水稻苗期根部性狀的遺傳分析和最長(zhǎng)根長(zhǎng)QTL qLRL4的精細(xì)定位

田 彪 丁仕林 劉朝雷 阮班普 姜洪真 郭 銳 董國(guó)軍 胡光蓮 郭龍彪 錢(qián) 前 高振宇

水稻苗期根部性狀的遺傳分析和最長(zhǎng)根長(zhǎng)QTL的精細(xì)定位

田 彪 丁仕林 劉朝雷 阮班普 姜洪真 郭 銳 董國(guó)軍 胡光蓮 郭龍彪 錢(qián) 前 高振宇*

中國(guó)水稻研究所, 浙江杭州 310006

為了解析水培苗期根系相關(guān)性狀的遺傳調(diào)控, 以秈稻9311和粳稻日本晴(Nipponbare, NPB)為親本的148個(gè)株系構(gòu)成的重組自交系群體為材料, 對(duì)水稻幼苗根系相關(guān)性狀開(kāi)展QTL分析。在2次重復(fù)中共檢測(cè)到26個(gè)控制最長(zhǎng)根長(zhǎng)、總根系長(zhǎng)、根表面積、根體積和根直徑的QTL, 分布在水稻第1、2、4、7、9、10、11號(hào)共7條染色體上, 發(fā)現(xiàn)了水稻第2、4、7和10號(hào)染色體上的4個(gè)QTL簇, 包括第4號(hào)染色體上控制最長(zhǎng)根長(zhǎng)的QTL。為了精細(xì)定位該QTL, 我們構(gòu)建了以9311為背景、插入缺失標(biāo)記IND4-1和IND4-4間來(lái)自NPB的近等系NIL-。利用NIL-和9311構(gòu)建的F2群體, 最終將精細(xì)定位在標(biāo)記IND4-1和IND4-3之間約68.23 kb的區(qū)間內(nèi)并預(yù)測(cè)了候選基因。此根長(zhǎng)QTL的精細(xì)定位將有助于水稻根長(zhǎng)遺傳機(jī)理的研究, 為探究水稻根系形態(tài)建成的分子機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

水稻; 根部性狀; 最長(zhǎng)根長(zhǎng);; 精細(xì)定位

水稻是人類最主要的糧食作物之一[1], 而根系作為水稻主要的器官, 具有固定水分、吸收養(yǎng)分、合成與分泌激素、酶和有機(jī)酸等功能[2]。雖然根系研究與其他性狀相比相對(duì)薄弱[3], 但是植物學(xué)家對(duì)根系相關(guān)性狀已開(kāi)展了大量遺傳研究。徐吉臣等[4]以窄葉青8號(hào)和京系17的F1代花培加倍的127個(gè)雙單倍體(double haploid, DH)群體為材料, 測(cè)定了營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)條件下親本及DH株系的最大根長(zhǎng)、根干重和根莖干重比, 檢測(cè)到4個(gè)最大根長(zhǎng)QTL, 分別位于第2、4、9、10號(hào)染色體; 檢測(cè)到水稻第2號(hào)染色體的1個(gè)根干重QTL; 根莖干重比共檢測(cè)到3個(gè)QTL, 分別位于第3、5、6號(hào)染色體上。滕勝等[5]和胡興明等[6]也用相同群體進(jìn)行了根部性狀的QTL分析。前者在抽穗期對(duì)根系活力進(jìn)行QTL分析, 在第4號(hào)染色體的分子標(biāo)記RG449和RG809間檢測(cè)到1個(gè)QTL ()。后者對(duì)水稻苗期發(fā)根力進(jìn)行了QTL和上位性分析, 在水稻第3號(hào)染色體的C63~CT125之間檢測(cè)到1個(gè)發(fā)根力主效QTL; 同時(shí)檢測(cè)到影響水稻發(fā)根力的5對(duì)上位性效應(yīng)基因座, 分別位于第2、3、5、6、7、12號(hào)染色體上, 其中影響根長(zhǎng)和根數(shù)的上位性效應(yīng)各有2對(duì)QTL, 有一對(duì)QTL同時(shí)影響根長(zhǎng)和根數(shù)。迄今, 國(guó)內(nèi)外科學(xué)家已定位了多個(gè)水稻根長(zhǎng)相關(guān)QTL。Mitsuhiro等[7]用粳稻品種Koshihikari和秈稻品種Kasalath雜交和回交得到的38個(gè)染色體片段替代系(CSSL)檢測(cè)生長(zhǎng)在5mmmol L–1或500mmmol L–1NH4+中的水稻幼苗根長(zhǎng)QTL, 共檢測(cè)到8個(gè)QTL, 分別位于第1、2、4、6、8、11和12號(hào)染色體, 并將6號(hào)染色體的根長(zhǎng)主效QTL精細(xì)定位在長(zhǎng)臂337 kb區(qū)間內(nèi)。王汝慈等[8]利用協(xié)青早Ｂ與中恢9308雜交構(gòu)建的RIL群體在水稻第4號(hào)染色體長(zhǎng)臂的分子標(biāo)記RM307與RM1205之間定位到一QTL簇, 控制不同時(shí)期的相對(duì)根長(zhǎng)、相對(duì)根冠比、相對(duì)根干質(zhì)量等性狀, 其中包括控制水稻根長(zhǎng)的主效QTL——。Obara等[9]以水稻W(wǎng)AB56-104和NERICA7品系的雜交F2群體為材料, 在高NH4+環(huán)境下于水稻第1號(hào)染色體檢測(cè)到2個(gè)水稻根長(zhǎng)相關(guān)QTL, 分別命名為和, 其中的定位區(qū)間進(jìn)一步縮小至0.7 Mb。Kitomi等[10]為了鑒定與水稻最大根長(zhǎng)相關(guān)的基因組區(qū)間, 用來(lái)自IR64和KinandangPatong間雜交回交得到的26個(gè)CSSL進(jìn)行QTL分析, 得到2個(gè)最大根長(zhǎng)QTL: 2號(hào)染色體的和6號(hào)染色體的。將精細(xì)定位在SSR標(biāo)記RM5651和RM6107之間的1.7 Mb區(qū)間, 將定位在SSR標(biāo)記RM20495和RM3430-1之間884 kb的區(qū)間。到目前為止, 科學(xué)家已成功克隆了一些控制水稻根系性狀的基因[11-12], 如[13]和[14]基因調(diào)控水稻根長(zhǎng),[15]基因影響冠狀根的發(fā)生和不定根的形成,[16]基因影響不定根的形成,[17]基因促進(jìn)冠根的起始和伸長(zhǎng),[18]和[19]基因影響不定根的的數(shù)目和長(zhǎng)度,[20]基因抑制初生根的發(fā)育,[21]基因控制側(cè)根發(fā)生。為了深入了解水稻根系性狀的遺傳基礎(chǔ), 我們以9311和日本晴(Nipponbare, NPB)構(gòu)建的重組自交系(recombinant inbred lines, RIL)群體為材料, 利用水培技術(shù)和數(shù)量遺傳學(xué)手段對(duì)水稻根系性狀相關(guān)QTL進(jìn)行了分析和鑒定。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

研究采用秈稻品種9311和粳稻品種NPB雜交獲得的148個(gè)株系構(gòu)成的RIL群體。我們選擇了區(qū)域具有NPB基因型的RIL與親本9311回交, 并在插入缺失(InDel)標(biāo)記IND4-1和IND4-4之間選擇目標(biāo)QTL區(qū)域攜帶NPB純合等位基因的近等基因系(near isogenic lines, NIL) NIL-。

1.2 試驗(yàn)方法

在黑暗條件下, 水稻種子于37°C去離子水中浸泡2 d, 然后轉(zhuǎn)移至漂浮在去離子水上的網(wǎng)格, 培養(yǎng)3 d。將幼苗培養(yǎng)在正常濃度的Kimura B營(yíng)養(yǎng)液中(pH 5.4), 每3 d更換一次營(yíng)養(yǎng)液。然后, 將幼苗轉(zhuǎn)移至30°C溫室中培養(yǎng)21 d, 用尺子測(cè)量5株幼苗的主根長(zhǎng), 然后用i800掃描儀掃描總根長(zhǎng), 用LA-S根分析系統(tǒng)(萬(wàn)深, 中國(guó)杭州)進(jìn)行分析。用亞甲基藍(lán)比色法(Leagene, 中國(guó)北京)測(cè)定根系活性(總吸收面積和比表面積), 每3株幼苗為1次重復(fù), 3個(gè)重復(fù), 總體進(jìn)行2次重復(fù)實(shí)驗(yàn), 記為重復(fù)I (Repeat I)和重復(fù)II (Repeat II)。

用均勻分布于水稻12條染色體的166個(gè)在9311和NPB之間存在多態(tài)的SSR和STS標(biāo)記構(gòu)建了RIL群體的遺傳連鎖圖譜。使用MultiQTL軟件(www. multiqtl.com)對(duì)RIL群體采用最大似然區(qū)間映射方法進(jìn)行QTL分析, 根據(jù)每個(gè)數(shù)據(jù)集的排列測(cè)試(1000個(gè)排列,=0.05)獲得LOD閾值。根據(jù)McCouch等[22]的方法命名QTL。利用Microsoft Excel軟件分析根部形狀的表型值與頻數(shù)分布, 并繪制相關(guān)圖表; 利用IBM SPSS Statistics 24軟件進(jìn)行顯著性差異檢驗(yàn)和相關(guān)性分析。

通過(guò)近等系NIL-與9311的雜交和自交, 構(gòu)建了用于精細(xì)定位的830個(gè)植株構(gòu)成的F2群體, 測(cè)量了單株根長(zhǎng)表型, 在已定位的區(qū)間內(nèi)開(kāi)發(fā)了4個(gè)InDel標(biāo)記(表1)檢測(cè)單株基因型, 用于的精細(xì)定位。

表1 qLRL4精細(xì)定位的InDel標(biāo)記引物

采用Axygen公司的AxyPrep總RNA小量制備試劑盒(AP-MD-MS-RNA-50)提取9311、NPB和NIL-的根部RNA并使用TOYOBO公司的cDNA逆轉(zhuǎn)錄試劑盒(fsq-101)反轉(zhuǎn)錄得到cDNA后, 用候選基因引物和內(nèi)參引物(表2)在ABI7900HT Real-time PCR儀上對(duì)樣品的候選基因表達(dá)量進(jìn)行相對(duì)定量檢測(cè)。

表2 候選基因?qū)崟r(shí)定量PCR引物

2 結(jié)果與分析

2.1 9311、NPB及其RIL群體的根系性狀

親本9311和NPB之間的根系形態(tài)存在顯著差異(表3和圖1)。9311的最長(zhǎng)根長(zhǎng)(the longest root length, LRL)、總根系長(zhǎng)(total root length, TRL)、根表面積(root surface area, RSA)、根體積(root volume, RV)和根直徑(root diameter, RD)均顯著大于NPB?？疾?311和NPB構(gòu)建的RIL群體的最長(zhǎng)根長(zhǎng)、總根系長(zhǎng)、根表面積、根體積和根直徑這5個(gè)性狀, 統(tǒng)計(jì)2次重復(fù)的平均值, 最長(zhǎng)根長(zhǎng)為14.8 cm和14.3 cm, 總根系長(zhǎng)為296.35 cm和331.61 cm, 根表面積為25.26 cm2和25.62 cm2, 根體積為0.22 cm3和0.26 cm3, 根直徑為0.25 mm和0.23 mm。RIL的5個(gè)性狀與兩親本相比, 最長(zhǎng)根長(zhǎng)和平均直徑均小于兩親本。RIL的平均總根系長(zhǎng)、根表面積和根體積介于NPB和9311之間(表4)。在2次重復(fù)中, 5個(gè)根系性狀在RIL群體中均呈連續(xù)正態(tài)分布(圖2), 且大部分呈現(xiàn)出明顯的超親分離, 表明這些性狀由多基因控制, 適合進(jìn)行QTL分析。2次重復(fù)之間比較后發(fā)現(xiàn), 重復(fù)I和重復(fù)II的最長(zhǎng)根長(zhǎng)、根表面積和根體積的分布范圍基本一致。然而, 重復(fù)I的總根長(zhǎng)和平均直徑的變化范圍大于重復(fù)II。

2.2 RIL群體各根系性狀間的相關(guān)性分析

將RIL群體各根系性狀進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)(表5), 在重復(fù)I中, 最長(zhǎng)根長(zhǎng)與總根系長(zhǎng)、根表面積、根體積均呈顯著正相關(guān), 相關(guān)系數(shù)為0.359~0.399, 與根直徑?jīng)]有顯著相關(guān)性?？偢甸L(zhǎng)與根表面積和根體積的相關(guān)系數(shù)為0.946和0.859, 遠(yuǎn)大于與最長(zhǎng)根長(zhǎng)和根直徑的0.359和0.408。同樣, 根表面積與根體積間具有顯著相關(guān)性?？偟膩?lái)說(shuō), 這5個(gè)性狀, 最長(zhǎng)根長(zhǎng)與根直徑?jīng)]有顯著的相關(guān)性, 其他性狀之間都存在顯著正相關(guān)。而在重復(fù)II中, 最長(zhǎng)根長(zhǎng)與其他4個(gè)性狀間均無(wú)明顯相關(guān)性, 其他性狀相互之間都存在顯著正相關(guān)。

NPB: 日本晴; 標(biāo)尺為3 cm。NPB: Nipponbare; Bar: 3 cm.

2.3 RIL群體根系性狀的QTL分析

利用一些SSR和STS標(biāo)記引物進(jìn)行QTL定位(表6), 然后對(duì)9311和NPB構(gòu)建的RIL群體的最長(zhǎng)根長(zhǎng)、總根系長(zhǎng)、根表面積、根體積和根直徑這5個(gè)性狀進(jìn)行QTL分析(圖3和表7)。重復(fù)I共檢測(cè)到15個(gè)QTL, 分布在水稻第1、2、4、7、10和11染色體上?？刂谱铋L(zhǎng)根長(zhǎng)的QTL有3個(gè), 分布在第1、4和10號(hào)染色體, 變異貢獻(xiàn)率幅度為4.8%~10.3%。其中, 貢獻(xiàn)率超過(guò)5%的位點(diǎn)有2個(gè):和, 貢獻(xiàn)率分別為10.3%和6.3%, 前者效應(yīng)來(lái)自NPB, 后者效應(yīng)來(lái)自9311。我們檢測(cè)到控制總根系長(zhǎng)的QTL 4個(gè), 分布在水稻第1、2、7和11號(hào)染色體上, LOD值為2.92~8.47。這些QTL的表型變異貢獻(xiàn)率均超過(guò)5%, 幅度為7.8%~42.5%。的效應(yīng)來(lái)自NPB, 其余3個(gè)QTL的效應(yīng)來(lái)自9311?？刂聘砻娣e的QTL有3個(gè), 分布于水稻第2、7和11號(hào)染色體, 3個(gè)QTL的表型變異貢獻(xiàn)率均超過(guò)5%?？刂聘w積的QTL有4個(gè), 分布于水稻第2、7、10和11號(hào)染色體, 貢獻(xiàn)率(除外)都超過(guò)5%。控制根直徑的QTL有2個(gè), 分布在水稻第1和4號(hào)染色體, 這2個(gè)QTL的貢獻(xiàn)率均超過(guò)5%。的效應(yīng)來(lái)自9311,的效應(yīng)來(lái)自NPB。

NPB: 日本晴; 倒三角指示親本的平均值; LRL: 最長(zhǎng)根長(zhǎng); TRL: 總根系長(zhǎng); RSV: 根表面積; RV: 根體積; RD: 根直徑。

NPB: Nipponbare; the inverted triangle indicates the average value of the parent. LRL: the longest root length; TRL: total root length; RSV: root surface area; RV: root volume; RD: root diameter.

表3 9311和NPB的根系性狀

NPB: 日本晴; 值表示均值± SD;**表示達(dá)0.01顯著水平差異。LRL: 最長(zhǎng)根長(zhǎng); TRL: 總根系長(zhǎng); RSV: 根表面積; RV: 根體積; RD: 根直徑。

NPB: Nipponbare; values represent means ± SD;**indicates significant difference at the 0.01 probability level. LRL: the longest root length; TRL: total root length; RSV: root surface area; RV: root volume; RD: root diameter.

表4 RIL群體的根系性狀

LRL: 最長(zhǎng)根長(zhǎng); TRL: 總根系長(zhǎng); RSV: 根表面積; RV: 根體積; RD: 根直徑。

LRL: the longest root length; TRL: total root length; RSV: root surface area; RV: root volume; RD: root diameter.

表5 RIL群體根系性狀間的相關(guān)系數(shù)

**表示0.01顯著水平相關(guān)。LRL: 最長(zhǎng)根長(zhǎng); TRL: 總根系長(zhǎng); RSV: 根表面積; RV: 根體積; RD: 根直徑。

**indicates significant difference at the 0.01 probability level. LRL: the longest root length; TRL: total root length; RSV: root surface area; RV: root volume; RD: root diameter.

表6 QTL定位的SSR和STS標(biāo)記引物

(續(xù)表6)

表7 RIL群體的根系性狀QTL

(續(xù)表7)

LRL: 最長(zhǎng)根長(zhǎng); TRL: 總根系長(zhǎng); RSV: 根表面積; RV: 根體積; RD: 根直徑。

LRL: the longest root length; TRL: total root length; RSV: root surface area; RV: root volume; RD: root diameter.

每條染色體的左邊列出為分子標(biāo)記。

Molecular markers for QTLs are listed on the left along each chromosome.

重復(fù)II共檢測(cè)到11個(gè)QTL, 分布在第1、2、4、7、9、10和11號(hào)染色體上。我們只在4號(hào)染色體上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)控制最長(zhǎng)根長(zhǎng)的QTL, 貢獻(xiàn)率為8.3%, 加性效應(yīng)來(lái)自于9311?？刂瓶偢L(zhǎng)的QTL有4個(gè), 分布在水稻第1、7、9和11號(hào)染色體上, LOD值為6.95~16.84。這些QTL的表型變異貢獻(xiàn)率均超過(guò)5%, 幅度為11.7%~24.7%。和的效應(yīng)來(lái)自NPB, 其余2個(gè)QTL的效應(yīng)來(lái)自9311?？刂聘砻娣e的QTL有3個(gè), 分布于水稻第2、7和11號(hào)染色體, 3個(gè)QTL的表型變異貢獻(xiàn)率均超過(guò)5%?？刂聘w積的QTL有1個(gè), 在10號(hào)染色體上?？刂聘睆降腝TL有2個(gè), 分布在水稻第4和11號(hào)染色體, 這2個(gè)QTL的貢獻(xiàn)率均超過(guò)5%。其中,的效應(yīng)來(lái)自NPB,的效應(yīng)來(lái)自9311。

對(duì)2個(gè)重復(fù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn), 有5個(gè)控制相同性狀的QTL在同一位置被重復(fù)檢測(cè)到。包括4號(hào)染色體上的和, 7號(hào)染色體上的, 10號(hào)染色體上的和11號(hào)染色體上的。、、和這4個(gè)QTL的效應(yīng)在2個(gè)重復(fù)中均來(lái)自9311, 說(shuō)明RIL的最長(zhǎng)根長(zhǎng)、根表面積和根體積的正效應(yīng)來(lái)自9311等位型。的效應(yīng)在2個(gè)重復(fù)中來(lái)自NPB, 說(shuō)明RIL根直徑受NPB等位型的正調(diào)控。綜合2個(gè)重復(fù)鑒定的QTL來(lái)看, 在7條染色體上共分布有4個(gè)QTL簇, 分別位于水稻第2、4、7和10號(hào)染色體, 只有4號(hào)染色體上檢測(cè)到的最長(zhǎng)根長(zhǎng)和根直徑相關(guān)QTL, 在2次重復(fù)中定位的染色體相同位置。因此, 我們對(duì)QTL開(kāi)展精細(xì)定位。

2.4 最長(zhǎng)根長(zhǎng)QTL qLRL4的精細(xì)定位和候選基因確定

位于水稻第4號(hào)染色體的QTL是控制最長(zhǎng)根長(zhǎng)的QTL。9311背景下InDel標(biāo)記IND4-1和IND4-4間約158 kb來(lái)自NPB的近等系NIL與9311相比, 最長(zhǎng)根長(zhǎng)縮短, 根直徑略微變大, 總吸收面積和活躍吸收面積減少, 其他性狀基本無(wú)變化(圖4和表8)。利用近等系NIL-和9311構(gòu)建的大規(guī)模F2群體, 結(jié)合個(gè)體的InDel標(biāo)記基因型和根長(zhǎng)表型, 我們進(jìn)一步精細(xì)定位這一最長(zhǎng)根長(zhǎng)QTL, 最終將其定位于標(biāo)記IND4-1和IND4-3之間約68.23 kb的物理距離內(nèi)(圖5和表1)。依據(jù)水稻基因組注釋數(shù)據(jù)庫(kù)(http://rice.plantbiology.msu.edu/ cgi-bin/gbrowse/rice/), 該區(qū)間包含了8個(gè)候選基因, 其中有7個(gè)基因存在引起氨基酸改變的單核苷酸多態(tài)(SNP)或InDel (表9)。qRT-PCR檢測(cè)8個(gè)候選基因相對(duì)表達(dá)量(圖6), 在NPB和NIL-中, 基因、和的相對(duì)表達(dá)量較9311極顯著上升; 而基因的相對(duì)表達(dá)量極顯著下降。其他4個(gè)基因除的相對(duì)表達(dá)量在NPB中極顯著上升外,、和的相對(duì)表達(dá)量在NPB 或NIL-中與9311間無(wú)顯著差異。

標(biāo)尺為3 cm。Bar: 3 cm.

3 討論

在QTL分析中, 同一染色體區(qū)間存在多個(gè)QTL控制多個(gè)根系性狀, 這可能是一因多效的作用。姜樹(shù)坤等[23]以笹錦和北陸129雜交衍生的重組自交系群體為材料, 對(duì)水稻移栽后的新生根相關(guān)性狀進(jìn)行研究, 共檢測(cè)到10個(gè)QTL, 分別控制根平均直徑、總根長(zhǎng)、平均根表面積、平均根長(zhǎng)和根數(shù)等性狀。并且對(duì)第11號(hào)染色體的分子標(biāo)記C477和G320B之間的新主效QTL——同時(shí)控制根長(zhǎng)、根表面積和根數(shù)的QTL、和進(jìn)行了驗(yàn)證。這些QTL簇體現(xiàn)了QTL的一因多效作用。由于一因多效QTL/基因的存在, 在開(kāi)展水稻分子育種時(shí), 我們可以考慮選擇單個(gè)QTL/基因同時(shí)改良多個(gè)性狀。徐曉明等[24]以超級(jí)稻協(xié)優(yōu)9308衍生的重組自交系與輪回親本中恢9308回交多代群體為材料, 采用瓊脂無(wú)土栽培技術(shù)開(kāi)展了水稻根長(zhǎng)主效QTL的精細(xì)定位, 最終將其定位在水稻第4號(hào)染色體分子標(biāo)記RM5687與InDel149之間約624.6 kb的范圍內(nèi)。我們定位的是控制最長(zhǎng)根長(zhǎng)的新QTL, 其位置與報(bào)道的在4號(hào)染色體上的位置并不相同, 這可能是所用親本和群體不同所致。幼苗期根的生長(zhǎng)為作物獲取水和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)提供了保障[25]。近等系NIL-在發(fā)芽后根的生長(zhǎng)受到抑制, 根的總吸收面積和活躍吸收面積相對(duì)9311也顯著減小(圖4和表8)。Raffaele等[26-27]在擬南芥中研究發(fā)現(xiàn), 具有較大根分生組織的突變體往往根較長(zhǎng), 而根分生組織的大小受生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素的共同調(diào)節(jié)。水稻中已克隆了一些與根發(fā)育相關(guān)的基因, 例如基因調(diào)控不定根的數(shù)目[15],基因調(diào)控不定根的數(shù)目與長(zhǎng)短[18],基因調(diào)控側(cè)根和不定根的數(shù)量[28],通過(guò)根系與乙烯的特異性反應(yīng)來(lái)影響根的生長(zhǎng)發(fā)育[29]。調(diào)控水稻根長(zhǎng)的基因也有報(bào)道,基因影響水稻主根長(zhǎng)短[30];基因通過(guò)外源性蔗糖、葡萄糖和果糖的調(diào)控影響水稻根系的長(zhǎng)短[13];基因通過(guò)影響根細(xì)胞的長(zhǎng)短與數(shù)目影響水稻根系的長(zhǎng)短[14];基因影響水稻苗期根長(zhǎng)與直徑的作用可能與ABA的感知或信號(hào)傳導(dǎo)有關(guān)[20]。我們的研究最終將最長(zhǎng)根長(zhǎng)QTL精細(xì)定位到約68.23 kb的區(qū)間內(nèi), 依據(jù)基因注釋發(fā)現(xiàn)該區(qū)間包含8個(gè)候選基因, 其中有7個(gè)基因存在引起氨基酸改變的SNP或InDel, 包括編碼水解酶、受體蛋白激酶和染色質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)因子的基因。根部轉(zhuǎn)錄水平的表達(dá)分析顯示, 4個(gè)候選基因的相對(duì)表達(dá)量在NIL-或NPB與9311之間存在顯著差異。因此, 這4個(gè)基因作為候選基因的可能性更大。當(dāng)然, 候選基因的最終確定還有待進(jìn)一步基因克隆和功能驗(yàn)證。

表8 9311和NIL-qLRL4的根系性狀和活性

**表示達(dá)0.01顯著水平差異。

**indicates significant difference at the 0.01 probability level.

被縮小到標(biāo)記IND4-1和IND4-3之間的68.23 kb區(qū)間內(nèi)。圖例的黑色條塊代表9311基因型, 白色條塊代表NPB基因型。NPB: 日本晴。最長(zhǎng)根長(zhǎng)表示為均值±標(biāo)準(zhǔn)差。*和**分別表示0.05和0.01顯著水平差異。LRL: 最長(zhǎng)根長(zhǎng)。

was narrowed down to a 68.23 kb interval defined by markers IND4-2 and IND4-3. Black box represents 9311 genotype, and white box represents NPB genotype. NPB: Nipponbare. Values represent means ± SD.*and**indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels compared with NIL-, respectively. LRL: the longest root length.

表9 qLRL4精細(xì)定位區(qū)間的候選基因和候選基因中引起氨基酸改變的序列變化

SNP和InDel為引起氨基酸改變的SNP數(shù)目和InDel數(shù)目。字母為改變的堿基, 數(shù)字為CDS上的位點(diǎn)。

SNP and InDel represent the number of SNPs and InDels that cause amino acid changes.The letters are changed bases and the numbers are positions on the CDS.

相對(duì)表達(dá)量數(shù)據(jù)為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差,= 3。**表示與9311比較達(dá)到0.01的差異顯著水平。

Data represent means ± SD of three biological replicates.**indicates significant difference at the 0.01 probability level compared with 9311.

4 結(jié)論

利用秈稻9311和粳稻日本晴為親本的RIL群體對(duì)水稻苗期根系相關(guān)性狀開(kāi)展QTL分析, 共檢測(cè)到26個(gè)控制最長(zhǎng)根長(zhǎng)、總根系長(zhǎng)、根表面積、根體積和根直徑的QTL, 發(fā)現(xiàn)水稻第2、4、7和10號(hào)染色體上的4個(gè)QTL簇, 包括第4號(hào)染色體上控制最長(zhǎng)根長(zhǎng)的QTL。精細(xì)定位將定位于InDel標(biāo)記IND4-1和IND4-3之間約68.23 kb的區(qū)間, 包含了8個(gè)候選基因。其中7個(gè)基因在親本間有引起氨基酸改變的SNP或InDel, 4個(gè)基因在近等基因系NIL-和9311之間的轉(zhuǎn)錄水平相對(duì)表達(dá)量上存在顯著差異。此最長(zhǎng)根長(zhǎng)QTL的精細(xì)定位為水稻根系發(fā)育相關(guān)基因的克隆奠定了基礎(chǔ)。

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Genetic analysis of seedling root traits and fine mapping of the QTLfor the longest root length in rice

TIAN Biao, DING Shi-Lin, LIU Chao-Lei, RUAN Ban-Pu, JIANG Hong-Zhen, GUO Rui, DONG Guo-Jun, HU Guang-Lian, GUO Long-Biao, QIAN Qian, and GAO Zhen-Yu*

China National Rice Research Institute, Hangzhou 310006, Zhejiang, China

In order to analyze the genetic basis of root traits at seedling stage, we performed QTL analysis of root morphology with 148 recombinant inbred lines derived fromvariety 9311 andvariety Nipponbare (NPB). In two repetitions, a total of 26 QTLs were detected for the longest root length, total root length, root surface area, root volume, and root diameter, distributed on chromosomes 1, 2, 4, 7, 9, 10, and 11 in rice. Four QTL clusters on chromosomes 2, 4, 7, and 10 were found, including a major QTLcontrolling the longest root length. To fine mapping of the major QTL, we constructed a near isogenic line NIL-with a segment from NPB between markers IND4-1 and IND4-4 with 9311 background. With a F2population derived from the NIL-and 9311, we fine mapped thewithin ~68.23 kb region between markers HIND4-1 and IND4-3, where eight candidate genes located. Fine mapping of this QTL for root length will help explore genetic mechanism of root elongation and morphogenesis in rice.

rice; root trait; the longest root length;; fine mapping

10.3724/SP.J.1006.2021.02088

本研究由國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(32061143039, 31671761)資助。

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (32061143039, 31671761).

高振宇, E-mail: gaozhenyu@caas.cn, Tel: 0571-63370211

E-mail: 82101186057@caas.cn, Tel: 0571-63370483

2020-12-13;

2021-03-19;

2021-04-13.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20210413.1521.006.html