水稻垩白主效QTL的定位与分析

柏晶晶，胡文彬，汪 丽，周 政，王立峰，赵正洪，何予卿

（1. 华中农业大学，湖北 武汉 430070；2. 湖南省水稻研究所，湖南 长沙 410125； 3. 万年县农业农村产业发展服务中心，江西 上饶 335599； 4. 湖南省农业生物技术研究所，湖南 长沙 410125）

垩白是指在肉眼观察下存在于稻米中白色不透明部分，按照分布位置可分为腹白、心白和背白。垩白形成会造成大米透明度降低，商品外观变差，影响其市场价值；另外，垩白还能降低稻米硬度，造成稻米加工的商品率下降；虽然垩白粒率的增多能提高米饭蓬松度，但适口性下降十分明显，米饭食味变差[1]，因此，垩白的遗传研究对水稻新品种培育有着重要的指导意义。

垩白是一个调控机理十分复杂的性状，虽然容易因环境而发生改变，但主要还是基因型所决定。目前已经报道水稻垩白相关QTL或基因大约有80多个，第一个被克隆垩白基因是Chalk5[2]；还有一些由突变体克隆的垩白基因，如GOT1B、Os-SMK1、FucT、OsLTPL36、SSG4等[3-8]。Chalk5增加垩白粒率，尤其是增加水稻腹白的形成几率；它通过编码胚乳液泡焦磷酸合成酶V-PPase，使V-PPase转运液泡上的H+离子，从而影响液泡内外pH值，使其动态平衡被打破，导致水稻垩白产生，使水稻外观和食味品质受到影响。

Wang等[3]研究发现，gpa4基因突变体中囊泡转运蛋白存在缺陷，使得囊泡定位的VPE1前体增加，细胞内积累更多的57 kD谷蛋白前体，造成GluA和GluB含量增加，并在胚乳中形成松散的淀粉颗粒，从而导致gpa4突变体植株中储藏蛋白合成缺陷。Li等[5]研究发现，OsSMK1-1基因纯合突变体水稻种子呈现瘪缩，胚乳呈现全垩白，其主要原因是因为OsSMK1在线粒体基因表达调控中发挥重要作用，该基因能使水稻线粒体nad7在转录过程中发生碱基突变，即第836位的胞嘧啶（C）突变为尿嘧啶（U），进而造成线粒体异常，最终导致水稻籽粒胚以及胚乳发育受到限制，形成瘪缩、全垩白。SSG4编码一个功能未知新蛋白，该蛋白能直接调控水稻胚乳中淀粉颗粒的大小。Matsushima等[8]比较ssg4基因突变体与对照组日本晴发现，突变体中的垩白率明显提升，且胚乳中的淀粉颗粒显著增大。

此外，还有许多影响水稻垩白的基因未被发现，其调控机制尚不明确，需要研究人员进一步去挖掘和研究。研究选用9311和农香32两个籼稻品种，杂交后得到F1代，再自交得到192株F2代，旨在运用分子标记进行定位，找到水稻垩白相关的QTL，为以后基因的精细定位和克隆提供依据，也将为水稻品质改良提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 水稻材料

以常规籼稻9311为母本，优质籼稻农香32为父本，杂交后得到的F1代，然后自交获得F2代作图群体，共192个单株及其衍生F2∶3株系。

1.2 材料种植

2019年在武汉华中农业大学水稻试验田种植试验材料，将F2代种子种2个小区，每个小区共8行，每行种12株，共192株。2020年于华中农业大学试验田种植182个株系，每个株系种植12株，每10行分为一个小区。水肥管理和病虫害防治均参考当地常规田间管理。

1.3 水稻垩白考察

将水稻用砻谷机去掉颖壳，去除绿色糙米，随机抽取200粒左右，在垩白测定仪下进行垩白的考察。按照垩白的位置不同，将其分为腹白、背白、心白和无垩白，考察并统计腹白、背白、心白和无垩白糙米数，计算各类垩白占取比例，计算公式：各类垩白粒率=（各类垩白米粒数/总的米粒数）×100%，并记录数据。

1.4 分子标记检测

取单株叶片，利用CTAB法[9]抽提DNA，使用多态性引物进行PCR扩增，再用聚丙烯酰胺凝胶电泳鉴定结果；记录基因型，并以A、B、H表示。

1.5 遗传连锁图谱绘制

结合基因型和表型，利用R语言中的OneMap构建遗传连锁图谱；通过WinQTLCart 2.5软件的复合区间作图法得到QTL定位信息。

2 结果与分析

2.1 群体表型考察

对群体的表型进行考察分析，发现2019年武汉种植的9311/农香32 F2单株腹白粒率均值为1.89%，范围在0.00%~7.41%；背白粒率均值为0.61%，范围在0.00%~11.76%；心白粒率均值为4.99%，范围在0.00%~18.93%；垩白粒率均值为7.57%，范围在0.00%~27.45%；对2020年武汉种植的9311/农香32 F3株系表型考察，发现 F3群体的腹白粒率均值为3.53%，范围在0.00%~23.68%；背白粒率均值为0.12%，范围在0.00%~2.63%；心白粒率均值为4.85%，范围在0.00%~16.94%；垩白粒率均值为8.44%，范围在0.00%~33.55%；由图1可以得到，垩白相关表型均呈现偏分布趋势。

图1 9311/农香32群体表型分布（A：心白率；B：腹白率；C：背白率；D：垩白率）

2.2 遗传图谱的绘制

在双亲间筛选到107对多态性良好引物对用于鉴定9311/农香32 F2群体的192个株系的基因型，利用软件绘制其遗传图距为1192 cM的遗传图谱。结果如图2所示。根据遗传连锁图谱以及2019和2020年2 a 的9311/农香32 F2群体表型数据分析，初步定位到16个QTL，其中与腹白粒率相关QTL 5个，与心白粒率的相关QTL 5个，与背白粒率相关QTL 1个，与垩白粒率相关QTL 5个。

图2 9311/农香32 F2群体遗传连锁图谱及QTL在染色体上的分布

2.3 水稻垩白粒率的QTL定位与分析

由表1可知，水稻垩白粒率的QTL主要存在于第2、3、4、7、8号染色体上。在第2条染色体上同年检测到2个QTL，将其命名为qCR2.1和qCR2.2，2个QTL的LOD值分别为4.56和3.62，解释遗传变异率分别为9.72%和8.75%，加性效应分别为2.61和2.38。在第3条染色体上检测到1个与垩白粒率相关的QTL，将其命名为qCR3，其LOD值为2.51，解释遗传变异率为7.74%，加性效应为1.87。将第4条染色体上定位到的QTL命名为qCR4，其LOD值为3.09，解释遗传变异率为9.08%，加性效应为-1.26。将第7条染色体上定位到的QTL命名为qCR7，其LOD值为5.38，解释遗传变异率为5.47%，加性效应为-2.77。在第8条染色体上2 a均检测到同一个QTL，将其命名为qCR8，2 a的LOD值分别为2.57和4.47，解释遗传变异率分别为6.57%和2.23%，加性效应分别为-1.87和-2.22。

表1 9311/农香32 F2和F2∶3群体初步定位到的QTL

2.4 水稻腹白的QTL定位与分析

水稻腹白粒率的QTL主要存在于第1、2、11号染色体上。在第1条染色体上检测到一个与腹白粒率相关QTL，将其命名为qWBR1，其LOD值为3.87，解释遗传变异率为3.69%，加性效应为-1.22。在第2条染色体上同年检测到2个QTL，将其命名为qWBR2.1和qWBR2.2，2个QTL的LOD值分别为3.08和7.07，解释遗传变异率分别为7.21%和22.47%，加性效应分别为1.37和2.13。在第11条染色体上2 a均检测到同一个QTL，将其命名为qWBR8，2 a的LOD值分别为3.64和2.60，解释遗传变异率分别为0.31%和4.60%，加性效应分别为-1.71和1.28。

2.5 水稻心白粒率的QTL定位与分析

水稻心白粒率的QTL主要存在于第2、3、7、8号染色体上。在第2条染色体上检测到一个与腹白粒率相关的QTL，将其命名为qWCR2，其LOD值为2.85，解释遗传变异率为5.37%，加性效应为1.16。将第3条染色体上定位到的QTL命名为qWCR3，其LOD值为3.02，解释遗传变异率为6.55%，加性效应为1.52。将第7条染色体上定位到的QTL命名为qWCR7，其LOD值为5.11，解释遗传变异率为7.65%，加性效应为-1.71。存在于第8条染色体的QTL 2 a内均被检测到，将其命名为qWCR8，其 LOD值分别为3.31和5.70，解释粒长表型遗传变异率分别为8.46%和2.89%，加性效应分别为-1.65和-1.64。

2.6 水稻背白粒率的QTL定位与分析

水稻背白粒率的QTL主要存在于第1号染色体上。在第1条染色体上检测到一个背白粒率的QTL，将其命名为qBR2，其LOD值为2.70，解释遗传变异率为9.31%，加性效应为0.45。

综合以上结果分析发现，在第1号染色体上的RM128-RM297的位置同时检测到影响腹白粒率以及背白粒率相关性状的QTL；在第2号染色体上的B2.4-B2.8的位置同时检测到影响心白粒率、腹白粒率以及垩白粒率相关性状的QTL，在RM106-B2.9的位置同时检测到影响腹白粒率和垩白粒率QTL；在第3号染色体上的B3.26-B3.29的位置同时检测到影响心白粒率垩白粒率相关性状的QTL；在B7.8-B7.13位置上同时检测到影响心白粒率和垩白粒率QTL；在第8号染色体上的B8.3-RM25的位置同时检测到影响心白粒率以及垩白粒率的QTL。

3 讨论与小结

垩白是水稻籽粒外观品质的一个重要性状，垩白的存在严重影响水稻的外观，另外水稻籽粒中垩白还会导致大米的食用口感变差，加工商品率降低，从而降低稻米的经济价值。李成荃等[10]和刘宜柏等[11]研究中发现，垩白与粒形存在负相关，即：稻米的粒长越小，粒宽越大，稻米中存在的垩白越多。在研究中发现，存在于第3号染色体的B3.26和B3.29标记间的qWCR3同时调控水稻籽粒的粒长以及垩白率，这些结果与前人的研究结果基本相符。

垩白的产生是因为水稻胚乳中排列不规则淀粉颗粒以及蛋白质中存在的缝隙，导致水稻籽粒存在光折射而产生白色不规则部分，这可能是水稻在灌浆期时，填补籽粒时因为灌浆物质不够导致籽粒间填补不均匀，也有可能是因为水稻处于灌浆期填充物质时分配不均匀导致的。在该研究中，垩白的主要类型是心白和腹白，且增效位点均来自亲本9311；两年重复验证到调控垩白率的qCR8以及调控心白率的qWCR8定位在同一区间，猜测可能是一个QTL同时调控垩白率和心白率。由于目前获得的垩白基因极少，该研究中被定位与垩白相关的QTL能为后续的研究提供重要数据支持。