水稻穗部性狀QTL分析及精細(xì)定位研究.pdf

1、水稻是世界上最重要的糧食作物之一，產(chǎn)量性狀研究一直備受關(guān)注。產(chǎn)量性狀與其他數(shù)量性狀一樣都受到多基因的控制，并在分離后代中呈現(xiàn)連續(xù)的表型變異。水稻稻穗是水稻產(chǎn)量的直觀體現(xiàn)，穗子形態(tài)的改變直接影響水稻的產(chǎn)量，對(duì)穗部性狀遺傳變異基礎(chǔ)的研究對(duì)改良水稻產(chǎn)量等方面具有重要意義。為了更好地揭示穗部性狀的遺傳基礎(chǔ)，本研究中我們構(gòu)建了含有1，840個(gè)株系的水稻秈型重組自交系群體，并通過(guò)一種基于全基因組重測(cè)序的基因型分析方法，獲得較高分辨率的重組圖譜，并以

2、此對(duì)相關(guān)性狀進(jìn)行QTL定位。該方法通過(guò)對(duì)選擇出來(lái)的含有132個(gè)株系的定位群體進(jìn)行全基因組測(cè)序來(lái)鑒定單核苷酸多態(tài)（Single nucleotide polymorphisms，SNPs），并以SNPs為基礎(chǔ)鑒定每個(gè)株系的重組位點(diǎn)，再將這些重組位點(diǎn)間的片段設(shè)定為一個(gè)遺傳重組單位，進(jìn)而構(gòu)建成以bin為分子標(biāo)記單位的遺傳圖譜。采取該圖譜進(jìn)行QTL分析，可以將目標(biāo)QTL精細(xì)定位到一個(gè)狹窄的區(qū)間范圍內(nèi)，然后通過(guò)圖位克隆的方法將目標(biāo)基因分離。

3、>　　本研究利用從秈型兩系雜交稻兩優(yōu)培九RIL群體1，840個(gè)家系中隨機(jī)挑選出的132個(gè)株系進(jìn)行全基因組重測(cè)序并獲得高密度的遺傳圖譜，對(duì)與穗部相關(guān)的7個(gè)性狀進(jìn)行了QTL分析。并對(duì)其中的3個(gè)穩(wěn)定表達(dá)的QTL(qPPB3，qSPB1，qSN8)進(jìn)行了精細(xì)定位。再根據(jù)剩余的1，708個(gè)重組自交系對(duì)三個(gè)具有代表性的QTL進(jìn)行連鎖分析，并對(duì)這3個(gè)QTL進(jìn)行精細(xì)定位。其中對(duì)位于3號(hào)染色體上的一次枝梗數(shù)相關(guān)的QTL的精細(xì)定位，利用了目標(biāo)QTL對(duì)應(yīng)的置

4、換系與背景親本進(jìn)行雜交獲得F2群體，將其分解為單基因并精細(xì)定位，為穗部性狀QTL的圖位克隆奠定了基礎(chǔ)。主要結(jié)果如下:
　　1.親本和群體性狀分析
　　在兩個(gè)不同的環(huán)境條件下，對(duì)親本以及群體的穗部相關(guān)性狀進(jìn)行考察。親本間，穗長(zhǎng)、每穗穎花數(shù)、二次枝梗數(shù)以及單株重在不同的生態(tài)條件下均有顯著的甚至極顯著差異，性狀差異不會(huì)因?yàn)榄h(huán)境的改變而在親本間發(fā)生顛換現(xiàn)象。相關(guān)性分析得出，每穗穎花數(shù)與穗部結(jié)構(gòu)因子（穗長(zhǎng)、一次枝梗、二次枝梗）有極顯著

5、的正相關(guān)。不同的環(huán)境下，單株重受到穗數(shù)或者穗長(zhǎng)的影響。單株穗數(shù)與每穗穎花數(shù)、一次枝梗數(shù)以及穗長(zhǎng)之間呈負(fù)相關(guān)。
　　對(duì)群體各性狀進(jìn)行了基本特征統(tǒng)計(jì)，除了11HN下的單株穗數(shù)以及單株重的偏度和峰度大于1.0，其余基本都小于1.0。說(shuō)明多數(shù)性狀都符合正態(tài)分布，具備QTL作圖所要求的特征。
　　2.利用重組自交系檢測(cè)穗部相關(guān)性狀QTL
　　利用已測(cè)序的93-11/PA64s132個(gè)重組自交系群體，考察2個(gè)環(huán)境下6個(gè)穗部相關(guān)性狀

6、以及單株產(chǎn)量作為表型值，分析親本及重組自交系群體的性狀表現(xiàn)。運(yùn)用MultiQTL1.6軟件對(duì)這7個(gè)性狀進(jìn)行了主效QTL檢測(cè)，共得到31個(gè)加性位點(diǎn)，分布在12條染色體上。各個(gè)QTL貢獻(xiàn)率在6％～16.5％之間，其中一次枝梗數(shù)檢測(cè)到6個(gè)QTL，解釋表型變異的7.8％～15.3％。位于3、4、6和7染色體上的QTL對(duì)一次枝梗數(shù)的增效等位基因來(lái)自親本PA64s，位于8號(hào)染色體上的QTL對(duì)一次枝梗數(shù)的增效等位基因來(lái)自親本93-11。穗長(zhǎng)檢測(cè)到6個(gè)

7、加性位點(diǎn)，解釋表型變異的6％～13.5％。其中位于1、9和11號(hào)染色體上的QTL對(duì)穗長(zhǎng)的增效等位基因來(lái)自親本PA64s，位于4、5和8號(hào)染色體上的QTL對(duì)穗長(zhǎng)的增效等位基因來(lái)自親本93-11。單株穗數(shù)檢測(cè)到一個(gè)加性位點(diǎn)，位于5號(hào)染色體上，解釋表型變異的13.4％。對(duì)單株穗數(shù)的增效等位基因來(lái)自親本PA64s。二次枝梗數(shù)檢測(cè)到4個(gè)QTL，解釋表型變異的6.2％～10.3％。位于1和9號(hào)染色體上的3個(gè)QTL的增效等位基因來(lái)自親本93-11，3

8、號(hào)上的QTL來(lái)自親本PA64s。穗著粒密度性狀共檢測(cè)到3個(gè)QTL，解釋表型變異的10％～16.5％。分別位于3、4和11號(hào)染色體上，增效等位基因均來(lái)自PA64s。每穗穎花數(shù)檢測(cè)到5個(gè)QTL，解釋表型變異的7.9％～13.4％。其中位于2、8、9和10號(hào)染色體上的4個(gè)QTL的增效等位基因來(lái)自親本93-11，而位于4號(hào)染色體上解釋表型變異13.4％的QTL的增效等位基因來(lái)自親本PA64s。對(duì)單株產(chǎn)量檢測(cè)發(fā)現(xiàn)有5個(gè)QTL位點(diǎn)，解釋表型變異的6

9、.3％～12.8％。位于4、6和8號(hào)染色體上的QTL增效等位基因來(lái)自親本93-11，另外位于11和12號(hào)染色體上的QTL增效等位基因來(lái)自親本PA64s。同時(shí)發(fā)現(xiàn)有4個(gè)區(qū)段具有共定位現(xiàn)象，分別為位于4號(hào)染色體的SNP4-208-SNP4-236區(qū)段同時(shí)控制穗著粒密度和每穗穎花數(shù)、位于8號(hào)染色體的SNP8-40-SNP8-71片段同時(shí)控制每穗穎花數(shù)、一次枝梗數(shù)以及單株產(chǎn)量、位于9號(hào)染色體上的SNP9-93-SNP9-119區(qū)段中的qSPB9

10、b和qSN9分別控制二次枝梗數(shù)和每穗穎花數(shù)以及位于11號(hào)染色體的SNP11-123-SNP11-171位點(diǎn)同時(shí)控制穗長(zhǎng)和單株產(chǎn)量。同時(shí)結(jié)合前人的研究結(jié)果，討論了穗部相關(guān)性狀基因座，為進(jìn)一步對(duì)水稻穗部結(jié)構(gòu)分子標(biāo)記輔助選擇以及對(duì)穗部相關(guān)性狀基因的圖位克隆奠定了基礎(chǔ)。
　　3.穗部性狀QTL的精細(xì)定位與功能分析
　　利用兩優(yōu)培九的重組自交系挑選核心RIL群體在2011年海南以及2011年杭州檢測(cè)水稻穗部性狀QTL，挑選核心RIL群

11、體所剩下的1，708個(gè)株系對(duì)三個(gè)重要QTL進(jìn)行連鎖分析。將qPPB3、qSPB1和qSN8分別定位于385kb、2.5kb以及9.83kb的范圍內(nèi)。為進(jìn)一步縮小qPPB3的范圍，發(fā)展了BC3F2群體。利用QTL-qPPB3對(duì)應(yīng)的一個(gè)置換系GH18與93-11回交并自交，構(gòu)建F2群體（1，105個(gè)單株，2011年海南）及其F3群體（1，105個(gè)株系，2012年杭州），將qPPB3分解為單基因。應(yīng)用5對(duì)InDel標(biāo)記，結(jié)合F3群體株系的表型

12、數(shù)據(jù)，將其精細(xì)定位在P6與P7之間約34.6kb的范圍內(nèi)。
　　經(jīng)過(guò)精細(xì)定位后，對(duì)這三個(gè)QTL的進(jìn)行候選基因分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，qPPB3的候選基因?yàn)橐阎駾88，親本序列之間存在1個(gè)可以改變氨基酸序列的單堿基替換。qSPB1的唯一候選基因是LAX1，93-11中該等位基因的外顯子區(qū)有一個(gè)單堿基替換。最后，qSN8的區(qū)間內(nèi)僅有一個(gè)候選基因Ghd8/DTH8，分析親本間的序列發(fā)現(xiàn)在PA64s的啟動(dòng)子區(qū)有一個(gè)單堿基替換和一個(gè)8bp的缺失

13、。進(jìn)一步互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，將93-11的DTH8基因通過(guò)農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)入PA64s中，轉(zhuǎn)基因植株均表現(xiàn)出株高變高、穗部變大、分蘗變少和穗分枝增多的特性。
　　針對(duì)已報(bào)道的穗部相關(guān)基因，對(duì)4個(gè)與穗部形態(tài)相關(guān)基因以及與本研究相關(guān)的3個(gè)基因的表達(dá)水平進(jìn)行分析。在穗部發(fā)育初期，PA64s中D88、APO1、IPA1、DTH8和LAX1等基因的表達(dá)水平明顯低于93-11，而兩個(gè)與每穗粒數(shù)相關(guān)的基因GN1a和DST卻高于93-11。D88與獨(dú)腳金內(nèi)

14、酯具有緊密的聯(lián)系，說(shuō)明D88調(diào)控獨(dú)腳金內(nèi)酯在不同時(shí)期不同位置的含量。因此，獨(dú)腳金內(nèi)酯不僅影響莖稈分枝，也影響穗部的分枝。93-11中的穗粒數(shù)明顯高于PA64s，是由于DTH8基因在93-11中的高表達(dá)導(dǎo)致穗部變大和穗粒數(shù)增多。同樣，PA64s中的LAX1基因的低表達(dá)引起了穗部二次枝梗數(shù)目的顯著降低。
　　穗部分枝或者植株分枝與產(chǎn)量相關(guān)的基因之間具有未知的關(guān)聯(lián)，本研究對(duì)穗部相關(guān)QTL分析再次證明了重要的產(chǎn)量相關(guān)基因不僅僅只影響某一個(gè)