值均呈正相關(guān)，說明該區(qū)間很可能存在1個或多個控制兩性狀的基因。此外，該區(qū)間還包含通過調(diào)控葉片遠軸面厚壁組織細胞的程序化死亡控制水稻葉片卷曲的抗旱相關(guān)基因SLL1[22]，同時與張強等[10]定位的凈光合速率上位性QTL qPn9-3位置重合。揭示水稻光合作用相關(guān)的分子遺傳網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性和協(xié)同性，也從一定程度上證實qE-9-2，qGs-9準確性，而RM1328-RM409對水稻劍葉蒸騰速率，氣孔導(dǎo)度以及蒸騰，光合相關(guān)基因精細定位、分離與克隆有一定參考價值。在水旱兩種條件下凈光合速率遺傳分析中，分別只檢測到qPn-6-1一個QTL，且兩條件下加性效應(yīng)一致，增效等位基因均來自抗旱親本小白粳子，且干旱條件下加性效應(yīng)和貢獻率（1.37，10.35%）均高于正常水分（1.07，4.95%）。說明qPn-6-1是不受環(huán)境影響穩(wěn)定表達的QTL，且在干旱脅迫下更活躍。此外，qPn-6-1與興旺等定位到的單株有效穗數(shù)QPN-6-1位置重合[23]，這可能是一因多效或緊密連鎖引起。同時該區(qū)間內(nèi)還包含1個調(diào)控籽粒淀粉和葉綠體大小基因SSG6，暗示qPn-6-1可能與水稻干物質(zhì)積累及產(chǎn)量形成有一定聯(lián)系，應(yīng)進一步研究。目前水稻劍葉光合速率QTL研究較少[10-11，20]。本研究中僅在第6染色體定位到凈光合速率QTL，與Teng和張強結(jié)果一致，但與胡頌平等結(jié)果不同，可能是由于所用群體和分子標記種類不同造成?？梢酝茰y，水稻第6號染色體與其光合速率遺傳變異密不可分。本研究中qE-6和Xing等在2013年定位到的單株產(chǎn)量QTL qYP-6-2位置完全重合[16]；qE-9-3和張強等報道的劍葉全氮含量QTL qTLN-9-10處于同一區(qū)間[10]；qGs-11-1與胡茂龍等定位到的qTLN-11有共用區(qū)間[26]。具有不同功能的QTL同時存在或共用同一區(qū)間，說明其可能緊密連鎖或這些區(qū)間存在一因多效。光合相關(guān)性狀遺傳網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性尚需進一步探索。

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Analysis of quantitative trait loci for photosynthetic and transpiration traits of flag leaf in rice

ZOU Detang,WANG Jiangxu,WANG Jingguo,LIU Hualong,SUN Jian,LI Chengxin,LI Chenxu,ZHAO Hongwei(School of Agriculture,Northeast Agricultural University, Haribin 150030,China)

Take a F9RIL contain 207 lines derived from the upland rice XJ and drought sensitive variety K131 to do the phenotype and genetic analysis of transpiration rate,stomatal conductance and photosynthetic rate under normal irrigation and drought stress.The results showed that transpiration rate, stomatal conductance and net photosynthetic rate were positively correlated under both water conditions. Total 13 additive QTLs distributed on chrimosome 2,3,5,6,7,9,11 were detected under both water conditions,and 68.7%of the phenotypic variation were explained.Total 12 epistatic pairs were detected and could explain 106.2%of the phenotypic variation which distributed on all of the chrimosomes except the 10th. qE-9-2 andqGS-9 were located in the same interval RM1328-RM409.Only one QTLqPn-6-1 could be detected for Pn under both water condirions whose additive effects and contributions under drought stress were all higher than that under normal irrigation.The locations ofqE-9-2,qGs-9,qPn-6-1,qE-6,qE-9-3 and qGs-11-1 were nearby or coincided with previously reported genes.

rice;drought stress;photosynthetic rate;transpiration rate;stomatal conductance;QTL

S511

A

1005-9369（2016）10-0001-08

時間2016-10-26 16:28:00[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20161026.1628.002.html

2016-07-22

黑龍江省重大科技招標項目(GA14B102)；黑龍江省糧食產(chǎn)能提升協(xié)同創(chuàng)新中心項目

鄒德堂（1965-），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向為水稻遺傳育種。E-mail:zoudt@163.com