彭 強(qiáng)， 張大雙， 吳健強(qiáng)， 王際鳳， 黃培英， 朱速松

(貴州省水稻研究所， 貴州 貴陽 550006)

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水稻苗期耐冷性的QTL定位分析

彭 強(qiáng)， 張大雙， 吳健強(qiáng)， 王際鳳， 黃培英， 朱速松*

(貴州省水稻研究所， 貴州 貴陽 550006)

為水稻苗期耐冷性QTL定位克隆研究提供實(shí)驗(yàn)素材，以213個(gè)IR24/Asominori重組自交家系(RIL)為作圖群體，并以141個(gè)SSR標(biāo)記構(gòu)建的分子連鎖圖譜為基礎(chǔ)，結(jié)合苗期低溫處理后親本和213個(gè)RILs的苗期死苗率，運(yùn)用QTL IciMapping 4.0軟件進(jìn)行水稻苗期耐冷性QTL檢測及其遺傳效應(yīng)分析。結(jié)果表明：在第6、第11和第12染色體上檢測到 3個(gè)苗期耐冷性QTL，分別命名為qCTS-6、qCTS-11和qCTS-12。這3個(gè)QTL的LOD值分別為3.194 3、4.688 2和3.797，對應(yīng)表型變異的解釋率分別為5.662 7%、8.549 6%和12.787 7%，且抗性等位基因均來自苗期耐冷親本Asominori。

水稻； 重組自交家系； 耐冷性； 作圖群體； 數(shù)量性狀基因座

低溫冷害是指植物在零度與其適宜生長溫度之間的溫度范圍內(nèi)引起的生長緩慢或非正常發(fā)育現(xiàn)象[1]。不同生長發(fā)育時(shí)期發(fā)生低溫冷害都會對水稻造成不同程度的影響。苗期冷害造成秧苗失綠、枯萎，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)爛秧、死苗現(xiàn)象，從而導(dǎo)致水稻減產(chǎn)[2]。苗期冷害不僅是我國云貴高原一季稻區(qū)、長江中下游早稻區(qū)和北方稻區(qū)的常見問題，也是世界水稻主產(chǎn)區(qū)普遍存在的問題[3]。因此，水稻耐冷性QTL及其遺傳基礎(chǔ)研究倍受研究人員的關(guān)注，具有很強(qiáng)的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。近年來，水稻耐冷性研究取得較大進(jìn)展。水稻苗期耐冷性是受多基因控制的數(shù)量性狀，前人利用分子標(biāo)記和各種遺傳群體定位到多個(gè)水稻苗期耐冷性QTL，12條染色體每條都有耐冷相關(guān)QTL或基因定位的報(bào)道[4-9]。但是，在冷害問題普遍存在的貴州地區(qū)，目前對水稻耐春寒基礎(chǔ)理論研究仍停留在水稻種質(zhì)資源苗期耐冷性性狀描述，苗期耐冷性QTL相關(guān)研究尚無報(bào)道。為此，筆者等以苗期耐冷性極強(qiáng)的水稻品種Asominori作為耐冷基因源，構(gòu)建213個(gè)IR24/Asominori重組自交家系(RIL)，根據(jù)其苗期耐冷性表現(xiàn)，用141個(gè)SSR標(biāo)記進(jìn)行水稻苗期耐冷性QTL檢測及其遺傳效應(yīng)分析，試圖找到貢獻(xiàn)率較大的QTL，旨在為水稻耐冷性QTL克隆提供素材，也為分子標(biāo)記輔助選擇(MAS)培育適應(yīng)貴州地區(qū)耐冷品種提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

IR24/Asominori重組自交群體由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)趙志剛博士提供，該群體由F1代通過單粒傳方法獲得。2012年夏季，將親本和213個(gè)RILs材料種植在貴州省水稻研究所(貴陽)試驗(yàn)田，每個(gè)材料種植20株，成熟時(shí)混收，曬干保存，用于苗期耐冷性鑒定。

1.2 苗期耐冷性鑒定

參考Nagamine[10]和Qian等[11]的方法，對213個(gè)RILs進(jìn)行苗期耐冷性試驗(yàn)，以2個(gè)親本(IR24不耐冷，Asominori強(qiáng)耐冷)作為對照，取2次重復(fù)試驗(yàn)死苗率的平均值作為苗期耐冷性表型值，進(jìn)行苗期耐冷性QTL定位分析。具體操作方法：取干燥的種子浸種1 d，催芽2～4 d至露白1 cm左右，均勻播種在盛滿泥炭土(有機(jī)基質(zhì))底部帶孔的500 mL塑料杯中(便于吸水)；置于人工氣候箱中常溫(白天28℃，14 h；黑夜23℃，10 h)培養(yǎng)至2葉一心期，去除病弱苗，每份材料每杯留12株左右，重復(fù)2次；全天10℃低溫處理10 d后，常溫恢復(fù)生長5 d，進(jìn)行死苗率調(diào)查。

1.3 QTL分析

IR24/Asominori重組自交家系的SSR標(biāo)記的分子數(shù)據(jù)由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)趙志剛博士提供。共141個(gè)SSR標(biāo)記，比較均勻分布在12條染色體上。應(yīng)用QTL IciMapping 4.0軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析并構(gòu)建遺傳連鎖圖譜，用Kosambi函數(shù)將重組率轉(zhuǎn)化為遺傳圖距(cM)，用MapDraw軟件繪制遺傳連鎖圖譜。該圖譜覆蓋水稻全基因組1 687.1 cM，標(biāo)記間平均距離為11.96 cM。采用QTL IciMapping 4.0軟件BIP功能中的完備區(qū)間作圖法(ICIM)進(jìn)行QTL定位，掃描步長設(shè)定為默認(rèn)值1.0 cM，LOD值設(shè)定為默認(rèn)值2.5，并計(jì)算每個(gè) QTL對苗期耐冷性的貢獻(xiàn)率和加性效應(yīng)。QTL的命名原則遵循McCouch等[12]提出的方法。加性效應(yīng)正值表示增效等位基因來源于耐冷親本Asominori，負(fù)值表示來源于不耐冷親本IR24。

2 結(jié)果與分析

2.1 親本和重組自交群體低溫處理的生長表型

經(jīng)低溫處理后，親本和RIL群體的生長情況出現(xiàn)明顯差異。親本Asominori所有幼苗的葉片水分充足，長勢正常；而親本IR24所有幼苗的葉片和莖都已枯死。在RIL群體中，部分家系生長與IR24相同，幼苗全部枯死；部分家系與Asominori相同，幼苗全部存活，其余的則介于兩者之間，有部分幼苗存活。

2.2 親本和重組自交群體苗期的耐冷性

經(jīng)苗期耐冷性鑒定，親本Asominori為強(qiáng)耐冷品種，其死苗率為0；IR24為不耐冷品種，其死苗率為100%。對213份IR24/Asominori RILs進(jìn)行苗期冷害處理后，統(tǒng)計(jì)RILs的苗期冷害死苗率。從死苗率的次數(shù)分布(圖1)可知，RILs的213個(gè)家系經(jīng)苗期冷害處理后的苗期死苗率在0%～100%之間連續(xù)分布，群體平均死苗率為58.6%。苗期耐冷性表現(xiàn)出受多基因控制的數(shù)量性狀遺傳特征。

圖1 低溫處理后RILs的苗期死苗率分布

Fig.1 Frequency distribution of dead seedlings rate at seedling stage for RILs after low-temperature treatment

2.3 水稻苗期耐冷性的QTL分析

采用QTL IciMapping軟件BIP功能中的完備區(qū)間作圖法對苗期死苗率進(jìn)行QTL分析，共檢測到3個(gè)苗期耐冷性QTL，分別位于第6、第11和第12染色體上，命名為qCTS-6、qCTS-11和qCTS-12，其對應(yīng)的標(biāo)記區(qū)間為RM6818-RM3827、RM167-RM3701和RM6296-RM277(圖2)，LOD值分別為3.194 3、4.688 2和3.797，對表型變異的解釋率分別為5.662 7%、8.549 6%和12.7877%，這3個(gè)QTL抗性等位基因都來自苗期耐冷親本Asominori(表)。

表 水稻苗期耐冷性的QTL定位及其遺傳效應(yīng)

圖2 水稻苗期耐冷性QTL染色體的分布

Fig.2 Interval distribution for QTL of cold tolerance at seedling stage in rice

3 結(jié)論與討論

從目前國內(nèi)外研究看，水稻苗期耐冷性是多基因數(shù)量遺傳，具有復(fù)雜的遺傳背景和廣泛的遺傳多樣性。不同的遺傳群體、耐冷性鑒定方法和低溫強(qiáng)度都會使苗期耐冷性QTL分析結(jié)果有很大差異。屈婷婷等[7]以圭630/02428的DH群體在第3、第11和第12染色體上檢測到3個(gè)苗期耐冷性QTLs；Zhang等[9]利用秈粳交RIL群體在第11染色體上檢測到一個(gè)與SSR標(biāo)記RM202緊密連鎖的苗期耐冷性主效應(yīng)QTL。本研究基于213個(gè)IR24/Asominori重組自交家系(RIL)的苗期冷害處理死苗率和141個(gè)SSR標(biāo)記構(gòu)建的分子連鎖圖譜，采用QTL IciMapping軟件BIP功能中的完備區(qū)間作圖法，分別在第6、第11和第12染色體檢測出1個(gè)苗期耐冷性QTL(qCTS-6，qCTS-11，qCTS-12)，其中qCTS-12的貢獻(xiàn)率最高。在Gramene網(wǎng)站(http://archive.gramene.org/markers)查相關(guān)分子標(biāo)記的詳細(xì)信息，比對分析發(fā)現(xiàn)，qCTS-11與屈婷婷等[7]、Zhang等[9]定位的QTL(第11染色體)都不同；qCTS-12與屈婷婷等[7]定位的QTL(第12染色體)也不是同一位點(diǎn)。此外，水稻苗期耐冷性是水稻生命過程中非常重要的農(nóng)藝性狀，直接影響水稻幼苗能否正常生長發(fā)育。

前人對水稻苗期耐冷性研究絕大多數(shù)在自然環(huán)境條件下展開，其結(jié)果易受外界環(huán)境影響。本研究采用人工氣候箱消除外界環(huán)境影響因素，以苗期死苗率作為耐冷性鑒定指標(biāo)，結(jié)果表明，2個(gè)親本的耐冷表型差異明顯，且RILs群體耐冷性是連續(xù)性分布，表現(xiàn)出受多基因控制的數(shù)量性狀遺傳特征，這與前人結(jié)論[3,8,10]類似。這些QTL的發(fā)現(xiàn)和定位為克隆分離相關(guān)耐冷基因提供理論基礎(chǔ)，同時(shí)也填補(bǔ)貴州省水稻耐冷性分子機(jī)理研究領(lǐng)域的空白，使貴州省對水稻耐春寒基礎(chǔ)理論研究進(jìn)入分子水平。

致謝：感謝南京農(nóng)業(yè)大學(xué)趙志剛博士在實(shí)驗(yàn)材料和數(shù)據(jù)處理方面給予的支持與幫助！

[1] 劉良式.植物分子遺傳學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2003:11-15.

[2] 向 彥,賀浩華,劉宜柏,等.東鄉(xiāng)野生稻耐冷性研究進(jìn)展[J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,25(4):482-486.

[3] 戴陸園,葉昌榮,徐福榮.水稻耐冷性研究[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2002,15(1):41-45.

[4] 韓龍植,喬永利,曹桂蘭,等.水稻生長早期耐冷性QTL分析[J].中國水稻科學(xué),2005,19(2):122-126.

[5] Jiang L,Xun M,Wang J K,et al.QTL analysis of cold tolerance at seedling stage in rice(Oryza sative L.)using recombination inbred lines[J].Journal of Cereal Science,2008,48:173-179.

[6] Koseki M,Kitazawa N,Yonebayashi S, et al.Identification and fine mapping of a major quantitative trait locus originating from wild rice,controlling cold tolerance at the seedling stage[J]. Mol Genet Genomics,2010,28(4):45-54.

[7] 屈婷婷,陳立艷,章志宏,等.水稻秈粳交DH群體苗期耐冷性基因的分子標(biāo)記定位[J].武漢植物學(xué)研究,2003,21(5):385-389.

[8] 周 勇,朱孝波,袁 華,等.水稻單片段代換系芽期和苗期耐冷性分析及耐冷性QTL鑒定[J].中國水稻科學(xué),2013,27(4):381-388.

[9] Zhang Z H,Li S,Li W,et a1.A major QTL conferring cold tolerance at the early seedling stage using recombinant inbred linesof rice(Oryza sativa L.)[J].Plant Science,2005,168:527-534.

[10] Nagamine T,Nakagahra M.Genetic variation of chilling injury at seedling stage in rice,Oryza sativa L.[J].Japanese Journal of Breeding, 1990,40(4):449-455.

[11] Qian Q,Zeng D L,He P,et al.QTL analysis of the rice seedling cold tolerance in a double haploid population derived from anther culture of a hybrid between indica and japonica rice [J].Chinese Science Bulletin,2000,45(5):448-453.

[12] MaCouch S R,Cho Y G,Yang M,et al.Blinstrub M, Morishima H,Kinoshita T.Report on QTL nomenclature[J]. Rice Genet Newslett , 1997, 14:11-13.

(責(zé)任編輯： 姜 萍)

QTL Analysis of Cold-tolerance at Seedling Stage in Rice

PENG Qiang, ZHANG Dashuang, WU Jianqiang, WANG Jifeng, HUANG Peiying, ZHU Susong*

(GuizhouRiceResearchInstitute,Guiyang,Guizhou550006,China)

To provided the experimental materials for identifying and cloning the quantitative trait loci (QTLs) of cold tolerance at the seedling stage, the authors analyzed QTLs location and evaluate the genetic effects of two parents and 213 RILs for cold tolerance at the seedling stage with the rate of dead seedlings by using software QTL IciMapping 4.0, and based on genetic linkage map of 141 SSR molecular markers and mapping population of 213 lines (recombination inbred lines, RIL) derived from a cross between IR24 and Asominori. The QTLsqCTS-6，qCTS-11andqCTS-12 related to cold tolerance at the seedling stage were detected on chromosome 6, 11 and 12, respectively.Individual QTLs(LOD=3.194 3,LOD=4.688 2,LOD=3.797 0) explained 5.662 7%, 8.549 6% and 12.787 7% of the observed phenotypic variance separately. All the three of detected QTLs allelescame from cold-tolerant parent Asominori.

rice; RIL; cold-tolerance; mapping population; QTL

2014-11-12； 2015-04-17修回

比爾和梅琳達(dá)·蓋茨基金會項(xiàng)目“為非洲和亞洲資源貧瘠地區(qū)培育綠色超級稻-二期”(51587-15)；貴州省重大專項(xiàng)“水稻種質(zhì)改良創(chuàng)新及新品種選育與應(yīng)用”[黔科合重大專項(xiàng)字(2013)6023]；貴州省優(yōu)秀科技教育人才省長專項(xiàng)基金項(xiàng)目“水稻耐冷性及品質(zhì)性狀基因(QTL)的分子定位與利用”[黔省專合字(2006)85]；貴州省科技創(chuàng)新人才團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目“貴州省水稻遺傳育種研究創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”[黔科合人才團(tuán)隊(duì)(2012)4020]；貴州省聯(lián)合基金項(xiàng)目“水稻高密度遺傳圖譜構(gòu)建和堊白QTL定位分析”[黔科合LH字(2014)7689]；貴州省農(nóng)科院自主創(chuàng)新科研專項(xiàng)資金項(xiàng)目“水稻種質(zhì)創(chuàng)新及高效育種與栽培技術(shù)體系研究”[農(nóng)科院自主創(chuàng)新科研專項(xiàng)字(2014)019]

彭 強(qiáng)(1986-)，男，助理研究員，碩士，從事水稻分子育種研究。E-mail：450058876@163.com

*通訊作者：朱速松(1966-),男，研究員，博士，從事水稻分子育種研究。E-mail：susongzhu@yahoo.com.cn

1001-3601(2015)05-0225-0011-03

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