利用重測序染色體片段代換系群體定位水稻籽粒長寬比QTL

衛(wèi)純潔 陶亞軍 范方軍

摘要：水稻籽粒長寬比是影響水稻品質(zhì)和產(chǎn)量的重要農(nóng)藝性狀之一，是由多基因控制的數(shù)量性狀。染色體片段代換系由于可以減少分離群體中個體間遺傳背景的干擾，已成為定位和克隆復雜性狀QTL的重要材料。本研究利用以秈稻品種9311為背景、以粳稻品種日本晴為代換片段構(gòu)建的128個經(jīng)過2代重測序的染色體片段代換系群體作為試驗材料，利用多元回歸，結(jié)合Bin-map圖譜，定位到了4個控制水稻籽粒長寬比的QTL。其中，qLWR2.1被定位在第2染色體上的 812 145 bp 區(qū)間內(nèi)，加性效應值為-0.04，加性效應百分率為-1.12%;qLWR2.2被定位在第2染色體上的324 166 bp區(qū)間內(nèi)，加性效應值為0.17，加性效應百分率為4.14%;qLWR3.1被定位在第3染色體上的17 825 bp區(qū)間內(nèi)，加性效應值為-0.25，加性效應百分率為-7.73%;qLWR11.1被定位在第11染色體上的945 168 bp區(qū)間內(nèi)，加性效應值為0.21，加性效應百分率為5.15%。本研究結(jié)果為精細定位并克隆相應QTL，進而探明水稻籽粒長寬比QTL的分子調(diào)控機制奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：水稻;染色體片段代換系;重測序;籽粒長寬比;QTL定位

中圖分類號：S511.01?? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2020）06-0036-05

水稻的粒形是一個與水稻產(chǎn)量和品質(zhì)都存在密切關(guān)系的重要性狀，由粒長、粒寬、粒厚以及長寬比構(gòu)成。水稻粒形遺傳機制十分復雜，是受多基因控制的數(shù)量性狀[1-4]。目前，不同研究者利用各種分離群體，已經(jīng)定位了400多個水稻粒形相關(guān)QTLs，這些QTLs分布在水稻12條染色體上。粒形的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡也非常復雜[5-6]，主要涉及植物激素、MAPK信號、泛素-蛋白酶體通路、表觀修飾和G-蛋白信號等分子路徑。油菜素內(nèi)脂（BR）不僅可以調(diào)控水稻的生長發(fā)育，還可以控制水稻粒形。BR生物合成中的關(guān)鍵基因D11發(fā)生突變后，其突變體d11表現(xiàn)為植株矮化，谷粒小且圓[7-8]，過量表達該基因可以增加粒長和粒寬，并通過增加種子中糖積累以提高粒質(zhì)量[9]。D2/SMG11同樣與BR合成有關(guān)，也可以調(diào)控水稻籽粒大小[10]。參與BR信號轉(zhuǎn)導的基因也可以影響籽粒體積，如OsBRI1[11]、GS6[12]、BU1[13]、OsBZR1[14]、BAK1[15]等。除BR以外，參與調(diào)控生長素平衡的基因TGW6[16]、參與生長素響應的基因BG1[17]等也可以調(diào)節(jié)籽粒大小。水稻G蛋白由α、β、γ 3個亞基組成，調(diào)控多個信號轉(zhuǎn)導過程。α亞基功能缺失突變體d-1表現(xiàn)為矮稈小粒[18];β亞基基因RGB1表達量降低也可以導致籽粒變小[19-20];GS3是第1個被克隆的負調(diào)控粒長的QTL，它編碼G蛋白γ亞基[21-23]。最近，李云海課題組在MAPK信號如何影響粒形方面提出了多個調(diào)控模型[24-25]。

雖然目前已經(jīng)定位和克隆了多個控制水稻籽粒大小的QTLs，但是至今沒有控制水稻籽粒長寬比的QTL被精細定位和克隆。染色體片段代換系是通過連續(xù)回交結(jié)合分子標記輔助選擇的方法，在受體親本中導入供體親本的染色體片段，因此，避免了分離群體內(nèi)遺傳背景的干擾，可以將復雜的QTL位點分解為幾個甚至單一位點，已被廣泛應用到復雜性狀QTL精細定位與克隆研究中。但由于分子標記數(shù)量有限、在不同染色體上分布不均勻以及雙交換等問題的存在，利用分子標記輔助選擇構(gòu)建的染色體片段代換系會存在小片段漏檢從而使得QTL定位不準確的問題。筆者所在實驗室在前期研究中，構(gòu)建了以秈稻品種9311為背景、粳稻品種日本晴為代換片段的128個染色體單片段代換系群體，并通過2代高通量重測序技術(shù)對該套群體進行測序[26]，導入片段的大小和位置準確可知。本研究利用這一套重測序的染色體片段代換系，定位了4個控制水稻籽粒長寬比的QTLs，為進一步精細定位并克隆相應的QTL和育種利用研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗材料包括：秈稻品種9311，粳稻品種日本晴，以9311為背景、日本晴為替換片段的128個代染色體片段代換系群體。利用全基因組2代高通量測序技術(shù)，參考Huang等的方法[27]，對染色體片段代換系群體重測序，明確128個代換系的代換片段在染色體上的精確位置和代換片段帶型，代換片段覆蓋水稻全基因組的93.3%。

1.2 試驗方法

2017年5月11日在江蘇省南京市采用旱育秧的方式播種試驗材料。秧齡30 d后移栽，按照 26.7 cm×13.3 cm的行、株距每個代換系栽4行，每行15株。采用粳稻常規(guī)大田肥水管理和病蟲草害防治方法。成熟后，每個代換系挑選中間長勢正常的5株混收，每個代換系隨機選取成熟飽滿的10粒種子，測定粒長、粒寬和粒厚，以平均值作為性狀的表型值。

1.3 QTLs分析

參考Paran等的方法[28]，根據(jù)染色體片段代換系群體的Bin信息繪制覆蓋基因組的Bin-map。128個代換系共包括401個Bin，命名為X1～X401，其中最小Bin的片段長度為13 213 bp，最大Bin的片段長度為10 654 035 bp，平均長度為889 652 bp。參考Xu等的方法[26]，采用多元回歸的方法，進行QTL的精確定位，回歸模型如下：

yi=b0+∑mk=1bkxik+ei。

式中：yi為第i系的性狀平均值;b0為模型均值;m是Bin的總數(shù);bk為第k個Bin的偏回歸系數(shù);xik為第i個體第k個Bin基因型的指示變量，依Bin的基因型來源不同而取值，來自供體的Bin取-1，來自受體親本的Bin取1;ei為隨機誤差。

1.4 QTLs效應分析

QTL加性效應值的計算，參照Eshed等的方法[29]估算各個QTL的加性效應值及加性效應貢獻率。

加性效應值=（片段代換系的表型值-9311的表型值）/2;

加性效應百分率=（加性效應值/9311的表型值）×100%。

QTL的命名依照McCouch制定的原則[30]。

2 結(jié)果與分析

2.1 親本及128個染色體片段代換系籽粒的長寬比

128個染色體片段代換系的長寬比為3.17～4.28，受體親本9311的長寬比為3.66±0.11，供體親本日本晴的長寬比為2.37±0.09（圖1），親本間長寬比差異達到極顯著水平（P<0.01）。

2.2 籽粒長寬比QTL分析

利用128個染色體片段代換系和受體親本9311籽粒長寬比的表型數(shù)據(jù)，通過Bin-map進行QTL定位的方法，在Bin X66、X77、X137、X374上定位到4個籽粒長寬比的QTLs（表1），分別位于水稻的第2、2、3和11號染色體上。其中，qLWR2.1被定位在812 145 bp區(qū)段上;qLWR2.2被定位在 324 166 bp 區(qū)段上;qLWR 3.1被定位在17 825 bp區(qū)段上;qLWR11.1被定位在945 168 bp區(qū)段上。

2.3 籽粒長寬比QTL效應分析

對128個重測序片段進行分析，獲得了4個長寬比QTLs的單片段代換系。利用這個4個染色體單片段代換系對QTL效應進行分析，結(jié)果（表2）表明，qLWR2.1表現(xiàn)為減效作用，加性效應為-0.04，加性效應百分率為-1.12%;qLWR2.2表現(xiàn)為增效作用，加性效應為0.17，加性效應百分率為4.14%;qLWR 3.1表現(xiàn)為減效作用，加性效應為-0.25，加性效應百分率為-7.73%;qLWR11.1表現(xiàn)為增效作用，加性效應為0.21，加性效應百分率為5.15%。

3 討論與結(jié)論

隨著人們對稻米品質(zhì)要求的提高，品質(zhì)改良已經(jīng)成為水稻最重要的育種目標之一。稻米的品質(zhì)主要包括外觀品質(zhì)、加工品質(zhì)、蒸煮食味品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)。水稻粒形是與外觀品質(zhì)、加工品質(zhì)、蒸煮食味品質(zhì)都存在著密切的關(guān)系的重要性狀[31-32]。水稻粒形遺傳機制復雜，是受多基因控制的數(shù)量性狀。在籽粒長寬比相關(guān)QTL定位研究方面，邢永忠等利用珍汕97與明恢63的重組自交系群體檢測到了5個長寬比相關(guān)的QTLs，分別位于水稻第1、1、3、5、6號染色體，這5個QTLs共解釋長寬比變異的57.47%[2]。嚴長杰等利用Balilla為輪回親本、NTH為供體親本的回交群體為材料，結(jié)合其遺傳圖譜定位了qLW-2、qLW-6和qLW-7 3個長寬比相關(guān)位點，3個QTLs的貢獻率分別為12.7%、11.5%和18.3%[33]。張光恒等以窄葉青和京系17構(gòu)建的DH群體，在北京、杭州、海南等3種環(huán)境下定位了6個控制長寬比的QTLs，分別位于水稻第1、2、3、4和6號染色體，貢獻率為9.7%～22.7%，其中5個QTLs能夠在2個及以上環(huán)境被檢測到[34]。陳冰嬬等利用蜀恢527為輪回親本、Milagrosa為供體親本構(gòu)建的BC2F2高代回交群體定位了2個長寬比QTLs，均位于水稻第3號染色體上，分別解釋了 5.05% 和26.15%的表型變異[35]。通過這些傳統(tǒng)的次級遺傳群體對目標QTL進行鑒定之后，由于定位群體本身遺傳背景的干擾、QTL之間的互作加上環(huán)境條件的影響，造成QTL定位結(jié)果不準確，年際間重復性差，因此很難再進行QTL的精細定位和克隆工作。

染色體單片段代換系是通過受體親本和供體親本雜交并不斷回交而選育的一套遺傳背景單一、供體信息豐富的高級遺傳群體，染色體單片段代換系與受體親本之間表型的差異，有可能就是供體片段的基因型所致，因此排除了遺傳噪音干擾的染色體單片段代換系已經(jīng)成為作物復雜農(nóng)藝性狀QTL定位和克隆的理想群體。前人利用染色體片段代換系對粒形長寬比QTL定位開展了部分工作。萬向元等利用短寬粒粳稻品種Asominori為受體親本、長窄粒秈稻品種IR24為供體品種構(gòu)建了一套染色體片段代換系，多年多點對代換系的粒長、粒寬和長寬比進行了QTL定位，共定位到5個長寬比相關(guān)QTLs，其中qLWR-3、qLWR-5a和qLWR-5b在2年4點的環(huán)境中被重復檢測到，表明這3個QTLs遺傳較為穩(wěn)定，可以進一步研究利用[36]。李生強等利用秈稻品種廣陸矮4號為輪回親本、粳稻品種日本晴為供體親本構(gòu)建了一套染色體片段代換系為材料，利用多重比較的方法共定位到5個影響籽粒長寬比的QTLs[37]。

利用染色體片段代換系為材料，對水稻復雜農(nóng)藝性狀進行QTL定位，不僅提高了定位結(jié)果的準確性，而且可以直接配制分離群體進行精細定位。但是，父母本之間的遺傳多樣性以及分子標記數(shù)目的局限性，導致基于分子標記檢測代換系的遺傳背景以及供體信息往往不夠準確，容易造成QTL定位的偏差。隨著高通量測序技術(shù)的發(fā)展，對每個代換系進行全基因組重測序，可以準確獲知代換系的遺傳背景以及替換片段的遺傳信息，有目的地選擇替換片段，對于構(gòu)建覆蓋全基因組的染色體片段代換系具有重要意義。同時基于測序信息繪制覆蓋基因組的Bin-map圖譜，可以通過多元回歸的方法實現(xiàn)QTL的精細定位。本研究利用9311和日本晴構(gòu)建的128個重測序的染色體片段代換系為試驗材料進行粒形QTL分析，定位了4個水稻籽粒長寬比相關(guān)的QTLs，每一個QTL都被界定在具體的染色體區(qū)段上。根據(jù)之前構(gòu)建的物理圖譜，對本研究定位到的籽粒長寬比QTLs與前人研究結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)qLWR2.1與李生強等定位的長寬比QTL qLWR-2[37]在相同的染色體區(qū)段上;qLWR2.2與Bai等定位的長寬比QTL qLWR2[38]在相同的染色體區(qū)段上;qLWR3.1與陳冰嬬等定位的長寬比QTL qlw3b[35]、萬向元等定位的長寬比QTL qLWR3[36]、李生強等定位的長寬比QTL qLWR-3[37]、馬孟莉等定位的長寬比QTL qLWR-3[39]、Tan等定位的長寬比QTL[40]、李澤福等定位的長寬比QTL[41]在相同或者相鄰的染色體區(qū)段上，該主效QTL的效應較大，在多個群體中均能被檢測和定位到，且與第3染色體短臂上已克隆的粒形基因GS3[21]的距離較遠。本研究中的4個籽粒長寬比QTLs被定位在17.8～945.2 kb的區(qū)段內(nèi)，其中qLWR3.1被定位在第3染色體上約17.8 kb區(qū)間內(nèi)，可以直接利用帶有目標QTL的代換系與受體親本9311雜交，構(gòu)建F2及其衍生分離群體，有望快速實現(xiàn)qLWR3.1的精細定位和克隆，為進一步探明該主效QTL的調(diào)控機制奠定基礎(chǔ)。本研究也進一步證明了重測序染色體片段代換系群體在QTL鑒定和定位方面的優(yōu)勢。

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