利用双向导入系定位再生稻外观品质的QTL

2023-01-16胡慧高若愚李志新徐俊英杨隆维田雨邱先进徐建龙

核农学报 2023年2期

胡慧高若愚李志新徐俊英杨隆维田雨邱先进，* 徐建龙

（1长江大学农学院，湖北荆州 434025；2宜昌市农业科学院，湖北宜昌 443004；3中国农业科学院作物科学研究所，北京 100081）

水稻是世界上最重要的粮食作物之一，是全球一半以上人口的主食。近年来，随着人口的迅猛增长，水稻产量需要大幅提高［1］。再生稻是在我国南方发展起来的一种土地高效利用、资源节约的稻作模式，适宜应用在双季稻光温资源不足的地区，通过提高复种指数增加产量［2］。同时随着人们生活水平的提高，稻米品质也越来越受到人们的重视［3］，其中外观品质直接影响稻米的商品价值。外观品质主要包括粒型和垩白，粒型包括粒长、粒宽和长宽比，垩白包括垩白粒率和垩白度［3］。再生稻不仅可以提高产量，也能提高品质，尤其是可以降低垩白粒率和垩白度［4-6］。因此，理清再生稻外观品质的遗传基础，选育外观品质优良的再生稻品种，对满足人们对优质稻米的需求具有重要意义。

稻米外观品质均为数量性状，受多基因控制。遗传学家利用多种群体定位了多个影响稻米外观品质的数量性状位点（quantitative trait locus，QTL），这些QTL分布于全部12条染色体上［3］。此外，水稻中还精细定位和克隆了多个影响外观品质的基因［7-8］，如GS3［8］、GS5、GL7/GW7、qPCG1［9］、WCR1［10］、Chalk5［11］、qPGWC-7［12］、OsbZIP60［13］、qPGC8.1［14］、qPGC8.2、qPGC9和qPGC11［15］等。但是，再生稻外观品质的QTL定位报道仍较少，其遗传基础尚不明晰。

稻米外观品质QTL的表达还受到遗传环境和背景影响。例如，Wan等［16］利用Asomironi和IR24为亲本构建的染色体片段在8个环境中共定位到22个影响稻米外观品质的QTL，其中仅有9个QTL在所有环境中稳定表达。Zhao等［17］利用Lemont和Teqing正反交构建的两套重组自交系在9个环境下定位到78和43个影响水稻垩白性状的QTL，其中14和5个在不同环境中稳定表达。Qiu等［3］利用Minghui 63和02428构建的双向导入系在5个环境下分别定位到41和30个影响稻米外观品质的QTL，其中13和10个QTL在不同环境中稳定表达，9个QTL在两个遗传背景下被重复鉴定到。因此，稻米外观品质QTL极易受环境和遗传背景影响，限制了其在分子育种中的应用。

前期以籼稻明恢63和粳稻02428为亲本构建了两套双向导入系［3］，该导入系已通过重测序获得了包含4 568个Bin的基因型数据。本研究连续两年在湖北荆州考察双向导入系头季和再生季的外观品质，结合高密度的基因型数据定位影响再生稻外观品质的QTL，并利用分离群体对其中一个重要QTL进行验证，旨在为分子育种改良再生稻外观品质提供遗传基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究所用的试验材料为以籼稻明恢63和粳稻02428为亲本构建的两套双向导入系［3］，明恢63是福建省三明市农业科学院选育的籼稻三系恢复系，02428是江苏省农业科学院选育的粳稻广亲和品种。其中明恢63背景导入系（MH63-ILs）共有226个家系，02428背景导入系（02428-ILs）共有198个家系。

1.2 材料种植与性状考察

2018年和2019年连续两年将双亲和双向导入系种植于湖北省荆州市长江大学校内农场（30.18°N，112.15°E）。每年3月20日左右播种，秧龄35 d移栽。所有材料均设2次重复，每次重复内采用随机区组设计，每隔50个家系种植双亲作为对照。每个家系种植5行，每行10株，株行距均为20 cm，大田管理同当地常规管理。头季稻抽穗时记录抽穗期，并在成熟期（明恢63背景导入系在抽穗后30 d左右，02428背景导入系在抽穗后45 d左右，约8月20日）按家系混收，留桩高度约为40 cm［18］。脱种晾干后，室温储藏3个月。

头季稻收获前10 d施用尿素8 kg·667 m-2，收获后保持田间浅水，并施用尿素8 kg·667 m-2。再生稻同样调查抽穗期，并于成熟期（抽穗后25 d左右，约10月15日）按家系混收。脱种晾干后，室温储藏3个月。

参照Qiu等［3］的方法测定头季和再生季粒长（grain length in the first season，FGL；grain length in the ratoon season，RGL）、粒宽（grain width in the first season，FGW；grain width in the ratoon season，RGW）、垩白粒率（percentage of grains with chalkiness in the first season，FPGWC；percentage of grains with chalkiness in the ratoon season，RPGWC）和垩白度（degree of endosperm chalkiness in the first season，FDEC；degree of endosperm chalkiness in the ratoon season，RDEC）。选取10粒饱满的稻谷首尾相连排成一排，不重叠不留隙，测量10粒稻谷的总长度，重复测量3次，取平均值即为粒长。相同10粒稻谷横向最宽处排成一排，不重叠不留隙，测量10粒稻谷的总宽度，重复测量3次，取平均值即为粒宽。粒长与粒宽的比值即为长宽比（length to width ratio in the first season，FLWR；length to width ratio in the ratoon season，RLWR）。利用砻谷机（JLGJ-45，浙江省台州市新恩精密粮仪有限公司）、精米机（JMNJ-3，浙江省台州市新恩精密粮仪有限公司）和碎米分离机（FGS-13X20，浙江省台州市新恩精密粮仪有限公司）将稻谷加工后保留整精米，利用大米外观品质测定仪（JMWT12，北京东孚久恒仪器技术有限公司）测量整精米的垩白粒率和垩白度。再生季粒长、粒宽、长宽比、垩白粒率和垩白度与头季对应性状的比值即为粒长变化率（grain length ratio of RGL to FGL，GLR）、粒宽变化率（grain width ratio of RGW to FGW，GWR）、长宽比变化率（length to width ratio ratio of RLWR to RLWR，LWRR）、垩白粒率变化率（percentage of grains with chalkiness ratio of RPGWC to FPGWC，PGWCR）和垩白度变化率（degree of endosperm chalkiness ratio of RDEC to FDEC，DECR）。

1.3 数据分析

利用Statistica5.5软件［1］进行外观品质性状的描述统计和不同性状间的相关性分析，利用IciMapping4.2软件［19］中的BIP模块定位主效QTL，阈值设定为3.0。

1.4 第11号染色体6.19～6.97 Mb的验证

明恢63背景导入系在第11号染色体6.19～6.79 Mb区间同时定位到影响头季垩白粒率和垩白度、垩白粒率变化率和垩白度变化率的QTL。为了验证这个位点的真实性，在明恢63背景导入系中挑选了一份导入系DQ72，该导入系在第11染色体6.19～6.97 Mb为02428基因型。将DQT2与明恢63杂交，并构建一个F2分离群体。2021年在湖北省荆州市长江大学校内农场种植F2分离群体，利用明恢63和02428之间有多态性的标记RM479鉴定群体中每个单株的基因型，基因型鉴定的方法参见文献［1］。根据基因型鉴定的结果，考察两种纯合基因型每个单株头季和再生季的垩白粒率和垩白度，并计算垩白粒率和垩白度变化率，最后利用Turkey test［1］检验两种基因型之间性状是否存在显著差异。

2 结果与分析

2.1 双向导入系再生稻外观品质表现

两年间头季和再生季明恢63与02428的所有外观品质均表现出显著差异（P<0.05）（表1），其中明恢63的粒长和长宽比显著大于02428，粒宽、垩白粒率和垩白度显著小于02428。最终，除了2018年粒长外，双亲其余所有性状的变化率均无显著差异。此外，双亲粒长、粒宽和长宽比在头季和再生季间无显著差异，再生季的垩白粒率和垩白度均显著低于头季。双向导入系群体的外观品质均表现为连续变异（图1），且出现超亲分离，表明这些性状均为数量性状，受多基因控制。此外，两年间头季和再生季粒长、粒宽和长宽比及其变化率的变异系数均小于20%，而垩白粒率和垩白度及其变化率的变异系数均大于35%，表明垩白相关性状受环境影响较大。

图1 两年间双向导入系再生稻外观品质的频数分布图Fig.1 Frequency distributions of appearance quality traits of the reciprocal introgression lines in the first and ratoon seasons in two years

表1 两年间亲本和双向导入系再生稻的外观品质表现Table 1 Performances of appearance quality traits of the parents and reciprocal introgression lines in the first and ratoon seasons in two years

两年间同一性状在头季和再生季间表现均表现为显著正相关（P<0.01）（表2），表明头季外观品质好的材料再生季外观品质也好。两年间同一季节下明恢63背景导入系粒长与垩白粒率和垩白度表现为不相关或弱相关（|r|<0.3），其余群体的不同性状间均表现出显著相关性。其中粒宽与其他性状的相关系数最大，表明粒宽对稻米外观品质影响最大，粒宽较小的材料外观品质较好。

表2 两年间双向导入系再生稻外观品质性状间的相关性Table 2 Correlation coefficients of different appearance quality traits of the reciprocal introgression lines in the first and ratoon seasons in two years

2.2 再生稻外观品质主效QTL定位

利用双向导入系共定位57个影响再生稻外观品质的QTL（表3、图2），包括21个和22个影响头季和再生季外观品质的QTL，以及14个影响两季外观品质变化率的QTL，位于全部12条染色体上。

明恢63背景导入系分别定位到4个头季粒长、3个头季粒宽、4个头季长宽比、4个头季垩白粒率、2个头季垩白度、4个再生季粒长、4个再生季粒宽、5个再生季长宽比、3个再生季垩白粒率、3个再生季垩白度、5个粒长变化率、4个长宽比变化率、1个垩白粒率变化率和2个垩白度变化率的QTL（表3、图2）。除13个QTL（qFGW1、qFGW11、qRGL1.2、qRGL9、qRGW10、qRLWR4、qRLWR11、qGLR3、qLWRR1、qLWRR3、qPGWCR11、qDECR5和qDECR11）外，其余QTL来源于明恢63的等位基因均可提高外观品质。16个QTL（qFGL3、qFGW5、qFLWR3、qFLWR5、qFPGWC5.1、qFDEC5、qRGL3、qRGW5、qRLWR3、qRLWR5、qRPGWC5、qRDEC5、qRDEC7、qGLR7、qPGWCR11和qDECR11）在两年间被重复定位到，对表型的贡献率为1.01%～65.00%；其余QTL均只在一年中被定位到，对表型的贡献率最小（2.08%）。此外，有8个位点同时影响两个以上性状，例如第1号染色体3.53～3.95 Mb同时影响头季粒长、再生季垩白粒率和再生季垩白度，28.58～28.89 Mb同时影响头季粒宽、再生季粒长和粒长变化率；第3号染色体16.28～17.33 Mb同时影响头季粒长和长宽比、再生季粒长、粒宽和长宽比；第5号染色体3.35～4.28 Mb同时影响头季粒长、粒宽、长宽比、垩白粒率和垩白度、再生季粒宽、长宽比、垩白粒率和垩白度；第7号染色体24.68～25.46 Mb同时影响再生季垩白粒率和垩白度、粒长变化率；第8号染色体24.37～25.43 Mb同时影响再生季粒长和长宽比；第9号染色体11.77～14.01 Mb同时影响粒长变化率和长宽比变化率；第11号染色体6.19～6.97 Mb同时影响头季垩白粒率和垩白度、垩白粒率变化率和垩白度变化率。

表3 （续）

表3 双向导入系定位到的影响再生稻外观品质的QTL及其与环境的互作效应Table 3 QTLs and environment interactions for appearance quality detected of the reciprocal introgression lines at the first and ratoon seasons in the reciprocal introgression lines

02428背景导入系共定位到2个头季粒长、2个头季粒宽、4个头季长宽比、2个头季垩白粒率、2个头季垩白度、2个再生季粒长、2个再生季粒宽、4个再生季长宽比、2个再生季垩白粒率、1个再生季垩白度、1个粒长变化率和2个长宽比变化率的QTL（表3、图2），分别位于第1、第3、第4、第5、第6、第7、第10和第11号染色体。其中9个QTL（qFGL3、qFGW5、qFLWR3、qFLWR5、qRGL3、qRGW5、qRLWR3、qRLWR5和qRPGWC5）在两年间稳定表达，对表型的贡献率最大为25.00%；其余QTL仅在一年中被定位到，能解释1.22%～23.28%的表型变异。除qFGW11、qRGL1.1、qGLR1.1和qLWRR3这4个QTL外，其余QTL来源于明恢63的等位基因可提高外观品质。此外，5个位点同时影响两个或两个以上性状，例如第1号染色体3.53～3.95 Mb同时影响再生季粒长和粒长变化率，第3号染色体16.28～17.33 Mb同时影响头季粒长和千粒重、再生季粒长和粒宽，第5号染色体3.35～4.28 Mb同时影响头季粒长、粒宽、长宽比、垩白粒率和垩白度、再生季粒宽、长宽比、垩白粒率和垩白度，第7号染色体24.68～25.46 Mb同时影响再生季长宽比和垩白粒率，第10号染色体6.99～10.08 Mb同时影响再生季长宽比和垩白粒率。

图2 再生稻外观品质QTL在染色体上的分布Fig.2 Distribution of QTLs for appearance quality traits in the first and ratoon seasons

2.3 第11号染色体6.19～6.97 Mb的验证

本研究定位的57个QTL中，有4个位点同时影响4个以上性状且对表型的贡献率均超过10%（表3、图2），分别为第3号染色体16.28～17.33 Mb、第5号染色体3.35～4.28 Mb、第7号染色体24.68～25.46 Mb和第11号染色体6.19～6.97 Mb。前3个位点内均有精细定位和克隆的外观品质基因GS3［20］、GS5［21］、Chalk5［11］、GL7/GW7［22-23］和qPGWC-7［12］，最后一个为新定位到的多效性位点。

QTL定位结果显示，第11号染色体6.19～6.97 Mb同时影响头季垩白粒率和垩白度、垩白粒率变化率和垩白度变化率。为验证该位点的真实性，从明恢63背景导入系中挑选了一个携带02428等位基因该片段的导入系DQ72，该导入系的背景回复率为85.5%。将DQ72与明恢63杂交构建了包含189个单株的F2分离群体。利用与该片段紧密连锁的分子标记RM479鉴定了分离群体中每个单株的基因型，分别获得了43和57个明恢63和02428纯合基因型的单株。明恢63纯合基因型的头季垩白粒率和垩白度分别为12.33%和6.32%（表4），显著低于02428纯合基因型的48.22%和23.57%；明恢63纯合基因型的垩白粒率和垩白度变化率分别为0.47和0.32，显著高于02428纯合基因型的0.17和0.13。结果证明，第11号染色体6.19～6.97 Mb能影响头季垩白性状及两季垩白变化率。

表4 两种纯合基因型再生稻外观品质性状之间的差异Table 4 Differences of appearance quality traits in the first and ratoon seasons between two homozygous genotyping

3 讨论

前期研究中，利用明恢63和02428构建的双向导入系在5个环境下共定位到71个影响外观品质的QTL［3］。这5个环境包括华南稻区和长江中下游稻区的主要生态类型，双向导入系在这5个环境的高温条件下抽穗灌浆。本研究的头季稻也是在高温下抽穗灌浆，与之前的5个环境类似。此外，本研究的再生季抽穗灌浆环境与双季稻的环境类似，为常温环境。在该环境下定位到的qRGL1.1、qRGL3、qRGW3、qRLWR3、qRGW5、qRLWR5、qRPGWC5、qRDEC5、qRGL9和qRGW12与5个环境下［3］定位到的qGL1.1、qGL3.1、qLWR3.1、qGW3、qLWR5、qPGWC5、qDEC5、qGL9.1和qGW12.1位于相同区间，表明这些QTL在高温和常温下稳定表达，受环境影响较小，是改良再生稻外观品质中可以优先选用的遗传资源。

本研究利用籼稻明恢63和粳稻02428构建的双向导入系定位了57个影响再生稻外观品质的QTL，其中大部分QTL与前人报道的QTL位置相同或相近。例如，本研究定位的29个QTL（qFGL1、qGLR1.1、qRGL1.1、qFGL3、qFLWR3、qRGL3、qRGW3、qRLWR3、qLWRR3、qFGL4、qFLWR4、qFGL5、qFGW5、qFLWR5、qFPGWC5.1、qRGW5、qRLWR5、qRPGWC5、qRDEC5、qDECR5、qFPGWC6、qFPGWC7、qFDEC7、qGLR8、qRGL9、qFLWR9、qGLR9、qLWRR9和qRGW12）与利用相同群体［3］定位到的17个QTL（qGL1.1、qGL3.1、qLWR3.1、qGW3、qLWR4.3、qGL5、qGW5.1、qLWR5、qPGWC5、qDEC5、qPGWC6.2、qPGWC7、qDEC7、qGL8、qGL9.1、qLWR9和qGW12.1）位于相同位置，qFLWR1与之前定位的qLWR1处于相近位置。此外，qLWRR6与Zhang等［24］定位的qGL-6处于相近位置，qGLR7、qRLWR7、qRPGWC7和qRDEC7与已克隆的GL7/GW7［22-23］和qPGWC-7［12］位置相同，qRGL8、qRLWR8、qFLWR10、qRGW10和qRLWR10与Qiu等［25］定位的qGL8和qLWR10处于相近位置。这些重复鉴定到的外观品质性状QTL有待进一步精细定位和克隆，以验证其为同一个基因还是紧密连锁的基因。此外，本研究还新定位到17个影响再生稻外观品质的QTL，尤其是位于第11染号色体6.19～6.97 Mb的4个QTL（qFPGWC11、qFDEC11、qPGWCR11和qDECR11）已通过分离群体得到验证。后续将进行精细定位和克隆该位点，为分子育种改良再生稻的外观品质提供基因资源。

外观品质是典型的数量性状，受环境影响。其中，粒型性状的遗传力较高［1，26］，受环境影响较小；垩白的遗传力较低，受环境影响较大［3］。Wan等［16］利用染色体片段定位到的9个稳定表达的外观品质QTL中，控制垩白性状的QTL仅有3个。Qiu等［3］定位到的23个在不同环境中稳定表达的QTL中，控制粒型性状的有15个。本研究利用双向导入系考察再生稻的外观品质，两个遗传背景下粒型性状的变异系数比垩白的变异系数小，也说明粒型受环境影响比垩白小。此外，本研究定位到了25个在两年间稳定表达的QTL，其中有8个QTL影响垩白。比较本研究与相同群体在5个环境下的外观品质QTL［3］定位结果，有29个QTL与之前定位的QTL位于相同或相近区间，其中仅7个QTL影响垩白。由此可见，垩白及其QTL比粒型更易受环境影响。因此，利用定位到的外观品质QTL改良再生稻的外观品质时，应选择在多个环境下稳定表达的QTL，尤其是垩白QTL。

前人研究表明，复杂性状的QTL表达受遗传背景影响［27-30］，稻米外观品质QTL的表达也容易受遗传背景影响。例如，Qiu等［31］以籼稻品种IR75862为供体，测258和中广香1号为受体构建的两套导入系共检测到23个影响粒型的主效QTL，其中两套导入系中仅同时定位到3个QTL；Qiu等［3］用明恢63和02428构建的双向导入系共检测到71个影响外观品质的主效QTL，仅9个QTL在两个遗传背景下被重复定位到。本研究共定位到57个影响再生稻外观品质的主效QTL，其中17个QTL（占总QTL数的29.8%）在两个以遗传背景下稳定表达。因此，利用主效QTL进行再生稻的外观品质改良时，应尽量选择在不同遗传背景下稳定表达的主效QTL，最好将QTL定位与分子育种相结合，以提升分子改良的成功率。

外观品质直接决定了水稻的商品价值。定位影响再生稻外观品质的QTL，并将其导入到优良品种中，可以改良再生稻的外观品质，同时保持其他优良性状不变。本研究利用明恢63和02428共定位到57个影响再生稻外观品质的QTL，其中大部分QTL分布于第3号染色体16.28～17.33 Mb、第5号染色体3.35～4.28 Mb、第7号染色体24.68～25.46 Mb和第11号染色体6.19～6.97 Mb这4个区间（图2），这些位点中第3号染色体16.28～17.33Mb主要影响头季和再生季的粒型，第5号染色体3.35～4.28 Mb同时影响头季和再生季的粒型和垩白，第7号染色体24.68～25.46 Mb主要影响再生季的粒型和垩白，第11号染色体6.19～6.97 Mb主要影响头季的垩白，明恢63等位基因在这4个位点均可提高外观品质。前3个位点内均有已克隆的外观品质基因，第11号染色体6.19～6.97 Mb为新定位到的QTL位点，并通过分离群体验证了其真实性。因此，利用分子标记辅助选择将这4个位点的明恢63等位基因导入或聚合到优良品种中，可以同步改良现有品种头季和再生季的外观品质，获得较好的改良效果。