水稻中胚轴长度QTL分析

作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2010, 36(7): 1108−1113

ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9

http://www.chinacrops.org/zwxb/

E-mail: [email protected]

DOI: 10.3724/SP.J.1006.2010.01108

水稻中胚轴长度QTL 分析

黄 成 姜树坤** 冯玲玲 徐正进* 陈温福

沈阳农业大学 / 农业部作物生理生态遗传育种重点开放实验室 / 辽宁省北方粳稻育种重点开放实验室, 辽宁沈阳110161

摘 要: 为分析水稻中胚轴伸长与赤霉素的关系及其遗传基础, 以沈农265 (长中胚轴) 和丽江新团黑谷(短中胚轴) 的RIL 群体为材料, 结合其连锁图谱, 对水和赤霉素溶液两种培养条件下的中胚轴长度进行QTL 定位。结果表明, 浓度为1.50 μmol L−1的赤霉素可显著促进中胚轴的伸长。两种培养条件下, 共检测到控制中胚轴长度的5个QTL, 分布在第1、第2、第3、第6和第11号染色体上, LOD值在3.65~15.52范围内, 单个QTL 对表型贡献率在7%~33%之间。其中qML3、qML6和qML11在2种处理条件下均被检测到, qML1和qML2仅在水培条件下被检测到。与其他研究比较发现, 主效基因qML3可以在不同群体和不同环境下稳定表达。 关键词: 水稻; 中胚轴长度; 赤霉素; 数量性状座位

QTL Analysis for Mesocotyl Length in Rice (Oryza sativa L.)

HUANG Cheng, JIANG Shu-Kun**, FENG Ling-Ling, XU Zheng-Jin*, and CHEN Wen-Fu

Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology, Genetics and Breeding, Ministry of Agriculture / Key Laboratory of Northern Japonica Rice Breeding of Liaoning Province / Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161, China

Abstract: To understand genetic basis underlying the relationship between mesocotyl elongation and hormone (GA) in rice (Oryza sativa L.), we genetically analyzed RILs population derived from a cross between two japonica rice cultivars, Shennong 265 (long mesocotyl) and Lijiangxintuanheigu (short mesocotyl), with its linkage map. QTLs for mesocotyl length were detected under water and GA germination conditions. The results showed that GA at 1.50 μmol L−1 stimulated mesocotyl elongation dra-matically. Total five QTLs for rice mesocotyl length, each accounting for 7% to 33% of the phenotypic variance (VE), were de-tected on chromosomes 1, 2, 3, 6, and 11 under two germination conditions (environments). The LOD value of each QTL was ranged from 3.65 to 15.52. Among the five QTLs, qML3, qML6, and qML11 were detected under both germination conditions and qML1 and qML2 were identified only under water germination condition. In comparison with other studies revealed that major QTL qML3 was easily re-detected in different populations and environments. Keywords: Rice; Mesocotyl length; Gibberellin; Quantitative trait loci

胚轴是构成种子和幼苗及其形态建成过程中的重要部分, 它连接胚根、胚芽、子叶和禾本科植物的胚芽鞘, 通常分为上胚轴(子叶节或胚芽鞘节至胚芽的一段) 、中胚轴(禾本科植物盾片节至胚芽鞘节的一段) 和下胚轴(子叶节或禾本科的盾片节至胚根的一段) 。在水稻中, 上胚轴基本不活动, 下胚轴的伸长也极其有限, 主要靠中胚轴的伸长将胚芽连同伸长的胚芽鞘送至土表附近, 以便幼苗吸收空气中氧气而进行随后的正常生长[1]。所以, 水稻中胚轴的伸长对直播水稻萌发后的幼苗生长至关重要, 选育具有中胚轴伸长特性的品种是直播技术推广的重要

前提。

关于长中胚轴水稻资源的筛选已有部分报道, Wu 等[2]从84份水稻和12份陆稻资源中, 筛选到14份长中胚轴材料(>1 cm), 其中5份是陆稻, 9份是水稻。王莹等[3]研究了93份杂草稻和16份栽培稻中胚轴的伸长特性发现, 其中7.5%的杂草稻具有较长的中胚轴(>7.5 cm), 对于中胚轴伸长能力, 杂草稻强于栽培稻, 籼稻又强于粳稻。林建荣等[4]研究表明, 中胚轴伸长特性受2对隐性基因控制, 并与株高存在一定的连锁关系。随着以分子标记连锁图谱为基础的QTL 分析技术的发展, 该技术已成为研究复杂

本研究由国家自然科学基金项目(30971845)和国家重点基础研究发展计划(973计划) 项目(2009CB126007)资助。

*

通讯作者(Corresponding author): 徐正进, E-mail: [email protected], Tel: 024-88487183

**

第一作者联系方式: E-mail: [email protected]; [email protected] Received(收稿日期): 2010-02-03; Accepted(接受日期): 2010-04-20.

共同第一作者

第7期

黄 成等: 水稻中胚轴长度QTL 分析 1109

性状遗传机制的主要手段之一。Redoña和Mackill [5]利用Labelle 和BlackGora 的F 2群体及其对应的连锁图谱共检测到控制中胚轴长度的5个QTL, 位于第1、第3、第5和第7号染色体上, 并认为该性状存在基因型与环境互作。曹立勇等[6]利用籼稻IR64和粳稻Azucena 杂交的F 1代花粉离体培养获得的DH 群体定位了控制中胚轴长度的8个QTL, 分别位于第1、第3、第6、第7、第8和第12号染色体上, 也认为该性状存在基因型与环境互作。Katsuta-Seki 等[7]利用Daorenqiao 和Surjumkhi 的F 2:3家系, 在第3、第6和第11号染色体上定位了3个控制中胚轴长度的QTL 。

在影响中胚轴伸长的众多因素中, 激素是不能忽视的重要影响因子。Nishizawa 等[8]研究表明乙烯能促进中胚轴伸长。Suge [9]证明乙烯不但促进中胚轴伸长, 而且在高温条件下作用效果增强。陈金桂等[10]研究表明适量的赤霉素(GA)能够促进中胚轴的生长, 高浓度的GA 作用相反。曹立勇等[11]也得到类似结果。关于激素调节中胚轴伸长的遗传机制鲜有报道, 本研究拟检测水培和GA 处理两个环境下, 控制幼苗中胚轴长度的QTL, 探讨GA 促进水稻幼苗中胚轴伸长的遗传基础。

1 材料与方法

1.1 材料

利用沈农265(SN265)和云南省的地方粳稻品种丽江新团黑谷(LTH)为亲本进行杂交构建的包含126个株系的粳-粳重组自交系群体(recombinant inbred lines, RILs)及其对应的包含121个标记的连锁图谱为材料。QTL 定位图谱包含119个分子标记和2个形态学标记(紫色稃尖C 和直立穗型EP ) 。该图谱共有12个连锁群, 覆盖水稻基因组为1 397.50 cM, 标记平均距离为11.55 cM[12]。

1.2 方法

按Wu 等[2]和曹立勇等[11]的方法进行幼苗培养与中胚轴长度测定。于种子发芽试验专用培养皿底垫吸水纸2层, 加水10 mL, 每个株系挑选30粒饱满、干燥、无病种子整齐均匀排放在吸水纸上, 用不透光的纸严密包裹培养皿, 置小型人工气候箱中在适温(25~28℃) 黑暗条件下培养10 d, 设3次重复(每个重复30粒) 。出箱后, 用毫米刻度尺测定每一株系的每一株幼苗的中胚轴长度(指幼苗根部节间到芽鞘节之间的长度)(图1), 最后求出每个株系3次

重复的平均中胚轴长度, 用于进一步的分析。

图1 亲本的幼苗中胚轴

Fig. 1 Seedling mesocotyl of parents

1.3 激素处理

将赤霉素(GA)配成8.00 μmol L−1母液, 依次稀释成浓度为1.00、1.25、1.50、1.75、2.00、2.25和2.50 μmol L−1的溶液, 以蒸馏水作对照, 按1.2方法培养和测量中胚轴长度。

1.4 QTL定位

利用Qgene4.3.2软件[13]的复合区间作图法进行QTL 定位, 选择前景控制因子方法, 参数设置为自动。采用排列组合1 000次的方法确定LOD 阈值。当实际求得LOD 值大于阈值时, 就认为该区段存在一个QTL, 其置信区间为LOD 峰值向下1个LOD 值单位的区间。

1.5 不同群体的结果比较

在禾本科作物比较基因组学网站GRAMENE 的Markers Search网页(http://www.gramene.org/db/mar- kers/marker_view)上搜索该QTL 两侧标记的物理位置(以日本晴的序列为基准) 以确定该QTL 在染色体上的物理区间, 从而进行不同连锁图谱QTL 的比较。

2 结果与分析

2.1 亲本中胚轴在不同浓度GA 溶液的伸长表现以1.00、1.25、1.50、1.75、2.00、2.25和2.50 μmol L −1等7个GA 浓度处理发现, 亲本中胚轴长度对GA

1110

作 物 学 报 第36卷

处理浓度比较敏感。在较低浓度(1.00~1.50 μmol L−1) GA 处理下, 中胚轴长度明显增长; 随着浓度的升高(1.75~2.50 μmol L−1) 其长度逐渐减小。由此可见, GA溶液对水稻中胚轴伸长生长, 在较低浓度下有促进作用, 在较高浓度下有抑制作用。由于浓度1.50 μmol L−1时双亲中胚轴长度最高, 故选用该浓度处理RIL 群体。

在水培条件下中胚轴平均达0.748 cm, 最长达2.30 cm, 最短为0.18 cm; 在浓度1.50 μmol L−1的GA 处理下中胚轴平均达1.584 cm, 最长3.52 cm, 最短为0.65 cm, 且变异系数较大。群体在水和GA 处理下的中胚轴长度均呈正态分布, 并呈现出极强的超亲分离。相关分析的结果表明, GA处理下的中胚轴长度与水处理下的中胚轴长度高度正相关(r =0.807**) 。

2.2 中胚轴长度在RIL 群体中的表现及相关分析

沈农265和丽江新团黑谷的中胚轴伸长具有较大的差异, 水培条件下, 中胚轴长度分别为1.144 cm 和0.419 cm, 在浓度1.50 μmol L−1的GA 处理下为1.678 cm和1.192 cm (图2), 差异达到极显著水平; 表1表明, 沈农265/丽江新团黑谷的RIL 群体

图2 沈农265(SN265)和丽江新团(LTH)黑谷在不同GA 浓度下

的处理的中胚轴长度

Fig. 2 Mesocotyl length of SN265 and LTH under different

GA content

2.3 中胚轴长度QTL 分析

在应用1.50 μmol L−1 GA溶液和蒸馏水对照两种培养条件下, 共检测到控制中胚轴长度的QTL 5个(表2和图3), 分布于第1、第2、第3、第6和第11条染色体上, 最高LOD 值变幅为3.65~15.52, 单个QTL 表型贡献率的变幅为7.95%~33.36%。qML1和qML2仅在对照条件下被检测到, 前者贡献率为10.87%, 加性效应为0.17 cm, 增效等位基因来源于母本沈农265; 后者贡献率为12.03%, 加性效应为0.23 cm, 增效等位基因来源于父本丽江新团黑谷。qML3、qML6和qML11在2种处理条件下均被检测到, 增效等位基因均来自母本, 其中, qML3在对照和GA 处理条件下的加性效应分别为0.29 cm和0.41 cm, 贡献率分别为24.97%和33.36%, 超过所有其他QTL, 且其1-LOD 置信区间基本一致; qML11的1-LOD 置信区间基本无变化, LOD值、加性效应和贡献率亦高度稳定; qML6的1-LOD 置信区间偏移较大, 加性效应和贡献率较低, 但其LOD 值、加性效应和贡献率仍高度稳定。

表1 沈农265/丽江新团黑谷的RIL 群体在水和GA 培养下中胚轴长度的分布

Table 1 Distribution of mesocotyl length in SN265/LTH RILs population under water and GA

处理 Treatment 水Water 赤霉素GA

**

RIL

沈农265 丽江新团黑谷 差值 平均值±标准差 变幅 变异系数 峰度 偏度 SN265 LTH Difference Mean±SD Range CV Kurtosis Skewness

**

1.14 0.42 0.73 0.75±0.54 2.30–0.18 71.79 0.98 1.36

**

1.68 1.19 0.49 1.58±0.68 3.52–0.65 42.61 0.71 −0.36

亲本Parent

P

表2 在2种处理下检测到的中胚轴长度QTL

Table 2 QTLs for mesocotyl length detected in two treatments

数量性状座位

QTL qML1 qML2

qML3 qML6 qML11

a. a.

染色体 Chromosome

1 2

3 6 11

处理 Treatment 水Water 水Water 水Water 赤霉素GA 水Water 赤霉素GA 水Water 赤霉素GA

贡献率 标记区间 LOD 值 加性效应a

a

Additive effect PVE (%) Marker interval LOD value

RM562–RM5 9.50 0.17 10.87 RM279–RM145 3.65 −0.23 12.03

RM426–RM448 8.93 0.29 24.97 RM426–RM514 15.52 0.41 33.36 RM253–RM402 4.95 0.17 9.28 RM402–RM541 5.20 0.20 7.95 PM173–RM441 8.99 0.23 18.25 PM173–RM441 8.07 0.27 11.76

一个母本型等位基因取代父本型等位基因所产生的遗传效应。

Genetic effect when a paternal allele is replaced by a maternal allele. PVE: phenotypic variation explained.

第7期

黄 成等: 水稻中胚轴长度QTL 分析 1111

图3 沈农265/丽江新团黑谷群体中检测到的控制中胚轴长度的QTL Fig. 3 QTL map of mesocotyl length in the RIL population of SN265/LTH

3 讨论

水稻幼苗中胚轴长度因品种即遗传基础的不同而异, 也常因周围环境因素的变化而产生较大的变异, 中胚轴长度的直接鉴定方法主要采用在黑暗条件下种子发芽若干天后, 测定其幼苗中胚轴的长 度[2-6]。本试验采用这一方法, 成功地进行了控制水稻幼苗中胚轴长度的QTL 定位。在栽培稻中, 籼稻中胚轴易伸长, 而粳稻的中胚轴几乎不伸长

[1-2,8]

率, 而另一方面又增长了株高和节间长度, 降低了抗倒伏能力。我们利用该群体进行株高和节间长的QTL 分析(另文报道) 时, 仅有个别控制中胚轴长度的基因座与控制株高(或节间长) 的基因座连锁, 但并未检测到任何同时控制中胚轴长度和株高(或节间长) 的基因座, 说明二者有着不同的遗传基础, 这为我们培育长中胚轴但株高合理的直播稻提供了理论支持。

水稻幼苗中胚轴长度的遗传具有一定稳定性, 但也受周围环境因素的影响[5-6]。本研究中母本沈农265和父本丽江新团黑谷对GA 具有较强敏感性。在较低浓度处理下, 其中胚轴长度明显增长; 在较高浓度的GA 浓度处理下其长度显著减短。1.50 μmol L−1的GA 浓度效果较好, 与吴三桥等[14]2002年的报道(1.25 μmol L−1) 较为接近。已有研究[15]表明, GA 通过促进细胞的伸长进而调节中胚轴的长度。本研究在GA 处理条件下检测到3个QTL, 这3个基因很可能与GA 之间通过某种联系进而调控中胚轴的生长, 对它们进行精细定位和克隆将会为我们了解这种机制提供直接证据。本研究由于条件所限, 仅对GA 一种激素7种浓度进行了研究, 关于其他激素对中胚轴长度的影响需进一步探讨。

与其他研究者的结果[5-6]比较发现(图4), 主效

。但

本研究发现, 粳稻沈农265在两种培养溶液中的中胚轴长度明显长于丽江新团黑谷, 而且5个QTL 中有4个的增效等位基因来源于沈农265。其原因: (1) 沈农265是籼粳杂交后代, 其部分长中胚轴基因可能来源于籼稻; (2) 部分长中胚轴基因可能是在水稻籼粳分化之前就存在, 始终存在于粳稻之中。但这仅仅是推测, 仍需试验进一步证明。以上信息表明沈农265可以作为直播的候选品种, 也可以作为直播品种的亲本材料。

林建荣等[4]研究发现, 控制中胚轴伸长的基因很可能与控制株高、节间长度等性状的基因存在着连锁关系。由于株高、节间长度等性状直接关系到水稻的抗倒性, 因此在直播稻的育种中利用长中胚轴特性的材料, 很可能一方面提高了直播稻的出苗

1112

作 物 学 报 第36卷

基因qML3在不同群体、不同环境下重演性很好, 可以作为基因克隆的首选目标。Redoña等[5]研究发现qML3的加性效应值为0.33, 贡献率为17.0%; 曹立勇等[6]研究发现qML3的加性效应值为0.21, 贡献率为11.3%。本研究在两个不同环境下检测qML3的加性效应值分别为0.29和0.41, 贡献率分别为

24.97%和33.36%。利用分子标记技术分析定位控制中胚轴长度的微效多基因(QTL), 并通过分子标记辅助选择的方法对控制中胚轴长度的QTL 进行聚合, 再辅之以农艺性状的改良就可以把控制中胚轴长度的基因聚合到高产水稻品种中, 培育优良直播品种。

图4 本文结果与已经定位控制中胚轴长度的QTL 比较

Fig. 4 Comparison of QTLs controlling mesocotyl length between reference and this study

4 结论

在水培(对照) 和GA 处理两种培养条件下, 共检测到5个控制水稻中胚轴长度的QTL 。其中qML1和qML2仅在对照条件下被检测到, qML3、qML6和qML11在2种处理条件下均被检测到。主效QTL qML3在不同群体和不同环境下稳定表达, 可用于分子标记标记辅助育种和基因克隆。

12(3): 226−228

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