不同温度条件下水稻种子活力 的定位分析 QTL

武汉植物学研究2005, 23(2) :125～130

J ou rna l of W uhan B otan ica l R esea rch

不同温度条件下水稻种子活力QT L 的定位分析

陈利华, 万杉

ΞΞ

ΞΞ

(武汉大学生命科学学院生物学实验教学中心, 武汉　430072)

Ξ

摘　要:为了揭示基因型与环境温度之间的互作对种子活力的影响, 利用1个粳籼交来源的重组自交系群体, 采用纸卷法在15、20和25℃条件下进行发芽试验, 考察了发芽率、芽长、根长及干重等4个种子活力相关性状。结合一张含有198个DNA 标记的连锁图谱, 用作图软件Q TLM apper 110定位与种子活力相关的Q 34个主效应Q TL 。这些Q TL 中的绝大多数(82%) 成簇分布于第3、58, 分别被命名为Q TL qSV 2321、qSV 2322、qSV 25、qSV 2821和qSV 2822。其中, Q 1、38应大小和方向在3个温度条件下均较一致; 而Q TL ℃条件下起作用, 在15℃低温条件下作用甚微或不起作用。Q , 而且这种互作具有明显的Q TL 特异性, 因此, 相对而言, , 。

关键词:水稻(O a tiva L . ) ; 种子活力; 数量性状基因座位(Q TL ) ; 基因型与环境互作

中图分类号:Q 943　　　　　文献标识码:A 　　　　　文章编号:10002470X (2005) 0220125206

M app i ng of QT L Con troll i ng Seed V ita l ity i n R ice under

Ξ

D ifferen t Tem pera ture Cond ition s

ΞΞΞΞ

CH EN L i 2H ua , W AN Shan

(E xp eri m ental Center of B iology , Colleg e of L if e S ciences , W uhan U niversity , W uhan 　430072, Ch ina )

Abstract :To investigate geno typ e ×environm en tal tem p eratu re in teracti on s fo r seed vitality

Q TL , a set of 282F 13recom b inan t inb red lines (R I L s ) derived from a jap on ica ind ica rice cro ss

. e . germ inati on rate , radical length , p lum u le length and w ere assessed fo r fou r seed vitality traits , i

p lum u le dry w eigh t , at th ree tem p eratu res of 25, 20and 15℃, resp ectively . U sing a linkage m ap w ith 198m arker loci , the m ain 2effect Q TL fo r the traits w ere m app ed by com po site in terval m ap 2p ing . A to tal of 34Q TL fo r the fou r seed vitality traits w ere iden tified . T he m aj o rity (82%) of these Q TL w ere clu stered w ith in five genom ic regi on s designated as Q TL qSV 2321, qSV 2322, qSV 25, qSV 2821and qSV 2822, resp ectively . A ll of these five Q TL had s m all individual effects on the traits , exp lain ing on ly 311%to 1518%of the p heno typ ic variati on w ith a m ean of 713%.Q TL qSV 2321, qSV 2322and qSV 2821show ed al m o st con sisten t effects on the traits acro ss all th ree tem 2p eratu res w h ile qSV 25and qSV 2822had effects m ain ly at the no rm al tem p eratu res of 20and 25℃. T h is resu lt indicated that there w ere sign ifican t geno typ e ×environm en tal tem p eratu re in 2teracti on s con tro lling seed vitality and these in teracti on s app eared to be Q TL 2sp ecific . A ll the five Q TL iden tified show ed effects on p lum u le length , suggesting that p lum u le length cou ld be u sed as a good indicato r to evaluate the level of seed vitality in rice .

收稿日期:2004207212, 修回日期:2004209213。

基金项目:国家

973计划项目(2001CB108806) ; 湖北省2004年高等学校教学研究项目; 武汉大学2004年度实践教学改革研究项目(200430) 。作者简介:陈利华(1983-) , 男, 万杉(1984-) , 女, 均为武汉大学生命科学学院2001级生物科学基地班学生。Ξ本研究在章志宏副教授的指导下完成。ΞΞ同为第一作者。

126武汉植物学研究　　　　　　　　　　　　　　　　　第23卷　

Key words :R ice (O ry z a S a tiva L . ) ; Seed vitality ; Q uan titative trait loci (Q TL ) ; Geno typ e ×environm en t in teracti on

　　种子活力是影响水稻(O ry z a sa tiva L . ) 田间出苗和早期生长的一个重要性状[1, 2]。特别是近年来, 随着水稻直播栽培面积在亚洲一些国家的扩大, 出苗速度慢、成苗率低已成为直播水稻生产中的一个重要限制因素[3, 4]。因此, 研究水稻种子活力的遗传基础和对高产水稻品种种子活力的遗传改良, 日益受到水稻育种家们的重视。然而, 由于水稻种子活力是受多基因控制的数量性状, 传统育种中对其进行表型选择的难度大、效果差[5]。随着DNA 分子标记技术的发展, Q TL (quan titative trait loci ) 分析已成为对多基因控制的数量性状进行遗传剖分的有效工具, 通过Q TL 分析可实现对单个基因或Q TL 子定位和效应分析, [6, ]子活力Q TL [810]。

基因型与环境互作是影响数量性状变异的一个重要因素[11]。就水稻种子活力而言, 影响该性状表达的最重要因素之一便是环境温度[12, 13]。研究表明, 水稻种子萌发和早期生长的适宜温度为25～30℃[13], 而在不同稻区或同一稻区的不同栽培季

水稻R I L 群体及其亲本的种子活力相关性状(包括发芽率、根长、芽长和芽干重4个性状) 。纸卷法发芽试验的具体操作详见Zhang 等[10]的描述。发芽试验设置了3个培养温度(25、20和15℃) , 每个温度条件各设有2次重复, 每次重复每个R I L 选用籽粒饱满的新鲜种子40粒。

水稻种子的发芽与生长速度因培养温度不同而差别很大。在本研究的发芽试验中, 分别在培养2d (25℃) 、3d (20℃) 和10d () 后观测发芽率; 分别在培养(25) ) 和15d (15℃) 后, (mm ) 和芽长, 将幼箱中70℃烘烤48h , 而后称量芽干重(m g ) 。

1. 2　分子图谱的构建及QT L 作图

水稻R I L 群体DNA 分子标记的检测及其连锁图谱的构建详见Zhang 等[10]的描述。构建的连锁图包含有覆盖水稻全部12条染色体的198个标记位点, 其中包括91个R FL P , 106个SSR 和1个单基因形态标记(g l 2l ) 。该图谱全长198011c M (Ko sam b i 函数) , 标记之间的平均间隔为1017c M 。取2次重复试验的均值用于Q TL 作图。用基于混合线性模型的作图软件Q TLM app er 110[14]对各性状进行复合区间作图, 以LOD 值210为阈值判定Q TL 的存在, 并计算各Q TL 的加性效应值和对性状的贡献率。

节, 水稻播种时的水(气) 温差别很大, 水(气) 温经常可达15℃以下。因此, 了解基因与环境的互作模式, 发掘在不同温度条件下稳定表达的有利基因, 对水稻种子活力的遗传改良具有重要意义。然而, 近年来一些关于水稻种子活力Q TL 研究, 一般都是在单一温度条件下进行的, 实验设计中对基因型与温度条件之间的互作缺乏考虑[810]。

本研究以1个水稻粳籼交来源的重组自交系(recom b inan t inb red line , R I L ) 群体为材料, 采用纸卷法在3个温度条件下(15、20和25℃) 进行发芽试验, 利用一张含有198个DNA 标记的连锁图谱, 对种子活力Q TL 进行定位分析, 主要目的在于考察种子活力Q TL 在不同温度条件下表达的稳定性。

2　结果与分析

2. 1　性状的表型分析

从表1可知, 2个亲本在种子活力上的差异及其差异程度与温度有关。在25和20℃的适温条件下, 2个亲本在发芽率、芽长和芽干重3个性状上差异极显著(P

在R I L 群体中

, 4个性状在3个温度条件下均呈现出连续变异, 并在高、低2个方向上表现出显著的超亲分离。

1　材料与方法

1. 1　水稻R I L 群体及其种子活力性状的测定

本研究采用的R I L 群体(包含有282个F 13

“一粒传”来源于粳籼杂交组合L em on t R I L s ) 通过(粳稻) 特青(籼稻) 。采用纸卷法作发芽试验, 测定

　第2期　　　　　　　　　　　　陈利华等:不同温度条件下水稻种子活力Q TL 的定位分析

表1　水稻R I L 群体及其亲本在3个温度条件下种子活力相关性状的表型分析T ab le 1　Pheno typ ic analysis of seed vitality related traits in the R I L popu lati on of rice

重组自交系群体

温度

T emperature

127

性状a )

T rait

L emont 24. 239. 213. 41. 4514. 645. 619. 41. 6358. 725. 526. 12. 73

特青

T eqing 79. 23344. 6

3

R I L populati on

25℃

20℃

15℃

发芽率Germ inati on rate

根长R adical length 芽长P lum ule length

芽干重P lum ule dry w eigh t 发芽率Germ inati on rate 根长R adical length 芽长P lum ule length

芽干重P lum ule dry w eigh t 发芽率Germ inati on rate 根长R adical length 芽长P lum ule length

芽干重P lum ule dry w eigh t

21. 4331. 7862. 944. 427. 657. 126. 030.

333333

2. 1233

均值±标准误. . 43. 3±24. 1137. 2±6. 315. 8±3. 51. 50±0. 2945. 9±21. 044. 0±8. 622. 2±5. 71. 98±0. 4133. 7±18. 422. 87. 4. 13. 范围

2. 5～100. 022. 5～55. 49. 4～28. 00. 80～2. 801. 3～91. 320. 3～81. 69. 5～40. 51. 00～3. 40

0～81. 48. 4～44. 112. 3～50. 01. 50～5. 50

a ) 在不同温度条件下, 发芽培养的时间不同, 因此, 3和33分别表示2个亲本之

间的差异达到显著(P

2. 2　QT L 分析

用作图软件Q TLM app er 1. 0对与种子活力相关的4个性状进行全基因组扫描, 共检测到34个

其中的绝大部分(82%) 成簇分布于染色体3、Q TL 。

5和8的5个染色体区段上(表2和图1) 。由于这5个染色体区段影响的均为与种子活力相关的4个性

状, 因此, 分别被命名为qSV 2321、qSV 2322、qSV 25、qSV 2821和qSV 2822。进一步分析这5个染色体区段, 发现有如下一些重要特性。

首先, 这5个染色体区段在3个温度条件下对种子活力相关性状的贡献率一般较低, 多在5%以上或10%左右, 个别最高的也只有15%。如位于3号

表2　不同温度条件下水稻种子活力QT L 的比较分析

2Q TL

qSV 2321qSV 2322qSV 25

Ch r . 335

标记区间

Interval

RM 162O SR 312RM 168RM 1482RM 85RM 132N 101502Y 1049

性状

T rait

LOD 3. 84. 45. 42. 23. 25. 54. 23. 52. 5

a 3

25℃

R (%)

2

20℃

33

15℃

R (%)

2

LOD 5. 72. 63. 73. 52. 73. 010. 3

a 1. 850. 07-1. 72-5. 10-1. 93-1. 36-0. 14

LOD 3. 65. 22. 23. 1

A 1. 920. 17-3. 68-2. 33

R (%)

2

qSV 2821qSV 2822

88

RM 2232RM 2102O SR 7RM 2302RM 264

56

RM 1612CD SR 49RM 302RM 340C 762R Z 516C 2852RM 11G 1932R G 574

非成簇分

布的Q TL

6712

芽长　芽干重发芽率芽长　发芽率根长　芽长　芽干重发芽率芽长　发芽率根长　芽长　芽干重根长　根长　芽长　根长　芽干重

0. 820. 08-8. 36-0. 74-0. 82-2. 05-0. 83-0. 074. 14

6. 36. 314. 75. 16. 310. 96. 36. 53. 6

10. 310. 38. 96. 95. 46. 315. 8

6. 66. 65. 29. 6

4. 62. 1

2. 6

-4. 34-2. 02-1. 07-0. 12-2. 22

5. 05. 93. 412. 1

4. 9

4. 4

7. 2

3. 1

5. 311. 44-3. 55

10. 83. 74. 8

5. 32. 2

-1. 97-0. 58

10. 13. 1

3. 82. 27. 2

2. 4313. 2

5.

92. 2

1. 071. 52

10. 76. 0

2. 0

0. 07

3. 4

3加性效应值, 正值表示增效等位基因来自L emont ; 33各Q TL 对性状的贡献率。

3A dditive effect , the po sitive value is the effect associated w ith substituti on of a T eqing allele by the co rresponding L emont allele and v ice versa ; 33V ariance exp lained by individual Q TL .

128武汉植物学研究　　　　　　　　　　　　　　　　　第23

卷　

图1　水稻种子活力QT L 在分子连锁图谱上的位置

F ig . 1　M o lecu lar linkage m ap of rice show ing locati on s of pu tative Q TL fo r rice seed vitality detected

. U pper end of ch romo som e is the sho rt arm under differen t temperatu re conditi on s

染色体上的qSV 2322在25℃条件下对发芽率的贡

献率为1417%, 位于5号染色体上的qSV 25在20℃条件下对芽干重的贡献率为1518%。这一结果

位于染色体区段qSV 2321、qSV 2322和qSV 2821上的Q TL 与温度条件之间的互作不显著。

第四, qSV 2321和qSV 2821对性状的加性效应值为正, 增效基因型来源于亲本L em on t ; 而其余3个染色体区段(qSV 2322、qSV 25和qSV 2822) 对种子活力相关性状的加性效应值均为负, 表明其增效基因型来源于亲本特青。可见, 尽管亲本L em on t 在25和20℃条件下的种子活力较差, 为低值亲本(表1) , 但仍具有影响种子活力的增效等位基因。在增效基因型来自于特青的3个染色体区段中(qSV 2322、

qSV 25和qSV 2822) , 有2个(qSV 25和qSV 2822) 在

与种子活力相关性状在R I L 群体中呈现为连续变异、分布频率接近于正态分布的特性相一致, 表明水稻种子活力相关性状均为受多基因控制的数量性状。

其次, 这5个染色体区段均分别同时影响着与种子活力相关的多个性状, 且同一染色体区段对其影响的多个性状的加性效应方向完全一致。第三, 位于3号和8号染色体上的qSV 2321、qSV 2322和qSV 2821在3个温度条件下的表达相对较稳定; 而位于5号染色体上的qSV 25和位于8号染色体上的qSV 2822主要在25和20℃下起作用, 在15℃的低温条件下作用很小或不起作用。由此表明, 水稻种子活力Q TL 与温度条件之间的互作具有Q TL 的特异性, 位于染色体区段qSV 25和qSV 2822上的Q TL 与温度条件之间存在着显著互作, 而

15℃的低温条件下不起作用或作用甚微。该结果为2个亲本在种子活力上的差异与温度有关这一现象

提供了合理的遗传解释。

第五, 这5个染色体区段均影响芽长; 其中, 有4个影响发芽率; 影响根长和芽干重的染色体区段

各为2个。由此表明, 作为种子活力的测定指标, 芽长和发芽率具有较好的代表性, 也便于测定。

　第2期　　　　　　　　　　　　陈利华等:不同温度条件下水稻种子活力Q TL 的定位分析129

第六, 不同染色体区段影响的性状有所不同。如qSV 2321在3个温度条件下均只影响芽长和芽干重; qSV 2322则主要影响芽长和发芽率; 而qSV 25则在25和20℃条件下均同时影响本研究中的4个测定性状; qSV 28则同时影响4个测定性状中的3个(根长、芽长和发芽率) 。

采用纸卷法[10]。相比之下, 纸卷法具有操作简便、占用培养箱空间小的优点, 因此, 特别适合于大批量材

料种子活力的同时快速测定。与培养皿法相比, 纸卷法在控制水分蒸发方面的效果应更好, 而控制水分条件的一致性, 应该是种子发芽试验中很重要的一个环节。

种子活力本身是一个抽象的概念, 需用发芽率、根长、芽长、干重等一些具体的指标或性状来定量测量。Peterson 等[18]的研究指出, 芽长是用于评价

ζa Califo rn ia 水稻种子活力的最可靠指标; R edon 等[12]的研究认为, 。在本研究中, 芽在3个温度条件下, 检Q TL 对4个种子活力

。因此, 相对而言, 作为水稻种子活力的测定指标, 芽长是最具有代表性的。尽管如此, 由于水稻种子活力是一个典型的受微效多基因控制的数量性状, 其表型受环境因素的影响较大, 因此, 在对这类性状的Q TL 分析中, 同时用多个相关性状进行联合分析, 可大大提高Q TL 的检测能力, 并提高结果的可信度。

致谢:本研究中所用的L emon t T eqing R I L 群体及其分子标记数据由国际水稻研究所付彬英博士和黎志康博士提供。华中农业大学作物遗传与改良国家重点实验室余四斌教授对分子标记数据的整理和遗传图谱的构建给予了热心的帮助。牛傲蕾、卢训莉、崔寒冰、毕琪琰等同学参加了种子发芽试验的部分工作。

3　讨论

在本研究中, 观察到水稻种子活力的各相关性

状在R I L 群体中表现出连续变异的特征, Q TL 定位结果进一步表明其为受多基因控制的数量性状。而数量性状的表达往往易受环境条件的影响, 并不同程度地表现出基因型与环境之间的互作。环境温度是影响水稻种子活力相关性状表达的最重要因素

ζa [12]之一[12, 13]。K rishnasam y 等[2]和R edon

。例如, 籼稻和热带粳稻类型品种的芽长对温度反应敏感; 而温带粳稻类型的品种的芽长在不同温度条件下表现相对稳定[2]。

本研究通过Q TL 分析, 不仅清楚地揭示了基因型与温度之间的互作对水稻种子活力的影响, 而且表明这种互作具有明显的基因(Q TL ) 的特异性。在检测到的5个与种子活力高度相关的染色体区段中(表2和图1) , 位于3号和8号染色体上的qSV 2

321、qSV 2322和qSV 2821在3个温度条件下的表达

相对稳定; 而位于5号染色体上的qSV 25和位于8号染色体上的qSV 2822主要在25和20℃下起作用, 在15℃的低温条件下作用很小或不起作用。与此类似, L i 等[15]在对水稻抽穗期和株高的Q TL 分析中, 也揭示了基因与环境之间的互作具有基因或Q TL 的特异性。从利用分子标记辅助选择对水稻种子活力进行遗传改良的角度来看, 在不同温度条件下表达相对稳定的qSV 2321、qSV 2322和qSV 2821具有更广泛的利用价值; 而位于5号染色体上的qSV 25和位于8号染色体上的qSV 2822, 只能适用于播种期间不受低温影响的品种(如我国双季稻区的晚稻品种或播种期较晚的一季晚稻品种) 的遗传改良。

由于环境效应较大, 对水稻种子活力的田间测定一般是困难的。但也有研究表明, 水稻种子活力的实验室测定结果与田间表现具有较好的吻合性。水稻种子活力的实验室测定方法主要有斜板法[12, 16]和培养皿法[9], 而本研究室近年来一直

[12, 16, 17]

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本刊编辑部　　　

2005年3月