TD70/Kasalath RⅠL群体定位水稻花药基部开裂长度QTL

赵 凌， 张亚东， 赵春芳， 周丽慧， 姚 姝， 于 新， 丁 丹， Tsutomu Matsui，王才林

(1.江苏省农业科学院粮食作物研究所/江苏省优质水稻工程技术研究中心/国家水稻改良中心南京分中心，江苏 南京210014;2.Faculty of Applied Biological Science，Gifu University，Gifu 501-2354，Japan)

近年来，随着全球气候的变化，高温热害频频发生，给中国乃至全世界的水稻生产造成了严重损失，尤其在孕穗期和开花期遇到高温热害会造成非常严重的危害。开展高温耐性研究，对于培育开花期耐高温的水稻品种，降低高温危害具有非常重要的意义。高温耐性属于数量性状，运用直接鉴定法和间接鉴定法对于育种者而言实施都较为困难。直接鉴定法利用自然高温条件在田间进行，简单易行，但限制因子较多，难以排除其他环境因子的影响，重复性较差。间接鉴定法一般利用温室和人工气候箱模拟自然高温条件进行鉴定，在控制温度和光照的情况下进行高温耐性鉴定，准确性较高，但需要昂贵的仪器，一次鉴定规模有限。不管是直接鉴定还是间接鉴定，对高温鉴定指标的选择都非常重要。研究者提出了不少用于鉴定水稻开花期耐高温的指标，最常用的为高温条件下的结实率［1］。由于高温条件下的结实率鉴定比较困难，研究者也提出了其他一些耐热性指标，如结实率的胁迫指数;秕粒率、实粒质量、整精米率、垩白度、蛋白质含量的胁迫指数［2］;高温条件下叶绿素、游离脯氨酸、脱落酸含量及花粉活力［3］等。运用不同的耐热性指标鉴定到很多水稻耐热QTL位点［4-11］，但这些鉴定指标在育种中直接应用还具有一定难度。找到与开花期高温耐性密切相关且容易在常温下鉴定的指标对于水稻耐高温育种迫在眉睫。

Matsui等进行了水稻花药基部开裂长度(Length dehiscence at the basal part of thecae，LDBT)和高温耐性的相关研究，明确开花期高温耐性与花药基部开裂程度有关［12-13］，花药基部开裂性状见图1，长的花药基部开裂是高温条件下保证结实率的有利性状，不仅年度间稳定，且在高温和常温条件下的表达具有平行性，提出可以在常温下利用水稻花药基部开裂长度进行开花期高温耐性鉴定［14-17］。Zhao以高温结实率作为水稻高温育性指标，也发现3个可能与水稻高温育性有关的性状(花药基部开裂长度、开花时间、穗部温度)中高温结实率与开花时间以及穗部温度间并没有相关性，而与花药开裂长度呈显著正相关［18］。Jagadish的研究结果也证实水稻开花期高温耐性与花药基部开裂程度有关［6］。

本研究利用亲本花药基部开裂长度存在显著差异的重组自交系群体(RIL)为作图群体，进行花药基部开裂长度的QTL定位和分析，进一步研究水稻花药基部开裂性状和其他农艺性状的相关性，为开花期耐热性研究提供理论依据。

图1 花药顶部和基部开裂［12］Fig.1 A dehisced anther

1 材料和方法

1.1 试验材料

以1个来源于天鹅谷///9520//(72-496/苏御糯)的粳稻品系TD70和籼稻品种Kasalath为亲本配制组合。2005年夏从F1单株收获自交种子，以单粒传方法构建成由240个株系组成的重组自交系(RIL)群体。于2012年在江苏省农业科学院粮食作物研究所试验田种植240个F2:7RIL群体及其亲本。所有材料秧龄30 d，每个株系种植1个小区，每小区4行，每行10株，行株距为26.7 cm×16.7 cm，单本栽插。随机区组设计，2次重复。田间管理按常规栽培管理方法。成熟后，每小区在中间行随机选择5个单株，按单株分别收获。

1.2 温度测定

用温湿监测仪(型号:HOBO U23-001)记录水稻冠层的最高温度，从0∶00开始，每1 h记录1次，每1 d 24 h监测。

1.3 性状测定

花药基部开裂长度:测量240个株系及其亲本的平均花药基部开裂长度。每份材料随机调查5个代表性植株，各性状的均值作为性状表型值进行分析。使用数字显微镜(VHX-500，Keyence Corportion，Osaka)直接测量花药基部开裂长度，每个小花随机测量5个花药。取5个花药的平均值作为小花的LDBT值，取5个小花的平均值作为单株的LDBT值。成熟后每小区在中间行随机选择5个单株，按单株分别收获。

抽穗期:整个小区50%单株抽穗的一天为抽穗当天，计算相关系数时将抽穗期表示为从播种到抽穗当天的天数。抽穗期间指抽穗当天及其前后各3 d。

农艺性状测定:性状包括240个株系及其亲本的株高、分蘖数、剑叶长、剑叶宽、结实率、总粒数、千粒质量、粒宽、粒厚、芒长等，取5个单株的平均值作为性状表型值进行分析。

1.4 统计分析

TD70与Kasalath的重组自交系群体的分子连锁图谱包含141个分子标记［19］，利用QTL IciMapping Version3.4软件［20］，采用完备区间作图法(Inclusive composite interval mapping，ICIM)在全基因组范围内进行扫描，检测控制花药基部开裂长度的QTL。以LOD值2.5作为阈值，判断QTL的存在，QTL的命名参照McCouch等［21］的原则。

使用SPSS17.0软件进行方差分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 RIL群体及其亲本的花药基部开裂长度的表型变异

2012年RIL群体及其亲本的花药基部开裂长度的表型变异见表1。亲本TD70花药基部开裂长度平均值为590.1 μm，而Kasalath的花药基部开裂长度平均值为342.4 μm。两亲本在花药基部开裂长度上存在极显著差异。从RIL群体的变异范围来看，重复1变幅为 247.6～864.4 μm，均值为446.4 μm，变异系数 81.43%;重复 2变幅为 254.9～781.9 μm，均值 448.2 μm，变异系数 79.49%(表1)。群体2个重复间差异不显著。

群体中花药基部开裂长度存在明显的超亲现象。从TD70/Kasalath RIL群体的频率分布看，花药基部开裂长度呈连续性并为正态分布，表现出数量性状的遗传特点(图2)。

表1 亲本与重组自交系群体花药基部开裂长度的表型变异Table 1 Phenotypic variation of LDBT of rice RⅠL population and two parents

图2 RⅠL群体的花药基部开裂长度性状的分布Fig.2 Distribution of rice LDBT among rice RⅠL population

2.2 花药基部开裂长度的QTL检测

对RIL群体进行花药基部开裂长度的QTL检测，共检测到2个QTL位点，分别分布在第6和第8染色体上(图3)。qLDBT6位于第6染色体RM3和RM3628之间15.8cM的区间内，LOD值3.23，贡献率为6.18%，加性效应为17.74%;qLDBT8位于第8染色体RM1376和RM4085之间11.1 cM的区间内，LOD值2.95，贡献率8.00%，加性效应20.09%。2个QTL位点的增效等位基因都来源于母本TD70(表2)。

2.3 RIL群体孕穗后期和开花期间的温度

亲本TD70和Kasalath的抽穗期分别为8月11日和8月9日。RIL群体的抽穗期分布从7月25日到9月9日。2012年7月22日至9月12日的日最高温度和日平均温度的变化如图4。其中日平均温度和日最高温度最高值均出现在7月30日，分别为32.34℃和37.18℃;9月9日的日平均温度和日最高温度均最低，分别为20.39℃和21.08℃。2012年7月19日至9月12日间只有14 d日平均温度超过30℃，其中3 d日平均温度超过32℃，只有1 d日最高温度超过37℃。

图3 检测到的花药基部开裂长度QTL在染色体上的位置Fig.3 The QTL loci for LDBT on rice chromosome

表2 在RⅠL群体中检测到的花药基部开裂长度的QTLTable 2 Ⅰdentification of QTLs for LDBT in rice RⅠL population

图4 RⅠL群体抽穗期间的温度Fig.4 Temperatures during heading in rice RⅠLs

2.4 花药基部开裂长度和其他农艺性状的相关性

从表3可以看出，RIL群体的花药基部开裂长度与剑叶宽、千粒质量、粒长、粒宽、粒厚间存在极显著正相关，与抽穗期、株高、分蘖数、剑叶长、总粒数、结实率、抽穗期当天最高温度、抽穗期平均温度和抽穗期间最高温度以及芒长之间不相关。

3 讨论

高温胁迫已成为影响水稻生产的主要因素之一，开展水稻耐高温的相关研究具有重要意义。前人研究结果表明水稻花药基部开裂长度与开花期高温耐性有关，并设想将水稻花药基部开裂长度作为常温下进行开花期高温耐性鉴定的指标。进行水稻花药基部开裂长度的相关研究，可以为此设想提供更多的理论依据。

表3 花药基部开裂长度和其他农艺性状间的相关性分析Table 3 The correlation analyses between LDBT and agronomic traits

本研究中定位到的控制水稻花药基部开裂长度的qLDBT8，位于第8染色体RM1376和RM4085之间11.1 cM的区间内。据Graneme网站截至2014年1月的不完全统计，目前所有发掘出的水稻QTL中涉及此区间的仅有4个位点(图5)。其中He等利用Peiai 64S/8902S的F2群体的240个株系检测到1个控制不育的位点S8也位于此区域［22］。S8位于第8染色体RM885和RG333之间0.57 Mb的区间内，在自然长日照处理、自然短日照处理、人工气候室长日照高温处理、人工气候室长日照低温处理和人工气候室短日照高温处理条件下都可以检测到，是一个稳定的控制育性QTL［23］。由于前人研究结果表明花药基部开裂长度也是同高温育性相关的性状，推测我们定位到的qLDBT8区域与小穗不育有重要关系，值得进一步研究。

控制水稻抽穗期的主效位点Ghd8也位于第8染色体 qLDBT8所在的区域内，物理距离4 331 109～4 333 832 bp，编码转录因子CCAAT盒结合蛋白的HAP3H亚基［24］。Ghd8不仅调节抽穗期，还同时具有调控水稻产量和株高的功能，和Hd5等位［25-26］。此外，qLDBT8所在的区域内还具有一个水稻生物产量QTL(qpw)和一个水稻稻瘟病抗性QTL(rbr8)［27-28］，这 2 个 QTL 在同一个位置，都位于RG333～RM25间2.7 Mb的区间内。

图5 qLDBT8区间内定位到的QTLFig.5 QTLs identified in the interval of RM1376 and RM4085 on chromosome 8

前期研究结果表明，水稻花药基部开裂长度是和高温下结实率相关的性状。国内外对水稻花药基部开裂长度的研究主要集中在和高温耐性的相关性研究。本研究首次对水稻花药基部开裂性状和农艺性状的相关性进行了分析。TD70是一个特大粒型的粳稻资源，其千粒质量达70 g，不仅粒长和粒宽比较大，其花药基部开裂长度也非常大，是一个进行花药基部开裂长度研究的非常好的材料。本研究检测发现RIL群体中花药基部开裂长度和结实率并不相关，这可能和2012年夏天抽穗期间的温度有关。石春林等以华粳1号和特优559为材料，发现减数分裂期33℃以下的温度对供试材料结实率无明显影响［29］。时宽玉等分析中稻花期高温的变化及其对产量的影响，结果表明当极端高温处于35～39℃时中稻的平均产量与35℃以下时中稻的平均产量无显著差异;当极端高温达39℃以上时，平均产量会显著降低13%［30］。王才林等则发现开花期日平均气温32℃以上，高温就会对水稻开花授粉造成影响［31］。2012年夏天7月25日到9月9日期间，日平均温度超过32℃只有3 d，只有1 d(7月30日)日最高温度超过37℃。而本研究240个RIL家系中，有16个家系的抽穗期在8月5号之前，8月6号后并没有出现日最高温度37℃以上的高温天气。开花期温度不够高可能是本研究RIL群体花药基部开裂长度和结实率不相关的原因。

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