多环境下水稻株高QTL定位研究

兴旺，赵宏伟，王江旭，杨洛淼，邹德堂

（东北农业大学农学院，哈尔滨 150030）

多环境下水稻株高QTL定位研究

兴旺，赵宏伟，王江旭，杨洛淼，邹德堂*

（东北农业大学农学院，哈尔滨 150030）

为剖析粳稻抗旱性及株高的遗传基础，试验利用旱稻品种小白粳子和水稻品种空育131衍生的218个重组自交系群体在哈尔滨、铁力、阿城三个地点两种环境即灌溉（对照）与自然降雨（干旱胁迫）条件下检测到8个与株高性状相关的QTL。主效QTL分三类：第一类即仅在对照条件下检测到的QTL共4个，第二类QTL受干旱胁迫诱导即仅在干旱条件下检测到的QTL共3个，第三类即在对照和干旱条件下均检测出的QTL 1个。此外还检测到2个影响胁迫与对照条件下性状差值QTL。

水稻；株高；QTL；干旱

水稻是世界上最重要的粮食作物之一，水稻对粮食安全至关重要，提高水稻单产是水稻遗传育种重要课题之一。水资源短缺已成为许多国家作物产量主要的限制因素[1]。每年超过0.6亿hm2水稻种植区受到干旱胁迫[2]，培育高产、稳产的耐旱品种已成为当前水稻主要育种目标之一[3-4]。株高是水稻重要农艺性状之一，与抗倒伏性显著相关[5]，是影响产量的重要因素之一。矮秆水稻品种选育成功为提高稻谷产量作出巨大贡献。目前对水稻株高定位的研究已有诸多报道[6-9]，根据Gramene数据库（http://www.gramene.org/qtl）公布的数据显示，已有近千个水稻株高QTL，分布在12条染色体上，关于株高定位的研究虽有很多，但研究结果不尽相同，因使用材料不同、定位方法不同，而使定位到的QTL的数目、在染色体上的分布、效应值及贡献率等也不尽相同[10-11]。对株高QTL定位研究虽有很多，但干旱胁迫下对水稻株高的研究报道较少。本试验从水稻抗旱性遗传分析和分子标记辅助育种两方面探讨利用水稻品种空育131和旱稻品种小白粳子杂交构成的RIL群体为试验材料，在哈尔滨、铁力、阿城三个地点的干旱胁迫和正常灌溉条件下对水稻株高进行QTL定位，发掘水分胁边下特异表达的QTL及其连锁标记，为进一步剖析粳稻产量的遗传机制和节水抗旱品种的分子辅助选育提供基础。

1 材料与方法

1.1 材料

以旱稻品种小白粳子（P1）、生产上广泛种植的水稻品种空育131（P2）及其杂交后代通过单粒传衍生的重组自交系群体F8的218个株系为试验材料。

1.2 田间种植及性状

2013年将试验材料种植于黑龙江省哈尔滨市东北农业大学实验实习基地（47°98′N，128°08′E）、铁力市双峰实验基地（45°75′N，126°63′E）和阿城市实验基地（45°52′N，126°95′E），设对照与干旱胁迫两个处理，干旱胁迫从分蘖期开始断水，以后完全靠自然降雨供水，如遇大雨天气及时排水，直至完全成熟。对照处理整个生育期正常灌溉，保持2～3 cm的水层。采用旱育稀植技术，4月11日浸种，4月16日播种，5月26日移栽。两行区，5 m行长，株距l0 cm，行距30 cm，每穴插单株，按常规栽培管理。

每个株系于抽穗后25 d测量每个小区中间5株水稻的株高（Plant height，PH）进行表型分析。

1.3 遗传图谱构建与QTL分析

图谱构建根据RIL群体中各个标记的多态性信息，通过QTL IciMapping3.0进行连锁分析并构建遗传连锁图谱，使用Kosambi函数，将重组率转换成图距（cM），采用MapChart2.2版本绘制连锁图谱（见图1）。同样用QTLkimappingV3.0进行QTL定位，将三个地点含105个SSR的图谱数据与胁迫表型数据、对照表型数据、干旱和对照的分子数据导入软件，以LOD值大于或等于2.5为阈值进行QTL定位。定位出的QTL以Mc-Couch等提出的QTL命名方法为参照[12]。采用性状的英文缩写、阿拉伯数字和连字符“-”共同组合命名。

2 结果与分析

2.1 株高的表型与变异

亲本小白粳子和空育131及RIL群体在三个地点正常灌溉和干旱胁迫下的表型值及干旱胁迫与正常灌溉下株高的差值表现见表1。

由表1可知，无论在正常灌溉和干旱胁迫下小白粳子和空育131的株高差异都很显著，并且在干旱胁迫下小白粳子株高降低的幅度低于空育131。从不同环境下RIL群体的变化范围也可看出存在超亲现象，并且大多数的偏度和峰度的绝对值也小于或接近1，适合进行QTL定位，亲本和群体的表型值分布见图1。

2.2 RIL群体在正常灌溉和干旱胁迫条件下株高的QTL分析

根据QTL表达的环境，可将检测出的各性状QTL分为三类。第一类仅在对照条件下检测出的QTL；第二类仅在干旱胁迫下检测出的QTL；第三类为对照和旱胁迫下同时检测出的QTL。

在哈尔滨、铁力、阿城三个地点的正常灌溉和干旱胁迫下共检测到8个与株高性状相关的QTL（表2），分别为qPH-3、qPH-4、qPH-6-1、qPH-6-2、qPH-7-1、qPH-7-2、qPH-7-3、qPH-7-4。这8个QTL分别位于第3、4、6、7共四条染色体上，贡献率为5.93%～19.47%，加性效应为3.23～5.60。检测到第一类QTL即仅在对照条件下检测出的QTL 4个，位于第3和第7条染色体上，分别为qPH-3、qPH-7-1、qPH-7-2、qPH-7-4，其中qPH-3和qPH-7-4增效等位基因来源于空育131，qPH-7-1和qPH-7-2的增效等位基因均来自小白粳子，并且qPH-7-1在哈尔滨、铁力和阿城三个地点均被检测到。检测到第二类QTL即仅在干旱条件下检测到的QTL 3个，位于第4、6和第7条染色体上，分别为qPH-4、qPH-6-2、qPH-7-3，其中qPH-4的增效等位基因来自于空育131，而qPH-6-2、qPH-7-3的增效等位基因均来自小白粳子。检测到第三类QTL即在干旱和对照条件下同时检测出的QTL 1个，在第6条染色体上为qPH-6-1，增效等位基因来自于小白粳子。除以上三类QTL以外还检测出2个干旱胁迫与对照差值的QTL位于第7条的两个不同区段内，分别为qPH-7-1和qPH-7-4，其中qPH-7-1的增效等位基因来自于小白粳子，而qPH-7-4的等位基因来自于空育131。

表1 不同环境下亲本及RIL的株高表型值分析Table 1 Phenotypic performance of plant height of two parents and the recombinant inbred line population in different environments

图1 不同环境下亲本及RIL的株高表型分布Fig.1 Distribution for the phenotypic values of plant height of two parents and the recombinant inbred line population in different environments

表2 不同环境下株高QTL检测Table 2 Additive QTLs for the plant height under different conditions

图2 不同环境下株高QTL在染色体上的位置Fig.2 Distribution of main-effects on the molecular linkage map under different environment

3 讨论与结论

数量性状的分子标记技术在理论上研究已日趋成熟，但由于数量性状本身的复杂性，将分子标记辅助选择应用于实践的不多，已发表水稻QTL定位研究中，不同研究者对同一性状的QTL定位研究结果存在较大差异[13-14]。

基因与环境互作也是影响作物稳产重要因素，不同数量性状或影响同一性状不同QTL对环境具有不同敏感性[15]。开展抗逆QTL定位可剖析不同逆境遗传基础，了解相应抗逆机制，并可研究不同抗逆QTL与环境之间的关系和对环境的敏感度。对于对环境敏感的主效QTL，可以在定位该QTL相类似的环境下对其实施标记辅助选择，而对环境不敏感的QTL对抗逆分子标记辅助选择育种更有利用价值。因此，挖掘在水、旱环境下均可稳定表达的QTL并鉴定与其紧密连锁的分子标记可有效促进目标性状选择。

真正对抗逆性有贡献QTL不外乎两类,一是影响胁迫与对照差值的QTL，这部分QTL解释了由于胁迫造成表型变化的净值；二是在对照和胁迫条件下能稳定表达（第三类QTL），基因效应大小和方向一致的QTL，说明受胁迫影响较小[16]。

本试验通过对哈尔滨、铁力和阿城三个地点的对照及干旱胁迫下株高QTL对比研究，群体中检测到第一类QTL即仅在对照条件下检测到的QTL 4个（qPH-3、qPH-7-1、qPH-7-2、qPH-7-4），检测到第二类QTL即仅在干旱条件下检测到的QTL 3个（qPH-4、qPH-6-2、qPH-7-3）。以上研究表明，水稻株高QTL在正常和干旱环境中表达差异较大。这与前人的研究结果相似[17-19]。不同环境下基因表达的差异可能由于不同QTL或同一QTL的不同等位基因控制作用造成。在逆境与非逆境环境中可能分别有各自的一套QTL负责目标性状表达，绝大多数QTL在各自环境中更为有效[19-20]。说明正常环境下检测出的QTL在逆境下并不一定起作用。检测到第三类QTL即在对照和干旱条件下均检测出的1个qPH-6-1。在两种环境下均表达的QTL占检测到的QTL比率很低，说明同一QTL在不同环境中重现的比例较小，这与前人的研究结果相似[17-20]。但这种QTL的基因效应方向相同，大小相似，说明这些QTL对干旱胁迫不敏感，能在两种不同环境中稳定表达，对抗旱有贡献[16]。本文还定位到两个差值QTL分别为qPH-7-1和qPH-7-4，qPH-7-1的增效等位基因来自于母本小白粳子，由于株高的差值小白粳子要小于空育131，说明此QTL能减小胁迫引起的差值，对抗旱有直接贡献[21]。

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Study on quantitative traits loci of rice plant height under different environ-ments/

XING Wang,ZHAO Hongwei,WANG Jiangxu,YANG Luomiao,ZOU Detang(School of Agriculture,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

To determine the drought resistance of japonica rice and the genetic basis of plant height,this study uses 218 recombinant inbred lines from a cross between Xiaobaijingzi(upland rice) and Kongyu131(Oryza sativaL.).Eight main-effect quantitative trait loci(QTLs)were detected for plant height in three places under drought stress and control conditions.The main-effect QTLs belong to three categories:four QTLs that were detected only in the control condition,three that were detected only in the drought condition and only one that were simultaneously detected in the control and drought conditions.Otherwise two QTLs that impact the difference between the drought stress and control conditions were detected.

Oryza sativaL.;plant height;QTL;drought

S511

A

1005-9369（2014）08-0001-05

2013-11-29

科技部科技攻关项目（2011BAD35B02-01）；科技部科技支撑项目（2011BAD16B11）

兴旺（1986-），女，博士研究生，研究方向为作物遗传育种。E-mail:xyjiayou_086@163.com

*通讯作者：邹德堂，教授，博士生导师，研究方向为作物遗传育种。E-mail:zoudt@163.com

时间2014-7-18 15:03:14[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140718.1503.011.html

兴旺,赵宏伟,王江旭,等.多环境下水稻株高QTL定位研究[J].东北农业大学学报,2014,45(8):1-5.

Xing Wang,Zhao Hongwei,Wang Jiangxu,et al.Study on quantitative traits loci of rice plant height under different environments[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(8):1-5.(in Chinese with English abstract)