一种水稻微效QTL精细定位和克隆新途径

水稻重要农艺性状一般由少数主效QTL和大量微效QTL共同控制。水稻主效QTL克隆已取得显著进展,而微效QTL由于遗传作用弱,表型鉴定易受测量误差影响,克隆进展缓慢,但微效QTL在水稻重要农艺性状调控中的作用不容忽视。本文介绍了一种水稻微效QTL精细定位和克隆的新途径。该途径包含2个阶段：1）应用剩余杂合体构建近等基因系群体进行目标QTL的精细定位;2）应用基因编辑技术创制候选基因突变体验证基因功能。应用该策略笔者所在团队在水稻第1染色体长臂精细定位了6个微效粒重和粒型QTL,并成功克隆首个微效粒重QTL。该技术可在方法上为水稻QTL克隆及新种质创制提供更多选择。     

大气CO2浓度增加对水稻粒形和粒重数量性状基因座的影响

利用“Asomonori与IR24”的置换系群体,对水稻的粒长、粒宽、粒型（粒长,粒宽）、粒厚和千粒重等5个性状在CO2浓度分别为370μmol／mol（简写为Ambient）和570μmol／mol[FACE（Free Air CO2 Enrichment）]的条件下进行了QTL分析。在FACE下,共检测到分布在6条染色体上的18个QTL,其贡献率差异较大,在9．2％～42．2％之间,其中有17个QTL的贡献率超过15％,分别是控制千粒重的1个QTL、粒长的10个QTL、粒宽的1个QTL、粒型3个QTL和粒厚的2个QTL;在Ambient下共检测到分布在5条染色体上的9个QTL,其贡献率在9．4％-30．0％之间,其中控制粒长的1个QTL、粒宽的2个QTL和粒型3个QTL的贡献率超过15％。两CO2浓度下能重复检出的QTL共3个,其它只能在1个环境中检测到。与Ambient下的QTL结果相比,FACE对粒形及粒重的影响较大,可以增加微效基因的数量,同时还可增加主效基因的贡献率。     

基于单片段代换系玉米子粒性状的QTL定位

利用lx9801为遗传背景的昌7-2单片段代换系为基础材料,通过一年两点的田间试验,对粒重、粒长、粒宽和粒厚进行QTL分析。在两个试验点共检测到31个玉米子粒性状的QTL,包括12个粒重QTL、7个粒长QTL、8个粒宽QTL和4个粒厚QTL。其中,有2个粒重QTL、2个粒长QTL和1个粒厚QTL在两试验点同时检测到,可分别解释5.53%、9.09%、4.55%、4.18%和7.70%的表型变异。     

水稻粒型基因克隆和调控机制研究进展

水稻粒型是影响其产量和品质的重要性状,阐明其遗传调控机理,有助于提高水稻单产和改良品质。水稻粒型性状主要包括粒长、粒宽、粒厚、长/宽比,属于数量性状,受胚、胚乳及母体植株等不同遗传体系的控制。随着水稻功能基因组学和重测序技术的快速发展,目前已经定位超过400个与水稻粒型相关的数量性状位点(QTL),并已克隆了60个水稻粒型基因,涉及植物激素、泛素-蛋白酶体通路、丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号通路、G蛋白信号通路及表观修饰等多个调控通路。本文对水稻粒型基因克隆及其调控机制的研究进展进行了系统总结和梳理,并对这些基因在育种上的利用价值进行了评价。     

应用剩余杂合体衍生群体定位水稻粒重粒形QTL

【目的】粒重粒形是影响水稻产量和品质的重要因素,由大量数量性状座位(QTL)控制,其作用变异极大,但以往研究主要着眼于效应大的QTL。本研究在剔除主效QTL影响的基础上,开展微效粒重粒形QTL分析。【方法】在前期研究基础上,从原群体挑选出1个剩余杂合体单株,构建了在主效QTL区间纯合、在其余区域中13个区间分离的群体,种植于浙江杭州和海南陵水,测定千粒重、粒长和粒宽。【结果】采用Windows QTL Cartographer2.5,检测到22个QTL,分布于10条染色体的12个区间,其中,10个区间在两地均呈显著作用,2个区间仅在杭州试验中呈显著作用。进一步从该群体筛选出1个只在其中4个QTL区间杂合的单株,自交构建分离群体,验证了这4个区间对粒重粒形的效应。【结论】排除主效QTL有利于提高微效粒重粒形QTL的检测功效;虽然微效QTL可能易受环境和遗传背景影响,但仍可具有稳定表现。这些结果为进一步开展粒重粒形QTL的精细定位、克隆和分子标记辅助选择奠定了基础。     

多环境下粳稻产量及其相关性状的条件和非条件QTL定位

 为了剖析粳稻产量及其相关性状的遗传基础,利用粳稻品种秀水79×Ｃ堡衍生的重组自交系群体,在3个环境下对全生育期、株高、单株穗数、每穗粒数、百粒重、籽粒产量和生物产量进行了非条件和条件QTL定位。共检测到43个主效QTL和29对上位性QTL。利用非条件QTL定位方法检测到37个主效QTL和26对上位性QTL。其中,籽粒产量定位到3个主效QTL qGY1.2、qGY7.1和qGY9,未检测到上位性QTL。利用条件QTL方法分别将全生育期、株高、穗数、每穗粒数、百粒重和生物产量各自调整到同一水平后,籽粒产量共检测到9个主效条件QTL和3对上位性QTL,其中3个主效QTL与非条件下定位到的相同。位于第9染色体长臂区间RM6570-RM5652的qGY9在非条件及全生育期、株高、穗数、粒数和百粒重调整到同一水平后均可检测到,但加性效应、贡献率并不相同,显示该区间来自C堡的片段能够增加株高、穗数和百粒重从而增加产量。通过条件方法在第3染色体长臂区间RM7097-RM448及第6染色体长臂区间RM162-RM5753上定位到的产量QTL增加籽粒产量的等位基因可以降低株高,缩短生育期。     

籼稻C84和粳稻春江16B重组自交系遗传图谱构建及籽粒性状QTL定位与验证

【目的】本研究旨在挖掘水稻粒型新基因、探索其分子机理,解析籽粒发育调控遗传网络奠定基础,并为通过分子标记聚合有利基因开展超级稻分子设计育种提供理论依据。【方法】以植株和籽粒形态差异较大的晚粳稻品种春江16B(CJ16B）和广亲和中籼稻背景恢复系C84为亲本构建含有188个家系的重组自交系为作图群体,利用158对在双亲中存在多态性差异的分子标记,构建了遗传连锁图谱,总遗传距离为1428.40cM,平均标记间距为9.04cM。在构建遗传图谱的基础上,完成RIL188个株系籽粒的粒长、粒宽、粒厚、长宽比和千粒重等5个性状考查并进行QTL定位。【结果】在海南陵水和浙江杭州两地共检测到籽粒相关主效QTL30个,包括籽粒QTL新座位18个,解释遗传变异3.51%~17.25%。其中粒长、粒宽、粒厚和长宽比QTL位点分别为9个、5个、5个和6个,千粒重QTL位点5个。经基因座位比对,发现有5个QTL区间与已克隆的调控籽粒形态相关基因座位相近,我们通过对双亲目标基因的测序并根据差异位点设计dCAPs分子标记进行验证。【结论】该RIL群体及其遗传图谱可用于水稻重要农艺性状主效QTL基因的定位和克隆,新定位的18个粒型QTL可以为水稻籽粒发育调控网络提供补充和资料积累。     

水稻粒重粒形QTL的定位及qTGW1.2/qGL1.2的验证

【目的】粒重粒形对水稻的产量和品质均有重要的影响。本研究通过开展水稻粒重粒形QTL的初步定位,并对新鉴定的第1染色体长臂qTGW1.2/qGL1.2区间进行验证,旨在进一步揭示水稻粒重粒形的遗传调控机制。【方法】以大粒的FM9为父本,小粒的EFT为母本,配组衍生遗传群体,先后获得包含277个株系的F_2:3群体和211个株系的重组自交系群体（Recombinant Inbred Lines, RILs）,测定千粒重、粒长和粒宽,采用完备区间作图法进行QTL初定位;针对新鉴定的qTGW1.2/qGL1.2区间,筛选2个剩余杂合体单株,自交衍生分离群体,开展QTL效应验证。【结果】初定位分析共检测到35个调控千粒重、粒长和粒宽的QTL,其中,11个能同时在两个群体中被检测到,18个仅在F_2:3群体中被检测到,6个仅在RIL群体中被检测到;应用两个剩余杂合体衍生的两套分离群体验证了新鉴定的qTGW1.2/qGL1.2区间对千粒重和粒长的效应,并观察到颖壳细胞长度的显著变化。通过qPCR分析,观察到与细胞周期、生长素代谢和粒形相关基因表达发生了显著变化。【结论】初步定位的35个QTL以及验证的qTGW1.2/qGL1.2有利于进一步揭示水稻粒重粒形的遗传控制基础,也为后续的基因克隆及分子标记辅助选择奠定了基础。     

水稻第1染色体qTGW1.2区域粒重组分性状QTL的剖析

对水稻第1染色体长臂上控制粒重、粒长和粒宽的3个QTLs进行了剖析。从珍汕973/密阳46的BC2F8群体中筛选到1个在RM212-RM265区间呈杂合的单株,应用DNA标记检测其衍生的BC2F9群体,筛选出在RM212-RM11787和RM11787-RM265区间呈杂合的单株各1个,其杂合区间分别覆盖前期定位的千粒重QTL qTGW1.2a和qTGW1.2b。种植2个BC2F10群体,筛选出杂合区间相互交叠的单株各3个,自交后获得6个BC2F11群体,在RM11781-RM11800区间检测到了1个控制粒长的QTL,并将qTGW1.2a和qTGW1.2b分别缩小至580kb的RM11730-Wn33304和2.0 Mb的RM11807-RM11885区间内。同时,筛选出5个杂合区间相互交叠的单株,衍生了5个BC2F12群体。QTL分析结果表明,每个群体均检测到粒长QTL,加性效应为0.03~0.06mm,增效等位基因来自密阳46;经比较各个群体的分离区间,将控制粒长的QTL qGL1.2界定在RM11781和Wn34526之间372kb的区间内;该QTL呈加性作用,可能同时控制粒重、粒长与粒宽。     

稻米粒形和垩白度的QTL定位和上位性分析

 利用由181个家系组成的Lemont/特青籼粳交重组自交系群体,以及由161个RFLP、SSR标记和3个形态标记构建的全长为1916.5 cM、覆盖水稻基因组12 条染色体的连锁图,采用线性模型的复合区间作图方法（QTLMapper V10）,对粒长、粒宽、长宽比和垩白度等4个稻米品质性状的数量性状座位（QTL）进行了分析。在水稻的所有12 条染色体上共定位到7个加性主效QTL和19对上位性QTL,其中控制粒长、粒宽、长宽比的主效QTL各2个,控制垩白度的QTL 1个,分别解释12.8%、40.0%、26.0%和42.1%的表型变异;共检测到6对影响垩白度、6对影响粒长、7对影响长宽比的上位性QTL,分别解释52.2%、31.3%和38.2% 的表型变异。结果表明,上位性QTL和主效QTL一样在稻米粒形和垩白度的遗传中起着重要的作用。     

水稻灌浆期耐热害的数量性状基因位点分析

 利用由98个家系组成的Nipponbare / Kasalath // Nipponbare回交重组自交系群体及其分子连锁图谱，以粒重感热指数\[（适温粒重-高温粒重）/适温粒重×100\]为评价指标，采用混合线性模型的QTL定位方法，对水稻灌浆期耐热性的主效、上位性数量性状基因位点及其与环境的互作进行分析。共检测到3个灌浆期耐热性主效QTL，分别位于第1、4和7染色体上，LOD值为8.16、11.08和12.86，贡献率8.94%、17.25%和13.50%。其中位于第4染色体标记C1100-R1783之间的QTL，没有显著的上位性和环境互作效应，表明在不同环境和遗传背景中的表达较为稳定，在水稻耐热性育种中可能具有较大的利用价值，其耐热性等位基因来自亲本Kasalath，高温热害时可减少粒重损失3.31%。位于第1染色体标记R1613-C970之间的QTL和第7染色体标记C1226-R1440之间的QTL，耐热性等位基因来自亲本Nipponbare，分别可减少粒重损失2.38%和2.92%。这两个QTL均具有与环境的互作效应，其中第7染色体上的QTL还和其他基因位点有互作。检测到8对加性×加性上位性互作QTL，分布于第1、2、3、5、7、8、10和12染色体上。没有检测到上位性QTL与环境的互作效应。     

Mapping QTL for Heat-Tolerance at Grain Filling Stage in Rice

A mapping population of 98 lines (backcross inbred lines, BILs) derived from a backcross of Nipponbare/Kasalath// Nipponbare was planted at two experimental sites, Nanjing and Nanchang, and treated with high and optimal temperature during grain filling, respectively. The grain weight heat susceptibility index [GWHSI= (grain weight at optimum temperature-grain weight at high temperature) / grain weight at optimum temperature ×100] was employed to evaluate the tolerance of rice to heat stress. A genetic linkage map with 245 RFLP markers and a mixed linear-model approach was used to detect quantitative trait loci (QTLs) and their main effects, epistatic interactions and QTL×environment interactions (Q×E). The threshold of LOD score=2.0 was used to detect the significance of association between marker and trait. A total of 3 QTLs controlling heat tolerance during grain filling were detected, on chromosomes 1, 4 and 7, with LOD scores of 8.16, 11.08 and 12.86, respectively, and they explained the phenotypic variance of 8.94, 17.25 and 13.50 %, correspondingly. The QTL located in the C1100-R1783 region of chromosome 4 showed no QTL×environment interaction and epistatic effect, suggesting that it could be stably expressed in different environments and genetic backgrounds, and thus it would be valuable in rice breeding for heat tolerance improvement. This QTL allele, derived from Kasalath reduced 3.31% of the grain weight loss under heat stress. One located between R1613-C970 on chromosome 1 and the other between C1226-R1440 on chromosome 7, with additive effect 2.38 and 2.92%, respectively. The tolerance alleles of both these QTLs were derived from Nipponbare. Both of these QTLs had significant QTL×environment interactions, and the latter was involved in epistatic interaction also. Eight pairs of epistatic effect QTLs were detected, one pair each on chromosomes 1,2,3, 5, 7, 8, 10 and 12. The results could be useful for elucidating the genetic mechanism of heat-tolerance and the development of new rice varieties with heat tolerance during grain filling phase.     

稻米垩白性状对高温耐性的QTL分析

【目的】本研究旨在筛选与稻米外观品质高温耐性连锁的分子标记,为稻米品质育种提供参考。【方法】以耐热水稻品系996和热敏感水稻品系4628为亲本构建的重组自交系为材料,采用垩白粒率耐热指数、垩白大小耐热指数和垩白度耐热指数为评价指标,对水稻垩白性状的高温耐性QTL进行检测。【结果】采用复合区间作图法两年共检测到垩白性状高温耐性QTL 24个,包括垩白粒率高温耐性QTL 8个,垩白大小高温耐性QTL 12个,垩白度高温耐性QTL 4个。其中,第6染色体上的2个垩白粒率高温耐性QTL和第7染色体上的2个垩白度高温耐性QTL在两年中重复检测到,且这2个稳定表达的垩白度位点与2015年检测到的第7染色体上的垩白粒率位点重合。另外,发现有4个QTL一因多效,同时影响垩白粒率、垩白大小及垩白度。【结论】控制垩白粒率耐热指数的q HTCGR6.1和控制垩白度耐热指数的q HTCD7.1是新的QTL。     

稻米淀粉RVA谱特征值与直链淀粉、蛋白含量的相关性及QTL定位分析

【目的】检测到新的控制稻米品质性状相关的QTL并分析各性状间的相关性,为了解控制水稻品质的遗传机理和培育优质水稻品种奠定基础。【方法】利用Sasanishiki×Habataki回交重组自交系(backcross inbred lines,BILs)群体在两个环境下种植的结果,检测与稻米直链淀粉含量、蛋白质含量及RVA谱特征值相关的加性QTL。【结果】表型分析结果显示,Habataki的蛋白含量明显高于Sasanishiki;而除消减值以外其余的稻米品质性状指标,Sasanishiki均高于Habataki。利用BIL群体共检测到加性QTL 42个,其中10个QTL位点在2个环境中均能被检测到,即q PC8、q AC4、q AC10、q PKV2、q PKV7、q HPV7、q CPV1、q BDV4、q BDV7、q SBV7,且q CPV1、q BDV4、q PKV7、q HPV7和q AC10等5个QTL尚未见报道。同时,我们还利用Sasanishiki×Habataki染色体片断置换系(Chromosome segment substitution lines,CSSLs)验证了10个稳定表达的QTL位点。【结论】稻米RVA谱特征值与直链淀粉含量、蛋白质含量之间呈现一定相关性,且控制不同品质性状的QTL之间具有共定位现象。     

非洲栽培稻垩白粒率耐热性QTL的定位

【目的】本研究旨在定位一个稻米垩白粒率高温耐性QTL,为外观品质育种及解析垩白粒率高温耐性的遗传机制提供依据。【方法】以非洲栽培稻耐热品种IRGC102309(Oryza glaberrima Steud.)和籼稻品种R9311(O. sativa L. subsp. indica Kato.)为亲本构建的栽培稻种间染色体片段导入系CSIL05-23为材料构建次级分离群体,结合人工气候室模拟灌浆期高温胁迫处理,采用垩白粒率高温钝感值为评价指标,对非洲栽培稻垩白粒率高温耐性 QTL 进行检测。【结果】 在BC₆F₂分离群体,利用单标记分析,发现第5染色体上的SSR标记RM1200与垩白粒率耐热性状极显著正相关（P=0.0005）。进一步利用BC₆F₃和BC₆F₄分离群体,采用QTL Cartographer 2.5软件和复合区间作图法在水稻第5染色体上的SSR标记RM1200-RM5796区间重复检测到一个灌浆期垩白粒率耐热性QTL, 命名为qHTCGR5,分别解释11.4%和17.5%表型变异。根据BC₆F₄分离群体的纯合重组体表型分组,利用置换作图方法将目标QTL同样定位在SSR标记RM1200-RM5796之间,遗传图距为1.3 cM,物理图距约为333.4 kb。【结论】 控制垩白粒率耐热性的qHTCGR5是一个能够用于稻米外观品质育种的新QTL。     

不同环境下稻米品质性状QTL的检测及稳定性分析

【目的】挖掘新的稻米品质性状QTL并利用分子育种技术改良稻米品质。【方法】利用构建的一套以籼稻香型恢复系昌恢121为背景亲本,以优质粳稻越光为供体亲本的染色体片段代换系（CSSLs）为材料,在4个环境下对稻米品质性状进行QTL检测及稳定性分析。【结果】在4个环境下共检测到44个QTL,其中6个QTL能在多个环境下被检测到;第2、3、5、6和10染色体上存在多效QTL簇,对稻米品质性状具有明显的调控作用;第1、6和12染色体上7个QTL能在不同环境下稳定表达。【结论】第1染色体RM3143-RM1117区间qPGWC1和第12染色体RM3331-RM5479区间qPaT12是两个新的稳定表达QTL。     

不同环境下稻米品质性状QTL的检测及稳定性分析

【目的】挖掘新的稻米品质性状QTL并利用分子育种技术改良稻米品质。【方法】利用构建的一套以籼稻香型恢复系昌恢121为背景亲本，以优质粳稻越光为供体亲本的染色体片段代换系（CSSLs）为材料，在4个环境下对稻米品质性状进行QTL检测及稳定性分析。【结果】在4个环境下共检测到44个QTL，其中6个QTL能在多个环境下被检测到；第2、3、5、6和10染色体上存在多效QTL簇，对稻米品质性状具有明显的调控作用；第1、6和12染色体上7个QTL能在不同环境下稳定表达。【结论】第1染色体RM3143−RM1117区间qPGWC1和第12染色体RM3331−RM5479区间qPaT12是两个新的稳定表达QTL。