利用染色體片段置換系群體定位和分析水稻粒重和粒型QTL

黃濤 王燕寧 鐘奇 程琴 楊朦朦 王鵬 吳光亮 黃詩(shī)穎 李才敬 余劍峰 賀浩華, 3, * 邊建民, 3, *

利用染色體片段置換系群體定位和分析水稻粒重和粒型QTL

黃濤1, 2王燕寧1鐘奇1程琴1楊朦朦1王鵬1吳光亮1黃詩(shī)穎1李才敬1余劍峰1賀浩華1, 3, *邊建民1, 3, *

(1作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南昌 330045;2江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 生物科學(xué)與工程學(xué)院, 南昌 330045;3江西省水稻高水平工程研究中心, 南昌 330045;*通信聯(lián)系人, E-mail: jmbian81@126.com; hhhua64@163.com)

【】挖掘水稻粒重和粒型相關(guān)性狀QTL，對(duì)于解析水稻籽粒遺傳機(jī)理具有重要作用。【】本研究以秈稻9311為受體、粳稻日本晴為供體構(gòu)建的染色體片段置換系（Chromosome Segment Substitution Lines, CSSLs）群體為材料，在4個(gè)環(huán)境下對(duì)控制稻谷與糙米的粒重和粒型QTL進(jìn)行了定位分析。【】共檢測(cè)到77個(gè)控制水稻粒重和粒型的QTL，貢獻(xiàn)率為4.62%～51.01%，其中19個(gè)QTL的增效等位基因來(lái)自日本晴，58個(gè)QTL的增效等位基因來(lái)自9311。這些QTL分布在水稻10條染色體的46個(gè)區(qū)域，其中16個(gè)區(qū)域?yàn)槎嘈晕稽c(diǎn)。在兩個(gè)及兩個(gè)以上環(huán)境中重復(fù)檢測(cè)到的QTL有14個(gè)，其中和能夠在4個(gè)環(huán)境中穩(wěn)定表達(dá)，且位于同一染色體區(qū)域；和為新鑒定的影響水稻粒重和粒型的QTL。【】本研究結(jié)果為后續(xù)克隆這些QTL和解析水稻粒重和粒型遺傳機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。

水稻；染色體片段置換系；粒重；粒型；QTL

水稻是世界上主要的糧食作物之一，高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)是水稻重要的育種目標(biāo)。水稻粒重和粒型與產(chǎn)量和品質(zhì)關(guān)系密切[1-2]。因此，改良水稻粒重和粒型對(duì)提高水稻產(chǎn)量，改良稻米品質(zhì)具有重要作用[3]。

水稻粒重和粒型屬于典型的數(shù)量性狀[4]。隨著分子標(biāo)記技術(shù)的快速發(fā)展，研究者通過(guò)構(gòu)建不同的遺傳群體對(duì)水稻粒重和粒型進(jìn)行了QTL分析[5]，比如張波等[6]以巴西陸稻IAPAR9為供體、華粳秈74為受體構(gòu)建的單片段代換系（single segment substitution lines, SSSLs）群體，定位了13個(gè)控制水稻粒型和粒重的QTL，其中，、和為新鑒定的QTL；孫濱等[7]利用秈稻品種Big Grain1和粳稻品種Xiao li Jing為親本構(gòu)建的包含269個(gè)株系的重組自交系（Recombinant Inbred Lines, RILs）群體，在兩個(gè)自然環(huán)境條件下共檢測(cè)到34個(gè)控制水稻粒型和粒重的QTL；鄭躍濱等[8]利用短粒普通野生稻突變體和長(zhǎng)粒栽培稻品種KJ01構(gòu)建F2分離群體，結(jié)合132對(duì)多態(tài)性分子標(biāo)記檢測(cè)到24個(gè)控制水稻粒型的QTL；姚國(guó)新等[9]利用大粒品種SLG-1與日本晴雜交、回交構(gòu)建的一套姊妹近等基因系（sister near-isogenic lines, SNILs）群體，檢測(cè)到12個(gè)控制水稻粒重和粒型的QTL；譚耀鵬等[10]利用圭630和02428構(gòu)建的加倍單倍體（doubled haploid, DH）群體，共檢測(cè)到15個(gè)控制粒型的QTL。根據(jù)Gramene數(shù)據(jù)庫(kù)記錄，迄今為止已定位了600多個(gè)控制水稻粒重和粒型的QTL，這些QTL分布在水稻的所有12條染色體上[11]，其中第1、2、3、5和6染色體上定位的粒重和粒型QTL較多，是粒重和粒型QTL分布的熱點(diǎn)區(qū)域。在這些已經(jīng)定位的影響水稻粒重和粒型的QTL中，有近30個(gè)得到了克隆和驗(yàn)證，如[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]等。雖然定位克隆了多個(gè)粒重或粒型QTL，但是關(guān)于秈粳間粒重和粒型差異的原因仍不是非常清楚。因此，有必要利用秈粳交遺傳群體挖掘更多控制水稻粒重和粒型的基因和QTL，為進(jìn)一步解析水稻粒重和粒型的遺傳機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

基于此，本研究以秈稻9311和粳稻日本晴為親本，通過(guò)雜交、回交構(gòu)建了一套覆蓋日本晴全基因組的CSSL群體。利用該群體，在4個(gè)不同的環(huán)境條件下，對(duì)控制稻谷和糙米的粒重和粒型QTL進(jìn)行了定位分析，以期挖掘更多控制水稻粒重和粒型的主效QTL，為克隆水稻粒重和粒型QTL、解析影響秈粳間粒重和粒型的遺傳機(jī)制提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本研究所用的CSSL群體是以秈稻品種9311為受體，粳稻品種日本晴為供體，通過(guò)連續(xù)雜交和回交獲得的BC3F6遺傳群體，共119個(gè)株系。該CSSL群體包含均勻分布在水稻12條染色體上的673個(gè)單核苷酸多態(tài)性（Single Nucleotide Polymorphism, SNP）標(biāo)記[19]。

1.2 材料種植

親本與CSSL群體分別在2017年5月南昌（E1）、2017年12月海南（E2）、2018年3月南昌（E3）、2018年5月南昌（E4）4個(gè)不同環(huán)境下種植。每個(gè)株系種植4行，每行10株，行、株距分別為26 cm和16 cm，設(shè)置三個(gè)重復(fù)，水肥同正常大田管理。

1.3 表型數(shù)據(jù)

水稻籽粒成熟后，選取親本和CSSL群體中長(zhǎng)勢(shì)一致的10個(gè)單株，混收并用于粒重和粒型分析。選取健康飽滿的稻谷種子，利用萬(wàn)深SC-G自動(dòng)考種儀(杭州萬(wàn)深檢測(cè)科技有限公司)對(duì)稻谷粒長(zhǎng)(grain length，GL)、粒寬(grain width，GW)、長(zhǎng)寬比(length-to-width ratio，LW)、千粒重(1000-grain weight，TGW)進(jìn)行測(cè)定；飽滿的稻谷種子脫皮后，利用萬(wàn)深SC-G自動(dòng)考種儀對(duì)糙米長(zhǎng)(brown rice length，BRL)、糙米寬(brown rice width，BRW)、糙米長(zhǎng)寬比(brown rice length-to-width ratio，BRLW)、糙米千粒重(1000-grain weight of brown rice，BRTW)進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)株系測(cè)定3次，取平均值用于表型分析。利用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)量稻谷粒厚(grain thickness, GT)和糙米厚(thickness of brown rice, BRT)，每個(gè)株系測(cè)量30粒，取平均值用于粒厚分析。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用IBM SPSS 22軟件對(duì)粒重和粒型的表型數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析；利用QTL IciMapping 4.1軟件定位粒重和粒型QTL，以LOD≥3作為閾值；QTL的命名原則遵循McCouch等的方法[20]。

2 結(jié)果與分析

2.1 親本及CSSL群體粒重和粒型表現(xiàn)

由表1可知粳稻日本晴的稻谷和糙米的粒長(zhǎng)、長(zhǎng)寬比和千粒重在4個(gè)環(huán)境下均顯著低于秈稻9311；9311的稻谷和糙米的粒寬在4個(gè)環(huán)境下均顯著低于日本晴。

4個(gè)環(huán)境下，CSSL群體粒重和粒型存在廣泛的變異（圖1），最大值均大于高值親本，最小值均小于低值親本，表現(xiàn)出超親分離現(xiàn)象。CSSL群體的粒重和粒型相關(guān)性狀在4個(gè)環(huán)境下均表現(xiàn)為正態(tài)或近似正態(tài)的分布，屬于數(shù)量性狀，符合QTL定位要求。

表1 四個(gè)環(huán)境下親本9311和日本晴及CSSL群體粒重和粒型表現(xiàn)

E1?2017年5月南昌播種；E2?2017年12月海南播種；E3?2018年3月南昌播種；E4?2018年5月南昌播種。

E1, Nanchang, May 2017; E2, Seeded at Hainan, December 2017; E3, Seeded at Nanchang, March 2018; E4, Seeded at Nanchang, May 2018.

**和*分別表示9311的粒重和粒型性狀與日本晴之間的差異達(dá)1%和5%顯著水平。下同。

** and * mean difference between 9311 and Nipponbare was significant at the level of 1% or 5%, respectively. The same as below.

圖1 9311/日本晴CSSLs群體中稻谷和糙米粒型和粒重相關(guān)性狀分布

Fig. 1. Frequency distribution of grain shape and grain weight related traits of 9311/Nipponbare CSSLs population.

2.2 粒重和粒型相關(guān)性狀的相關(guān)性分析

4個(gè)不同的環(huán)境下，CSSL群體稻谷和糙米的粒長(zhǎng)、粒寬、長(zhǎng)寬比、粒厚和千粒重相關(guān)性分析顯示：同一環(huán)境下，稻谷與糙米同一性狀之間呈極顯著正相關(guān)（=0.268～0.827）；不同環(huán)境下，同一性狀之間相關(guān)性不高（圖2）。4個(gè)環(huán)境下，無(wú)論稻谷還是糙米，粒長(zhǎng)與粒厚、粒長(zhǎng)與千粒重、粒寬與粒厚之間均呈顯著正相關(guān)，但是粒長(zhǎng)與粒寬間的相關(guān)性未達(dá)顯著水平。4個(gè)環(huán)境下，稻谷粒寬與稻谷長(zhǎng)寬比之間均呈顯著負(fù)相關(guān)（=?0.250～?0.822），稻谷粒寬與糙米長(zhǎng)寬比之間均呈顯著負(fù)相關(guān)（=?0.216～?0.676），糙米寬與稻谷長(zhǎng)寬比之間均呈顯著負(fù)相關(guān)（=?0.345～?0.825），糙米寬與糙米長(zhǎng)寬比之間呈顯著負(fù)相關(guān)（=?0.425～?0.767）?？傊?，除稻谷和糙米的長(zhǎng)寬比之外，千粒重與粒長(zhǎng)、粒寬和粒厚之間均呈顯著正相關(guān)（=0.207～0.819）。

2.3 QTL定位分析

顏色越紅，表明相關(guān)性系數(shù)r越接近1，呈正相關(guān)；反之顏色越藍(lán)，表明r越接近?1，呈負(fù)相關(guān)。GL?粒長(zhǎng)；GW?粒寬；GT?粒厚；LW?長(zhǎng)寬比；TGW?千粒重；BRL?糙米長(zhǎng)；BRW?糙米寬；BRLW?糙米長(zhǎng)寬比；BRTW?糙米千粒重。

Fig. 2. Correlation analysis between grain weight and shape related traits in CSSLs population under four environments.

利用CSSL群體，對(duì)控制稻谷和糙米的粒長(zhǎng)、粒寬、長(zhǎng)寬比、粒厚和千粒重QTL進(jìn)行定位分析，4個(gè)環(huán)境下共檢測(cè)到77個(gè)QTL（表2），分布在除第6、12染色體以外的其他10條染色體上（圖3），LOD值為3.01～22.19，貢獻(xiàn)率為4.62%～51.01%。

2.3.1 粒長(zhǎng)QTL

4個(gè)環(huán)境下共檢測(cè)到16個(gè)粒長(zhǎng)QTL。6個(gè)稻谷粒長(zhǎng)QTL，分別為、、、、和，位于第2、3、4染色體上，貢獻(xiàn)率為6.94%～17.64%；10個(gè)糙米長(zhǎng)QTL，分別為、、、、、、、、、和，位于第1、2、3、4、5、8染色體上，貢獻(xiàn)率為4.62%～30.96%。其中，、在兩個(gè)環(huán)境下重復(fù)檢測(cè)到，在三個(gè)環(huán)境下重復(fù)檢測(cè)到，它們的增效等位基因均來(lái)自親本9311。

2.3.2 粒寬QTL

4個(gè)環(huán)境下共檢測(cè)到15個(gè)粒寬QTL。9個(gè)稻谷粒寬QTL，分別為、、、、、、、和，分布在第1、2、5、7、8、9、10染色體上，貢獻(xiàn)率為5.40%～51.01%；6個(gè)糙米寬QTL，分別為、、、、和，分布在水稻第2、4、5、7、8染色體上，貢獻(xiàn)率為7.82%～43.56%，其中和位于同一位點(diǎn)。和在兩個(gè)環(huán)境下被重復(fù)檢測(cè)到，在4個(gè)環(huán)境均被穩(wěn)定檢測(cè)到，這3個(gè)穩(wěn)定表達(dá)的QTL的增效等位基因均來(lái)自日本晴。

表2 利用CSSLs群體定位到的水稻粒型和粒重QTL

續(xù)表2 Table 2 continued.

圖3 稻谷和糙米粒型和粒重相關(guān)性狀QTL在染色體上的分布

Fig. 3. Distribution of QTLs for grain shape and weight related traits on chromosomes.

2.3.3 長(zhǎng)寬比QTL

籽粒長(zhǎng)寬比是衡量粒型的重要指標(biāo)之一，4個(gè)環(huán)境下共檢測(cè)到18個(gè)長(zhǎng)寬比QTL。11個(gè)稻谷長(zhǎng)寬比QTL，分別為、、、、、、、、、和，分布在第2、3、4、5、7、10染色體上，貢獻(xiàn)率為7.07%～25.51%；7個(gè)糙米長(zhǎng)寬比QTL，分別為、、、、、和，分布在第2、3、5、7染色體上，貢獻(xiàn)率為6.32%～27.46%。其中，與定位在第3染色體上的同一位點(diǎn)，與定位于第3染色體上的同一位點(diǎn)；位于第5染色體上的在4個(gè)環(huán)境下均穩(wěn)定檢測(cè)到，平均貢獻(xiàn)率為22.47%。所有長(zhǎng)寬比QTL的增效等位基因均來(lái)自9311。

2.3.4 粒厚QTL

4個(gè)環(huán)境下共檢測(cè)到13個(gè)粒厚QTL。8個(gè)稻谷粒厚QTL，分別為、、、、、、和，分布在1、4、7、8染色體上，貢獻(xiàn)率為10.01%～16.30%；5個(gè)糙米厚QTL，分別為、、、和，分布在第1、2、7、8染色體上，貢獻(xiàn)率為10.26%～16.39%。與位于7染色體上的同一位點(diǎn)。、和的增效等位基因來(lái)自于日本晴，其余粒厚QTL增效等位基因均來(lái)自9311。

2.3.5 千粒重QTL

4個(gè)環(huán)境下共檢測(cè)到15個(gè)千粒重QTL。8個(gè)稻谷千粒重QTL，即、、、、、、和，分布在2、3、4、5、8染色體上，貢獻(xiàn)率為7.96%～30.05%；7個(gè)糙米千粒重QTL，分別為、、、、、和，分布在第1、2、3、5、8和11染色體上，貢獻(xiàn)率為7.01%～15.64%。與與分別位于同一位點(diǎn)，這些QTL的增效等位基因均來(lái)自9311。

2.4 QTL的多效性

77個(gè)QTL分布于10條染色體的46個(gè)區(qū)域，其中16個(gè)區(qū)域?yàn)槎嘈晕稽c(diǎn)（表3）。第1染色體M66–M67區(qū)間存在著控制糙米千粒重和糙米厚的QTL；第2染色體存在3個(gè)QTL多效性位點(diǎn)，分別位于M123?M124（控制著稻谷粒長(zhǎng)和糙米長(zhǎng)）、M136?M137（控制著籽粒和糙米長(zhǎng)寬比）和M153?M154（控制著千粒重和糙米千粒重）區(qū)間；第3染色體上有3個(gè)QTL多效性位點(diǎn)，分別位于M204?M205（控制著粒長(zhǎng)、長(zhǎng)寬比、千粒重、糙米長(zhǎng)和糙米千粒重）、M217?M218（控制著粒長(zhǎng)、長(zhǎng)寬比、糙米長(zhǎng)和糙米長(zhǎng)寬比）和M220?M221（控制著粒長(zhǎng)、長(zhǎng)寬比和糙米長(zhǎng)寬比）區(qū)間；第4染色體上有2個(gè)QTL多效性位點(diǎn)，分別位于M245?M246（控制著粒長(zhǎng)、長(zhǎng)寬比和糙米長(zhǎng)）和M255?M256（控制著粒長(zhǎng)和長(zhǎng)寬比）區(qū)間；第5染色體上有2個(gè)QTL多效性位點(diǎn)，分別位于M324?M325（控制著糙米寬、糙米長(zhǎng)寬比和糙米千粒重）和M328?M329（控制著粒寬、長(zhǎng)寬比和糙米寬）區(qū)間；第7染色體上有2個(gè)QTL多效性位點(diǎn)，分別位于M488?M489（控制著粒厚、糙米寬、糙米長(zhǎng)寬比和糙米厚）和M491?M492（控制著粒寬和長(zhǎng)寬比）區(qū)間；第8染色體上有3個(gè)QTL多效性位點(diǎn)，分別位于M537?M538（控制著粒寬、粒厚、糙米長(zhǎng)、糙米寬、千粒重和糙米千粒重）、M539?M540（控制著糙米千粒重和粒厚）和M540?M541（控制著千粒重和粒厚）區(qū)間。

表3 粒重和粒型QTL多效性區(qū)域分析

圖4 水稻粒型性狀QTL對(duì)應(yīng)染色體片段置換系與背景親本9311的表型差異比較

Fig. 4. Differences of phenotypic values of rice grain shape traits between genetic background parent 9311 and the CSSLs harboring the QTL alleles.

2.5 QTL穩(wěn)定性

對(duì)4個(gè)環(huán)境下檢測(cè)到控制稻谷和糙米重和粒型的QTL進(jìn)行穩(wěn)定性分析發(fā)現(xiàn)：、、、、、、、、、、、、和能在兩個(gè)或兩個(gè)以上環(huán)境中重復(fù)檢測(cè)到。其中、、、、、、、、和增效等位基因來(lái)自9311；、、和增效等位基因來(lái)自日本晴。

在這些穩(wěn)定表達(dá)的QTL中，位于第5染色體M328?M329區(qū)段內(nèi)的和能夠在4個(gè)環(huán)境均能穩(wěn)定表達(dá)，對(duì)包含和的置換系株系CSSL77表型分析發(fā)現(xiàn)，CSSL77稻谷長(zhǎng)寬比在4個(gè)環(huán)境下較供體親本9311稻谷長(zhǎng)寬比均顯著降低（圖4），CSSL77稻谷粒寬在4個(gè)環(huán)境下較供體親本9311稻谷粒寬均顯著升高（圖4）；位于第4染色體標(biāo)記M245?M246區(qū)段內(nèi)的在3個(gè)環(huán)境下穩(wěn)定表達(dá)，其對(duì)應(yīng)株系CSSL34的糙米長(zhǎng)在3個(gè)環(huán)境下較供體親本9311糙米長(zhǎng)均顯著降低（圖4）。

3 討論

亞洲栽培稻主要分為秈稻和粳稻兩個(gè)亞種，秈稻與粳稻在地理分布、形態(tài)、生理特征及遺傳特性方面均存在顯著差異，挖掘秈粳間有利等位基因，對(duì)于秈粳間雜種優(yōu)勢(shì)利用具有重要意義[27]。粒重與粒型密切相關(guān)，不僅影響產(chǎn)量還影響稻米品質(zhì)[1]。利用秈粳交群體發(fā)掘粒重與粒型QTL（基因），對(duì)于提高水稻產(chǎn)量和改良水稻品種有著重要的指導(dǎo)作用。本研究利用秈稻9311和粳稻日本晴衍生的CSSL群體，在4個(gè)環(huán)境下定位到77個(gè)影響秈粳間粒重和粒型的QTL。定位的這些粒重和粒型QTL可以通過(guò)構(gòu)建次級(jí)F2群體快速進(jìn)行精細(xì)定位和克隆，為后續(xù)解析影響秈粳間粒重和粒型的遺傳機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

對(duì)CSSL群體粒重和粒型性狀進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示同一性狀在4個(gè)不同環(huán)境下相關(guān)性較弱，表明稻谷與糙米的粒重和粒型性狀受環(huán)境影響較大。在同一環(huán)境下，稻谷和糙米同一性狀呈顯著正相關(guān)，表明籽粒穎殼對(duì)粒重和粒型影響較小。稻谷和糙米的長(zhǎng)、寬和厚之間的相關(guān)性分析結(jié)果顯示，稻谷粒長(zhǎng)與粒寬無(wú)顯著相關(guān)性（≤0.123），糙米長(zhǎng)與寬無(wú)顯著相關(guān)性（≤0.165），說(shuō)明不論稻谷還是糙米長(zhǎng)與寬之間的關(guān)聯(lián)度不大，但是稻谷和糙米的寬與厚呈顯著正相關(guān)（≥0.200*），這與前人研究結(jié)果一致[28-29]。除長(zhǎng)寬比外，稻谷與糙米所有粒型相關(guān)性狀均與千粒重呈極顯著正相關(guān)，其中稻谷粒厚與千粒重的相關(guān)性最高（≥0.480**），表明粒厚是決定千粒重最重要的性狀之一。稻谷和糙米的粒寬與長(zhǎng)寬比之間，呈極顯著負(fù)相關(guān)（=?0.216**～?0.825**），表明籽粒寬度越大，長(zhǎng)寬比越小。

在水稻重要農(nóng)藝性狀QTL定位研究中，QTL成簇分布現(xiàn)象普遍存在[27]。本研究檢測(cè)到的77個(gè)水稻粒重和粒型QTL，聚集在水稻7條染色體上的16個(gè)QTL簇中。其中，位于第8染色體M537?M538區(qū)段的QTL簇包含了6個(gè)QTL，分別是、、、、和。另外，包含5個(gè)QTL的簇有1個(gè)、4個(gè)QTL的簇有2個(gè)、3個(gè)QTL的簇有4個(gè)和2個(gè)QTL的簇有8個(gè)。這些QTL簇的存在說(shuō)明稻谷和糙米的粒重和粒型可能存在共同的遺傳機(jī)制，有必要對(duì)其進(jìn)行深入的驗(yàn)證分析。其中位于第5染色體M328?M329區(qū)間的QTL簇，包含了在4個(gè)環(huán)境下穩(wěn)定表達(dá)的和，是控制水稻粒重和粒型的重要QTL簇，該區(qū)段是存在多個(gè)基因還是存在一因多效的基因，需要通過(guò)構(gòu)建次級(jí)分離群體做進(jìn)一步解析。

在4個(gè)環(huán)境下穩(wěn)定表達(dá)的控制稻谷粒寬和稻谷長(zhǎng)寬比均位于第5染色體日本晴參考基因組的5.6 Mb附近，與標(biāo)記M325連鎖，其平均貢獻(xiàn)率在20%以上，為主效QTL。與前人研究結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)和與已克隆的粒寬基因[18]位置接近，可能為同一基因。在三個(gè)環(huán)境下重復(fù)檢測(cè)到的控制糙米長(zhǎng)的位于第4染色體日本晴參考基因組的11 473 bp附近，與控制精氨酸酶基因位置相鄰[30]。在兩個(gè)環(huán)境下重復(fù)檢測(cè)到的QTL中，位于第3染色體控制糙米千粒重和稻谷千粒重位于日本晴參考基因組的25.3 Mb附近，與千粒重基因[32]位置相近；位于第5染色體控制糙米寬和長(zhǎng)寬比位于日本晴參考基因組的3.5 Mb附近，與已克隆的調(diào)控水稻籽粒大小基因相鄰；位于第7染色體控制糙米厚和糙米寬位于日本晴參考基因組的25.2 Mb附近，與已克隆的巨胚基因位于同一區(qū)間[32]；位于第8染色體21.4 Mb附近，控制糙米千粒重和稻谷千粒重與已克隆控制水稻粒重位置相近，可能為同一基因[33]；位于第10染色體控制稻谷長(zhǎng)寬比的與前人定位在RM6100?RM228區(qū)間內(nèi)的相鄰[34]；位于第3染色體控制糙米長(zhǎng)和第4染色體上控制稻谷粒長(zhǎng)分別與標(biāo)記M217和M245連鎖，其附近均未發(fā)現(xiàn)已克隆的水稻粒型、粒重基因，為新鑒定的影響粒重或粒型的QTL。其余53個(gè)在單個(gè)環(huán)境下表達(dá)的QTL中，、、、、和的貢獻(xiàn)率均大于10%，其中位于第5染色體控制糙米寬與標(biāo)記M328連鎖，與已克隆的粒寬基因位置相鄰；控制粒寬的、控制長(zhǎng)寬比的、控制長(zhǎng)寬比、控制千粒重的和分別位于第2、3、5染色體上，在這些QTL區(qū)間或附近未發(fā)現(xiàn)已克隆的控制水稻粒型或粒重的QTL或基因。

綜上所述，本研究檢測(cè)到的77個(gè)QTL中，部分QTL與前人已定位或克隆的水稻粒重或粒型基因重疊或位置相鄰，表明本研究結(jié)果的可靠性。同時(shí)，還定位到7個(gè)控制水稻粒重和粒型的新QTL（、、、、、和），其中和能夠在兩個(gè)環(huán)境下穩(wěn)定表達(dá)。這些結(jié)果為后期克隆這些粒重或粒型QTL，進(jìn)一步解析水稻粒重和粒型遺傳機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

[1] Bai X, Luo L, Yan W, Kovi M R, Zhan W, Xing Y. Genetic dissection of rice grain shape using a recombinant inbred line population derived from two contrasting parents and fine mapping a pleiotropic quantitative trait locus[J]., 2010, 11(1): 16.

[2] Xing Y, Zhang Q. Genetic and molecular bases of rice yield[J]., 2010, 61(1): 421-442.

[3] 袁隆平. 中國(guó)的雜交水稻[J]. 中國(guó)水稻科學(xué), 1986, 1(1): 18.

Yuan L P. Hybrid rice in China[J]., 1986, 1(1): 8-18. (in Chinese with English abstract)

[4] 康雪蒙, 馬夢(mèng)影, 鞏文靚, 段海燕. 水稻粒型基因研究進(jìn)展及應(yīng)用[J]．農(nóng)學(xué)學(xué)報(bào), 2020, 10(12): 21-25.

Kang X M, Ma M Y, Gong W J, Duan H Y. Rice grain shape genes: Research progress and application[J]., 2020, 10(12): 21-25. (in Chinese with English abstract)

[5] Huang R Y, Jiang L R, Zheng J S, Wang T S, Wang H C, Huang Y M, Hong Z L. Genetic bases of rice grain shape: so many genes, so little known[J]., 2013, 18(4): 218-226.

[6] 張波, 裴瑞琴, 楊維豐, 朱海濤, 劉桂富, 張桂權(quán), 王少奎. 利用單片段代換系鑒定巴西陸稻IAPAR9中的水稻粒型基因[J]. 作物學(xué)報(bào), 2021, 47(1): 1472-1480.

Zhang B, Pei R Q, Yang W F, Zhu H T, Liu G F, Zhang G Q, Wang S K. Mapping and identification QTL controlling grain size in rice (L.) by using single segment substitution lines derived from IAPAR9[J].,2021, 47(1): 1472-1480. (in Chinese with English abstract)

[7] 孫濱, 占小登, 林澤川, 高志強(qiáng), 于萍, 劉群恩, 沈希宏, 張迎信, 陳代波. 水稻粒形和粒重性狀的相關(guān)性分析及QTL定位[J]. 分子植物育種, 2015, 13(12): 2663-2672.

Sun B, Zhan X D, Lin Z C, Gao Z Q, Yu P, Liu Q E, Shen X H, Zhang Y X, Chen D B. Correlation analysis and QTL mapping of grain shape and grain weight in rice[J]., 2015, 13(12): 2663-2672. (in Chinese with English abstract)

[8] 鄭躍濱, 李智, 趙海燕, 朱光楓, 廖芷依, 竺正航, 王蘭. 水稻粒長(zhǎng)QTL定位與主效基因的遺傳分析[J]. 西北植物學(xué)報(bào), 2020, 40(4): 598-604.

Zheng Y B, Li Z, Zhao H Y, Zhu G F, Liao Z Y, Zhu Z H, Wang L. Mapping quantitative trait loci associated with grain length and genetic analysis of major quantitative loci in rice[J]., 2020, 40(4): 598-604. (in Chinese with English abstract)

[9] 姚國(guó)新, 李金杰, 張強(qiáng), 胡廣隆, 陳超, 湯波, 張洪亮, 李自超. 利用4個(gè)姊妹近等基因系群體定位水稻粒重和粒形QTL[J]. 作物學(xué)報(bào), 2010, 36(8): 1310-1317.

Yao G X, Li J J, Zhang Q, Hu G L, Chen C, Shang B, Zhang H L, Li Z C. Mapping QTL for grain weight and shape using four sisters near isogenic lines in rice (L.)[J]., 2010, 36(8): 1310-1317. (in Chinese with English abstract)

[10] 譚耀鵬, 李蘭芝, 李平, 王玲霞, 胡中立. 利用DH群體定位水稻谷粒外觀性狀的QTL[J]. 分子植物育種, 2005, 3(3): 314-322.

Tan Y P, Li L Z, Li P, Wang L X, Hu Z L. Quantitative trait loci for grain appearance traits of rice using a doubled haploid population[J]., 2005, 3(3): 314-322. (in Chinese with English abstract)

[11] 康藝維, 陳玉宇, 張迎信. 水稻粒型基因克隆研究進(jìn)展及育種應(yīng)用展望[J]. 中國(guó)水稻科學(xué), 2020, 34(6): 479-490.

Kang Y W, Chen Y Y, Zhang Y X. Research progress and breeding prospects of grain size associated genes in rice[J]., 2020, 34(6): 479-490. (in Chinese with English abstract)

[12] Yan S, Zou G, Li S, Wang H, Liu H, Zhai G, Guo P, Song H, Yan C, Tao Y. Seed size is determined by the combinations of the genes controlling different seed characteristics in rice[J]., 2011, 123(7): 1173-1181.

[13] Liu Q, Han R, Wu K, Zhang J, Ye Y, Wang S, Chen J, Pan Y, Li Q, Xu X, Zhou J, Tao D, Wu Y, Fu X. G-protein βγ subunits determine grain size through interaction with MADS-domain transcription factors in rice[J]., 2018, 9(1): 852.

[14] Ishimaru K, Hirotsu N, Madoka Y, Murakami N, Hara N, Onodera H, Kashiwagi T, Ujiie K, Shimizu B I, Onishi A, Miyagawa H, Katoh E. Loss of function of the IAA-glucose hydrolase geneenhances rice grain weight and increases yield[J]., 2013, 45(6): 707-711.

[15] Song X J, Kuroha T, Ayano M, Ashikari M. Rare allele of a previously unidentified histone H4 acetyltransferase enhances grain weight, yield, and plant biomass in rice[J]., 2015, 112(1): 76.

[16] Huang K, Wang D, Duan P, Zhang B, Xu R, Li N, Li Y., which encodes an otubain- like protease with deubiquitination activity, influences grain size and shape in rice., 2017, 91(5): 849-860.

[17] Wang Y. Copy number variation at thelocus contributes to grain size diversity in rice., 2015, 47(8): 944-948.

[18] Wan X Y, Wan J M, Weng J F, Jiang L, Bi J C, Wang C M, Zhai H Q. Stability of QTL for rice grain dimension and endosperm chalkiness characteristics across eight environments., 2005, 110(7): 1334-1346.

[19] Wu G L, Deng H D, Yu M X, Cai Y C, Zhou D H, Tan J A, Yu J F, Luo X, Tong S, Wang P, Zhang X Y, Li C J, Li C J, Wang Y N, Cheng Q, He H H, Bian J M.Genetic analysis of rice seed recovery under low-temperature conditions using a new CSSL population with a high-density genetic map in rice., 2020, 40(12): 109.

[20] McCouch S R. Gene nomenclature system for rice., 2008, 1(1): 72-84.

[21] Jang S, An G, Li H Y. Rice leaf angle and grain size are affected by the OsBUL1 transcriptional activator complex., 2017, 173(1): 688-702.

[22] Hu J, Wang Y, Fang Y, Zeng L, Xu J, Yu H, Shi Z, Pan J, Zhang D, Kang S, Zhu L, Dong G, Guo L, Zeng D, Zhang G, Xie L, Xiong G, Li J, Qian Q. A rare allele ofenhances grain size and grain yield in rice., 2015, 8(10):1455-1465.

[23] Heang D, Sassa H. Antagonistic actions of HLH/bHLH proteins are involved in grain length and weight in rice., 2012, 7(2): e31325.

[24] Wu W, Liu X Y, Wang M H, Meyer R S, Ndjiondjop M N, Tan L B, Zhang J W, Wu J Z, Cai H W, Sun C Q, Wang X K, Wing R A, Zhu Z F.A single-nucleotide polymorphism causes smaller grain size and loss of seed shattering during African rice domestication., 2017, 3(6): 17064.

[25] Wang S, Li S, Liu Q, Wu K, Zhang J, Wang S, Engineering I O, Wang Y, Chen X, Zhang Y, Gao C, Wang F, Huang H, Fu X. Theregulatory module determines grain shape and simultaneously improves rice yield and grain quality[J]., 2015, 47(8): 949-954.

[26] Wang S, Wu K, Yuan Q, Liu X, Liu Z, Lin X, Zeng R, Zhu H, Dong G, Qian Q, Zhang G, Fu X. Control of grain size, shape and quality byin rice[J]., 2012, 44(8): 950-954.

[27] 王小雷, 李煒星, 曾博虹, 孫曉棠, 歐陽(yáng)林娟, 陳小榮, 賀浩華, 朱昌蘭. 基于染色體片段置換系對(duì)水稻粒形及千粒重QTL檢測(cè)與穩(wěn)定性分析[J]. 作物學(xué)報(bào), 2020, 46(10): 1517-1525.

Wang X L, Li H X, Zeng B H, Sun X T, OuYang L J, Chen X R, He H H, Zhu C L. QTL detection and stability analysis of rice grain shape and thousand-grain weight based on chromosome segment substitution lines[J]., 2020, 46(10): 1517-1525. (in Chinese with English abstract)

[28] Xia D, Zhou H, Liu R., a novel QTL encoding a GSK3/SHAGGY-like kinase, epistatically interacts withto form extra-long grains in rice[J]., 2018, 11(5): 754-756.

[29] Fan C, Xing Y, Mao H, Lu T, Han B, Xu C, Li X, Zhang Q., a major QTL for grain length and weight and minor QTL for grain width and thickness in rice, encodes a putative transmembrane protein[J]., 2006, 112(6): 1164-1171.

[30] Ma X, Cheng Z, Qin R, Qiu Y, Heng Y, Yang H, Ren Y, Wang X, Bi J, Ma X, Zhang X, Wang J, Lei C, Guo X, Wang J, Wu F, Jiang L, Wang H, Wan J.encodes an arginase that plays critical roles in panicle development and grain production in rice[J]., 2013, 73(2): 190-200.

[31] Kesavan M, Song J T, Seo H S. Seed size: A priority trait in cereal crops[J]., 2013, 147(2): 113-120.

[32] Xu F, Fang J, Ou S, Gao S, Zhang F, Du L, Xiao Y, Wang H, Sun X, Chu J, Wang G, Chu C. Variations in CYP78A13 coding region influence grain size and yield in rice[J]., 2015, 38(4): 800-811.

[33] Kang Y J, Shim K C, Lee H S, Jeon Y A, Kim S H, Kang J W, Yun Y T, Park I K, Ahn S N. Fine mapping and candidate gene analysis of the quantitative trait locusassociated with grain length in rice[J]., 2018, 40(4): 389-397.

[34] Wang Z, Chen J Y, Zhu Y J. Validation ofa quantitative trait locus for grain size on the long arm of chromosome 10 in rice(L.)[J]., 2017, 16(1): 16-26.

Mapping and Analysis of QTLs for Rice Grain Weight and Grain Shape Using Chromosome Segment Substitution Line Population

HUANG Tao1, 2, WANG Yanning1, ZHONG Qi1, CHENG Qin1, YANG Mengmeng1, WANG Peng1, WU Guangliang1, HUANG Shiying1, LI Caijing1, YU Jianfeng1, HE Haohua1, 3, *, BIAN Jianmin1, 3, *

(1Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology and Genetic Breeding, Ministry of Education, Nanchang 330045, China;2College of Bioscience and Bioengineering, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China;3Jiangxi Super Rice Engineering Technology Research Center, Nanchang 330045, China;*Corresponding author, E-mail: jmbian81@126.com; hhhua64@163.com)

【】Mining quantitative trait loci (QTL) for grain weight and grain shape related traits in rice plays an important role in the genetic mechanism of rice grain.【】QTLs associated with grain weight and grain shape of grain and brown rice were analyzed using the population of chromosome segment substitution lines (CSSLs) withrice 9311 as recipient andNipponbare as donor in four different environments.【】A total of 77 QTLs for grain weight and grain shape of paddy and brown rice were detected, and the phenotypic variation explained by each QTL ranged from 4.62% to 51.01%. Among these QTLs, 19 have additive alleles from Nipponbare and 58 have additive alleles from 9311. These QTLs distributed in 46 regions of 10 chromosomes in rice, and 16 regions are pleiotropic loci. There are 14 QTLs that can be repeatedly detected in two or more environments,andcould be repeatedly detected in four environments and were located in the same chromosome region;andwere newly identified QTLs affecting grain weight and grain shape in rice.【】The results laid a foundation for cloning these QTLs and analyzing the genetic mechanism of grain shape and grain weight in rice.

rice; chromosome segment substitution lines (CSSLs); grain weight; grain shape; QTL

10.16819/j.1001-7216.2021.210204

2021-02-06；

2021-05-02。

江西省杰出青年人才訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（20192BCB23010）；江西省自然科學(xué)類重點(diǎn)項(xiàng)目（20192ACBL20017）；江西省重大科技研發(fā)專項(xiàng)（20203ABC28W013）；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（202010410105）。