利用Ⅱ-32B/A7444组合CSSL群体定位水稻7个穗部性状QTL

为发掘水稻穗部性状有利等位变异,构建了以籼稻保持系II-32B为遗传背景的A7444染色体片段置换系群体;利用QTL Ici Mapping 4.1软件对该群体7个穗部性状进行了QTL定位。结果 2年共检测到26个QTL。2年均检测到的13个QTL中,控制一次枝梗数的4个QTL位于第1、第6、第8和第9染色体,平均贡献率分别为15.16%、13.10%、29.74%和11.21%,平均加性效应分别为-1.40、1.01、1.11和0.77。控制二次枝梗数的2个QTL位于第6和第8染色体,平均贡献率分别为10.97%和21.39%,平均加性效应分别为5.45和6.36。控制每穗总粒数的3个QTL位于第2、第6和第8染色体,平均贡献率分别为8.65%、12.52%和31.22%,平均加性效应分别为-18.61、22.23和31.87。控制每穗实粒数的1个QTL位于第8染色体,平均贡献率为28.06%,平均加性效应30.85。控制千粒重的2个QTL位于第2染色体,平均贡献率分别为44.65%和17.51%,平均加性效应分别为2.88和-2.51。控制粒宽的1个QTL位于第10染色体,平均贡献率为21.96%,平均加性效应为0.11。第2、第6和第8染色体分别存在同时控制二次枝梗数、每穗总粒数和每穗实粒数QTL的区段。qSBN6和qSBN8所在区间与Hd1和DTH8的相同,但分别存在16处和1处碱基差异,推测为Hd1和DTH8的不同等位基因。qSBN2为新检测到的控制二次枝梗数位点。研究结果为实施分子标记聚合育种提供了有用信息。     

水稻穗部性状的QTL定位及上位性分析

水稻穗部性状与产量直接相关,定位克隆穗部性状相关QTL对探究穗部性状分子机制及分子植物育种具有重要意义。以粳稻TY319和籼稻保持系8B的F3群体为作图群体,对穗长、一次枝梗数、二次枝梗数、每穗总粒数和着粒密度进QTL定位与上位性分析。采用完备区间作图,共检测出14个穗部相关性状QTL,分别位于第1、第2、第7、第8、第9、第10染色体,LOD值介于2.56~4.96,表型变异贡献率介于6.90%~31.99%。控制二次枝梗数的qSB-1、及控制着粒密度的qSD-1和qSD-2未见报道,可能是新的QTL,上位性分析检测到69个互作。     

影响水稻穗部性状及籽粒碾磨品质的QTL及其环境互作分析

利用优质恢复系测258为轮回亲本与粳型糯稻新品系IR75862杂交创制的BC₁F₇回交导入系群体,在广西南宁和海南三亚定位了产量相关性状(二次枝梗数、穗总粒数、穗实粒数、粒重和穗重)、粒型(粒长、宽、厚)和碾磨品质(糙米率、精米率和整精米率)的主效QTL并剖析其环境互作效应。双亲在穗实粒数、千粒重、粒长和粒宽及整精米率等性状上存在显著差异。各产量相关性状间呈极显著正相关,而与千粒重和粒长呈极显著负相关。多数产量及粒型相关性状与3种碾磨品质相关不显著。在南宁和三亚环境下检测到影响产量相关性状、粒型及碾磨品质的主效QTL共计57个,包括二次枝梗数的6个,穗实粒数4个,穗总粒数、粒重和穗重各5个,粒长9个,粒宽7个,粒厚1个,糙米率4个,精米率5个和整精米率6个,分布在除第11染色体外的所有染色体上。多数影响枝梗数、穗粒数和粒重的QTL成簇分布,而且与影响BR、MR和HR的QTL分布在不同染色体区域。在第2、第3、第4、第5和第6染色体上鉴定出影响穗粒数、粒重、粒型及碾磨品质的重要QTL,这些QTL在以往不同遗传背景和环境下被多次检测到。在第8染色体RM152~RM310区间鉴定到1个影响粒长和粒宽的新的QTL,能同步增加粒宽和粒长。鉴定出的这些稳定表达的QTL具有标记辅助选择育种的应用价值。整精米率是受环境影响最大的性状,其QTL的环境互作效应明显。对QTL的环境互作效应特点及其在品种标记辅助改良中的作用进行了深入探讨。     

增加穗粒数的水稻染色体代换系Z747鉴定及相关性状QTL定位

增加穗粒数对水稻高产品种培育至关重要。其遗传基础复杂,由多基因控制。水稻染色体片段代换系可以将多基因控制的复杂性状分解,因而是理想的遗传研究材料。本研究通过高代回交和自交结合分子标记辅助选择方法,鉴定了一个以日本晴为受体、西恢18为供体亲本的、含有15个代换片段的增加穗粒数的水稻染色体片段代换系Z747,平均代换长度为4.49 Mb。与受体日本晴相比, Z747的每穗总粒数、一次枝梗数、二次枝梗数、穗长和粒长显著增加,粒宽显著变窄、结实率显著降低,但结实率仍为81%。进一步以日本晴和Z747杂交构建的次级F2群体鉴定出46个相关性状的QTL,分布于水稻1号、2号、3号、5号、6号、9号、11号和12号染色体上。其中qGPP12、qPH-3-1、qPH-3-2等12个QTL可能与已克隆的基因等位, qSPP9等34个可能是新鉴定的QTL。Z747的每穗总粒数由2个具有增加粒数效应的QTL (qSPP3和qSPP5)和1个具有减少粒数效应的QTL (qSPP9)控制。研究结果对主效QTL的精细定位和克隆、以及有利基因的单片段代换系培育有重要意义。     

小麦籽粒产量及穗部相关性状的QTL定位

由小麦品种花培3号和豫麦57杂交获得DH群体168个株系,种植于3个环境中,利用305个SSR标记对籽粒产量和穗部相关性状(穗长、穗粒数、总小穗数、可育小穗数、小穗着生密度、千粒重和粒径)进行了QTL定位。利用基于混合线性模型的QTLNetwork 2.0软件,共检测到27个加性效应和13对上位效应位点,其中 8个加性效应位点具有环境互作效应。相关性高的性状间有一些共同的QTL位点,表现出一因多效或紧密连锁效应。5D染色体区段Xwmc215–Xgdm63,检测到控制籽粒产量、穗粒数、总小穗数、可育小穗数和小穗着生密度5个性状的QTL位点,各位点的遗传贡献率较大且遗传效应方向相同,增效等位基因均来源于豫麦57,适用于分子标记辅助育种和聚合育种。控制千粒重与穗粒数的QTL位于染色体不同区段,有利于实现穗粒数与粒重的遗传重组。     

优良水稻染色体片段代换系Z746的鉴定及重要农艺性状QTL定位及其验证

粒型、株高及穗部组成性状与产量形成密切相关,是水稻重要农艺性状,但遗传基础复杂。染色体片段代换系是用于复杂性状遗传研究的良好材料。本研究鉴定了一个以日本晴为受体、西恢18为供体亲本的水稻优良染色体片段代换系Z746。Z746携带来自西恢18的7个代换片段,平均代换长度为3.99 Mb,其株高、粒长和穗部性状均与受体存在显著差异。进一步通过日本晴与Z746杂交构建的次级F2群体共检测到36个相关QTL,分布于2号、3号、4号、6号和11号染色体。其中5个可能与已克隆基因等位,如qPH3-1等,8个可被多次检出,表明这些是遗传稳定的主效QTL。Z746的粒长主要由4个QTL(qGL3、qGL4、qGL2、qGL6)控制,其中qGL3和qGL4对粒长变异的贡献率分别为60.28%和27.47%。株高由5个QTL控制,穗长由4个QTL控制,每穗粒数由2个QTL控制,千粒重由2个QTL控制。然后以MAS在F3共选出8个单片段代换系,并以此在F4进行了相关QTL验证,共有24个QTL可被8个单片段代换系(SSSL)检出,重复检出率为66.7%,表明这些QTL遗传稳定。本研究为目的QTL的进一步遗传机制研究及分子设计育种奠定了良好基础。     

海岛棉CSSLs分子评价及纤维品质、产量性状QTL定位

本课题组前期以陆地棉中棉所8号(CCRI8)为轮回亲本, 海岛棉Pima 90-53为供体亲本培育了一套陆地棉中棉所8号为背景的海岛棉染色体片段置换系(CSSLs), 本研究利用SSR标记对该置换系群体BC₃F₅进行基因型检测, 在3个不同环境下(河北保定、青县和新疆轮台)鉴定其纤维品质和产量相关性状并进行QTL定位。该置换系群体包含182个家系, 置换片段数在1~15个之间, 平均为6.6个; 导入片段长度在0.7~83.2 cM之间, 平均长度为16.8 cM; 置换片段总长度20 249.6 cM; 背景回复率在92.3%~99.6%之间, 平均为96.2%。共检测出59个相关的QTL, 其中与纤维品质性状相关的41个, 单个QTL的贡献率为1.27%~26.66%; 与产量性状相关的18个, 单个QTL的贡献率为2.03%~19.38%; 检测到14个稳定的QTL, 其中4个马克隆值和2个纤维伸长率相关的稳定QTL增效基因均来自高值亲本海岛棉Pima 90-53, 2个铃重相关的稳定QTL增效基因来自高值亲本陆地棉中棉所8号。研究结果为深入开展纤维品质和产量性状的QTL精细定位、QTL间互作和分子育种提供了理论依据。     

利用单片段代换系研究水稻产量相关性状QTL加性及上位性效应

产量及其相关性状如单株有效穗数、千粒重、穗实粒数、穗总粒数和结实率等是水稻重要的农艺性状,了解产量及其相关性状QTL的加性及上位性效应对以分子标记聚合育种改良水稻产量具有重要意义。本文以16个单片段代换系及15个双片段代换系分析了水稻产量相关性状QTL的加性及上位性效应。共检出影响产量及其相关性状的13个QTL,包括产量性状1个、单株有效穗数1个、千粒重4个、穗实粒数4个、穗总粒数2个和结实率1个,分布于第2、第3、第4、第7和第10染色体上。此外,检出12对双基因互作。结果显示,2个正向(或负向)产量性状QTL聚合,往往会产生负向(或正向)的上位性效应,能否产生更大(或更小)的目标性状,取决于双片段遗传效应(加性效应与上位效应代数和)绝对值与单片段最大加性效应绝对值的差。本研究结果对实施高产分子标记聚合育种方法有重要参考价值。     

利用小麦关联RIL群体定位产量相关性状QTL

为定位控制小麦产量相关性状的QTL位点,获得与重要位点连锁的分子标记和染色体区段,以分别含有229和485个家系的关联重组自交系(RIL)群体WY和WJ为材料,在4个环境中,用完备区间作图法(ICIM)对产量相关性状进行了QTL定位分析。结果表明,产量相关性状QTL分布在小麦21条染色体上。在WY群体中检测到每穗小穗数、主茎穗粒数、单株穗数、千粒重和单株产量的QTL分别有9、9、4、7和5个,其中16个(55.2%)解释大于10%的表型变异;在WJ群体中检测到这5个性状的QTL分别有20、16、11、14和9个,其中只有3个(6.7%)在单个环境中解释超过10%的表型变异。在WY群体中有5个QTL在2个环境中被重复检测到;在WJ群体中,有11个QTL在2个或2个以上环境中被重复检测到。在2个群体中均检测到产量相关性状的QTL在染色体上形成了含有一因多效或紧密连锁QTL的染色体区段,并在2个群体检测到可能相同的9对QTL和2个染色体区段。     

小麦穗部性状和株高的QTL定位

穗粒数是小麦的重要产量性状之一,减少基部不育小穗数是提高小麦穗粒数的重要途径。利用EMS诱变小麦品系山农1186获得基部2-4个小穗不育突变体M7652。本研究利用M7652与山农1186回交获得的BC3F2群体及其衍生的BC3F2:3株系(MS)群体,M7652与泰农18杂交获得的F2群体及其衍生的F2:3株系(MT)群体为材料,进行遗传作图和QTL定位。通过SSR标记检测构建了分别覆盖38.9 c M、73.1 c M的两个4B染色体的遗传连锁图。对两个群体的穗部性状和株高进行QTL分析表明,MS回交群体在3个环境下都检测到6个QTL,包括5个控制穗部性状和1个株高性状的QTL位点,其贡献率为18.22%~47.23%,且位于染色体的相同区段,形成一个QTL簇;MT群体在1个环境中检测到4个控制穗部性状、1个控制株高的QTL位点,其贡献率为1.51%~39.15%,形成一个QTL簇。利用MS和MT群体检测到的QTL簇在染色体上的位置相同,都覆盖swes24标记,这个区域与增加小麦穗粒数、降低株高有关,为小麦穗粒数、株高的精细定位、基因克隆奠定了基础。     

水稻光合作用及相关生理性状的QTL分析

为了探讨光合作用及相关生理性状的遗传规律，利用由籼稻品种IR24 和粳稻品种Asominori杂交衍生的65个染色体片段置换系（Chromosome Segment Substitution Lines, CSSL）为材料，研究了水稻光合作用及相关生理性状的QTL。在水稻抽穗后7 d测定叶片光合速率（Pn）、蒸腾速率（G_s）、气孔导度（T_r）、细胞间隙CO₂浓度（C_i）、叶绿素含量（CHL）、全氮含量（TLN）。共检测到10个QTLs，分布于第1、3、4、5、7、8和10染色体上，LOD值在2.77~8.42之间，贡献率为9.5%~46.5%。其中仅有控制气孔导度的qGs-8 与控制叶绿素含量的qCHL-8以及第10染色体上控制气孔导度的qGs-10与控制细胞间隙CO₂浓度的qCi-10位置相同，分别位于第8染色体上标记R727和第10染色体上标记C1166附近。其他QTL在染色体上的位置不同，暗示了水稻光合功能遗传规律的复杂性。     

Identification and validation of a yield-enhancing QTL cluster in rice (Oryza sativa L.)

Improvement of rice grain yield (YD) is an important goal in rice breeding. YD is determined by its related traits such as spikelet fertility (SF), 1,000-grain weight (TGW), and the number of spikelets per panicle (SPP). We previously mapped quantitative trait loci (QTLs) for SPP and TGW using the recombinant inbred lines (RILs) derived from the crosses between Minghui 63 and Teqing. In this study, four QTLs for SF and four QTLs for YD were detected in the RILs. Comparison of the locations of QTLs for these three yield-related traits identified one QTL cluster in the interval between RM3400 and RM3646 on chromosome 3. The QTL cluster contained three QTLs, SPP3a, SF3 and TGW3a, but no YD QTL was located there. To validate the QTL cluster, a BC₄F₂ population was obtained, in which SPP3a, SF3 and TGW3a were simultaneously mapped to the same region. SPP3a, SF3 and TGW3a explained 36.3, 29.5 and 59.0 % of phenotype variance with additive effect of 16.4 spikelets, 6 % SF and 1.8 g grain weight, respectively. In the BC₄F₂ population, though the region has opposite effects on TGW and SPP/SF, a YD QTL YD3 identified in this cluster region can increase 4.6 g grains per plant, which suggests this QTL cluster is a yield-enhancing QTL cluster and can be targeted to improve rice yield by marker aided selection.     

Mapping quantitative trait loci influencing panicle‐related traits from Chinese common wild rice (Oryza rufipogon) using introgression lines

Panicle‐related traits are important agronomic traits which directly associated with grain yield. In this study, we investigated quantitative trait loci (QTLs) associated with panicle‐related traits using a set of 265 introgression lines (ILs) of common wild rice (Oryza rufipogon Griff.) in the background of Indica high‐yielding cultivar Guichao 2 (O. sativa L.). A total of 39 QTLs associated with panicle‐related traits including panicle length (PL), primary branch number (PBN), secondary branch number (SBN), spikelet number per panicle (SPP) and spikelet density (SD), were detected in the ILs with single‐point analysis. The alleles of 20 QTLs derived from wild rice showed positive effects, and some QTLs, such as, QPl1b for PL, QPbn8 for PBN, QSd4 and QSd11b for SD and QSpp4 for SPP showed larger positive effects, providing good candidates and useful information for marker‐aided improvement of yield potential of rice. Most of the QTLs controlling SPP, SBN and SD were located in cluster or closely linked on chromosomes, and the directions of their additive effects were consistent, which explained the genetic basis of significant correlations between their phenotypic characters.     

Development and characterization of chromosome segment substitution lines derived from backcross between japonica donor rice cultivar Yukihikari and japonica recipient cultivar Kirara397

Grain yield-related traits and grain quality-related traits are important for rice cultivars. The quantitative trait loci (QTLs) involved in controlling the natural variation in these traits among closely related cultivars are still unclear. The present study describes the development of a novel chromosome segment substitution line (CSSL) population derived from a cross between the temperate japonica cultivars Yukihikari and Kirara397, which are grown in Hokkaido, the northernmost limit for rice cultivation. Days to heading, culm length, panicle length, panicle number, brown grain weight per plant, thousand brown grain weight, brown grain length, brown grain width, brown grain thickness, apparent amylose content, and protein content were evaluated. Panicle length, brown grain length and amylose content differed significantly in the parental cultivars. Thirty-five significant changes in the evaluated traits were identified in the CSSLs. A total of 28 QTLs were located on chromosomes 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11 and 12. These findings could be useful for breeding rice cultivars in the northernmost limit for rice cultivation.     

Genetic analysis of heterotic loci detected in a cross between indica and japonica rice (Oryza sativa L.)

The study on the genetic basis of heterosis has received significant attention in recent years. In this study, using a set of introgression lines (ILs) and corresponding testcross F₁ populations, we investigated heterotic loci (HL) associated with six yield-related traits in both Oryza sativa L. subsp. indica and japonica. A total of 41 HL were detected on the basis of mid-parent heterosis values with single-point analysis. The F₁ test-cross population showed superiority in most yield-related traits and was characterized by a high frequency of overdominant HL. Thirty-eight of the 41 HL were overdominant, and in the absence of epistasis, three HL were dominant, suggesting that heterotic effects at the single-locus level mainly appeared to be overdominant in rice. Twenty-four HL had a real positive effect, suggesting that they are viable candidates for the improvement of rice yield potential. Compared with the quantitative trait loci (QTLs) detected in the ILs, only six out of the 41 (14.6%) HL were detected in QTL analysis under the same statistical threshold, indicating that heterosis and trait performance may be conditioned by different sets of loci.     

粳稻杂种优势遗传基础剖析

为了解控制粳稻产量相关性状及其中亲优势的基因作用类型, 利用秀堡RIL群体及其2个回交(BCF₁)群体对株高、生育期、单株有效穗数、穗长、每穗颖花数、结实率、一次枝梗数和二次枝梗数8个性状及其中亲杂种优势进行QTL定位。共检测到58个显著的主效QTL (M-QTL), 单个M-QTL的贡献率变幅为3.3%~41.9%。77.6%的M-QTL表现为加性效应, 15.5%的M-QTL表现为部分或完全显性效应, 6.9%的M-QTL表现为超显性效应。共检测到90对显著的双基因上位性QTL(E-QTL)。在RIL群体中检测到44对E-QTL, 单对E-QTL的贡献率变幅为1.7%~8.0%, 平均3.7%。在XSBCF₁群体中检测到27对E-QTL, 其中利用BCF₁表型值检测到16对E-QTL, 单对E-QTL的贡献率变幅为12.7%~78.5%, 平均29.2%; 利用中亲优势值检测到11对E-QTL, 单对E-QTL的贡献率变幅为15.0%~71.8%, 平均40.1%。在CBBCF₁群体中检测到19对E-QTL, 其中利用BCF₁表型值检测到12对E-QTL, 单对E-QTL的贡献率变幅为2.7%~64.4%, 平均30.1%; 利用中亲优势值检测到9对E-QTL, 单对E-QTL的贡献率变幅为21.7%~64.1%, 平均40.0%。在CBBCF₁群体中, 利用BCF₁表型值和中亲优势值都检测到的E-QTL有2对。上述结果表明上位性效应是粳稻秀堡组合杂种优势的主要遗传基础。