基于水稻RIL群体的加工品质性状QTL分析

陈 丽,马 静,朱志明,刘 炜,孙建昌

(1.宁夏农林科学院农作物研究所,银川 750002;2.宁夏农业技术推广总站,银川 750001)

0 引 言

【研究意义】稻米品质是一个包括多项指标的综合性概念[1]。稻米品质主要包括加工品质、外观品质、蒸煮食味品质和营养品质[2-5]。其中加工品质指稻谷在碾磨后保持的特性,加工品质衡量指标主要有出糙率、精米率和整精米率,而高整精米率则是优质稻谷所具备的良好品质之一。【前人研究进展】前人[6-23]利用亚种内、亚种间和种间各种组合衍生的群体,对控制加工品质和粒形的 Quantitative trait locus (QTL)开展了分子定位研究。定位结果表明[24],控制糙米率 QTL在第 3 和 4 染色体上检测到较多,精米率 QTL 主要分布于第 5、6 和 10 染色体,整精米率 QTL 在第 1、5 和 6 号染色体上检测到较多。【本研究切入点】虽然影响水稻加工品质的QTL精确定位到了特定染色体的一些区域,但是由于研究群体差异、所处环境的影响,QTL定位结果不尽相同,能够应用于水稻品质选育的QTL还很少,目前仅克隆了1个影响整精米率的基因Chalk5[25]。需要发掘有利用价值的稻米品质性状相关QTL。【拟解决的关键问题】采用整精米率差异较大的13HJZ-44/13HJZ-19材料及其构建的RIL群体为材料,分析加工品质相关性状QTL定位,发掘有利QTL,为水稻品质育种提供基础依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试材料为13HJZ-44(母本)、13HJZ-19(父本)及二者杂交衍生的包含243个家系的RIL群体F7代。其中13HJZ-44为低整精米率材料,13HJZ-19为高整精米率材料。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验于2019～2021年在宁夏农林科学院农作物研究所基地进行,采用插秧栽培方式,随机区组设计,每份材料种植2行,行长2 m,株行距26.4 cm×9.9 cm,每穴3～5苗,重复3次。成熟时各材料单独收获、脱粒、自然晒干,待稻米理化性质稳定后用于加工品质测定。

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 出糙率

称取饱满种子 25 g,根据待测样品谷粒的厚度,调节砻谷机皮辊的间距值 0.5～1.0 mm,将样品匀速倒入砻谷机中去壳,用天平称取糙米的重量,每个样品重复2次。糙米率=糙米重/样品总重×100%。

1.2.2.2 精米率

碾米机内部用刷子打扫干净,将经糙米率测定的糙米放入碾米机中加工,每次约 10 g,运行40 s,将糙米磨成精米,用天平称取精米的重量。精米率=精米重/样品总重×100%。

1.2.2.3 整精米率

从磨成精米中挑出完整米粒,将所挑出的完整米粒称重。整精米率=整精米率重/精米重×100%。

1.2.2.4 基因组DNA提取和QTL定位

于分蘖前期对亲本及群体材料每株挂牌,田间采集叶片,利用打孔器将叶片打入 2.0 mL 的离心管中,每个离心管中装有 2 mm 钢珠。将装好样品的离心管按照顺序放入研磨机(SPEX Geno2010-230 )配备的 48 孔金属槽中,经液氮冷冻后进行研磨,采用CTAB法提取亲本及子代DNA。

1.3 数据处理

采用R/qtl软件的Check Interval Mapping(CIM)对加工品质性状进行QTL检测,利用Permutation test(P<0.05)方式QTL确定阈值,并计算每个QTL的贡献率和加性效应,QTL的命名原则遵循McCouch[26]等方法。

使用北京百迈客生物科技有限公司自主研发的SLAF-seq(Specific-Locus Amplified Fragment Sequencing)软件[27],以日本晴为参考基因组,对水稻重组自交系遗传分离群体(2个亲本和243个子代)进行高密度分子标记开发。

以连锁群为单位,采用HighMap软件[28]分析获得连锁群内Marker的线性排列,并估算相邻Marker间的遗传距离。

2 结果与分析

2.1 亲本及RIL群体加工品质性状的变异

研究表明,亲本13HJZ-44的出糙率、精米率、整精米率分别为83.68%、70.25%和41.25%,13HJZ-19的出糙率、精米率、整精米率分别为84.15%、73.25%和61.02%。RIL群体家系的出糙率、精米率、整精米率变异较大,变异范围分别为70.00～90.00%、57.00～86.00%和37.00～66.00%,其中出糙率变异幅度最大,变异系数为48.91%,精米率次之,整精米率变幅最小,变异系数为9.23%,且各性状变化均存在超亲现象。表1

表1 亲本及RIL群体加工品质性状的变异表现

RIL群体中各性状呈连续变异,属于典型数量性状,受多基因控制,该群体适合进行QTL定位。图1

注:A.代表家系的出糙率;B.代家系的表精米率;C.代表家系的整精米率

2.2 水稻RIL群体遗传图谱的构建

研究表明,亲本平均测序深度为38.53 X,子代平均测序深度为11.32 X,共开发了503 303个SLAF标签,其中134 309个SLAF标签具有多态性,占比为2.67%。过滤掉亲本测序深度5 X以下以及SNP数目大于8的标签,剔除基因组覆盖度小于子代60%以上的和严重偏分离的标签,最终2 225个SLAF标签。总图距为1 135.11 cM,平均图距为0.51 cM的遗传连锁图谱。图2

注:横坐标表示染色体,纵坐标表示遗传图距,横线表示图谱上的分子标记

2.3 水稻RIL群体加工品质性状的QTL

研究表明,共检测到9个QTL位点,其中糙米率2个,精米率3个,整精米率4个。糙米率相关2个QTL,分别位于4号和11号染色体上,命名为qBR-4和qBR-11。其中qBR-11的LOD值为6.06,贡献率为75.32%,加性效应值为-1.21%,有利等位变异来源于母本13HJZ-44;qBR-4的LOD值为2.53,贡献率为18.68%,有利等位变异来源于父本13HJZ-19,且二者均为主效QTL。

精米率相关3个QTL,为qMR-1、qMR-2和qMR-5,分别位于1号、2号和5号染色体上,贡献率为4.35%、0.75%和16.21%。其中qMR-5和qMR-1有利等位变异均来自父本13HJZ-19,qMR-2有利等位变异来源于母本13HJZ-44,且qMR-5为主效QTL,解释16.21%的遗传变异。

整精米率相关4个QTL,分别位于5号、6号和8号染色体上,贡献率为10.76%、5.86%、5.42%和3.66%。其中qHR-5、qHR-6-1和qHR-8有利等位变异均来源于父本13HJZ-19,qHR-6-2有利等位变异来源于母本13HJZ-44,且qHR-5为主效QTL,解释了10.76%的遗传变异。表2、图3

图3 稻米加工品质相关性状的QTL在染色体上的分布

表2 稻米加工品质相关性状QTL定位

3 讨 论

3.1环境条件(温度、水分、光照等)对稻米品质的影响是通过影响稻株和颖果的生理过程而发挥作用的[4]。加工品质也是由多基因控制的数量性状之一,受种子基因、细胞质基因和母体基因等遗传主效应的影响,精米率以母体遗传效应为主,糙米率由核基因控制[1]。研究表型数据分析表明,出糙率、精米率、整精米率是由多基因控制的数量性状,与文献研究结论[1]一致。

3.2研究在5号染色体检测到了2个对稻米加工品质遗传起重要作用的QTL(qMR-5和qHR-5),它们分别位于Marker49932-Marker141199和Marker160033-Marker137238区域。经过比对,qMR-5和qHR-5与与梅德勇[29]在5号染色体上检测到qBRR5、qMR5和qHRR5结果一致。研究中的qMR-5与qHRR5(RM592-RM437)位于同一区域,qHR-5与qBRR5和qMR5位于同一区域(RM15303-RM18038)。且前人也在RM15303-RM18038区域检测到控制稻米加工品质和粒形的 QTL[6-7,10-12,16-18,20]。5号染色体RM15303-RM18038区域确实存存在对稻米外观品质有重要影响的QTL。

3.3在2号染色体Marker2776334-Marker2942331区域检测到控制精米率qMR-2,该区域与胡霞等[19]检测到的控制糙米率qBR-2(RM71-RM300)位于同一区域。在4号染色体Marker2308870-Marker2433873区域检测到qBR-4与Wang[30]和梅捍卫等[18]定位结果相吻合。在8号染色体上检测到控制整精米率qHR-8,与梅德勇[29]和穆平[9]结果一致。

3.4研究还在6号染色体和11号染色体上检测到了3个加工品质QTL,其中6号染色体检测到2个控制整精米率qHR-6-1(Marker3365801-Marker314237)和qHR-6-2(Marker3340147-Marker3099891),分别解释了5.86%和5.42%遗传变异,qHR-6-1有利等位变异来源于父本13HJZ-19,qHR-6-2有利等位变异来源于母本13HJZ-44。qHR-6-1和qHR-6-2 可能是新的控制整精米率位点,对整精米率有微效性。11号染色体上检测到1个控制糙米率的主效QTL(qBR-11),解释了75.32%遗传变异,有利等位变异来源于母本13HJZ-44。与前人研究结果比较,qBR-11是一个新的控制糙米率主效QTL,可进一步精细定位,挖掘候选基因。研究中,虽然定位到了4个控制糙米率、精米率和整精米率主效QTL,但这些QTL在不同年份间并没有重复被检测到,糙米率、精米率和整精米率容易受环境影响。今后可进行多点多年试验,以消除环境的影响,挖掘更多、更稳定加工品质相关QTL。

4 结 论

在6号染色体和11号染色体上检测到了3个加工品质QTL(qHR-6-1、qHR-6-2和qBR-11),qHR-6-1和qHR-6-2是新的控制整精米率位点,对整精米率有微效性;qBR-11是一个新的控制糙米率主效QTL。