遗传搭车与方差分析在水稻定向选择群体的抗旱性位点分析中的初步应用

水稻抗旱性属于复杂性状，近年的遗传研究日益关注胁迫下的产量相关位点。选用来自同一抗旱性较好的供体亲本（BG300），具有两种遗传背景（IR64和特青）和两种选择条件（低地和旱地）的4个水稻高代回交（BC₂）抗旱性定向选择导入系群体。通过SSR分子标记，检测群体中供体等位基因的导入频率，分析了选择条件和遗传背景对供体等位基因导入频率的影响。在此基础上，利用基于遗传搭车原理的卡方检验对等位基因导入频率的偏离进行检测，同时结合表型-基因型方差分析（ANOVA）的方法，对上述群体进行了和抗旱性相关位点的QTL分析。共检测到显著位点24个，其中卡方检验发现20个，方差分析检测到8个。有4个被这两种方法都检测到，很可能是与胁迫下的产量直接相关的位点。同时也对非胁迫下的产量位点进行了检测，发现上述抗旱性位点与非胁迫下产量的关系不大。还就选择条件和遗传背景的效应等对目标性状QTL定位的影响进行了讨论。研究结果将为进一步的水稻抗旱性分子育种研究提供有用的信息和材料。     

利用品质性状的回交选择导入系挖掘水稻抗纹枯病QTL

将优质、抗纹枯病的高秆供体Tarom Molaii和Binam导入半矮秆IR64和特青背景,培育品质性状回交选择构建的4个导入系群体IR64/Tarom Molaii、特青/Tarom Molaii、IR64/Binam和特青/Binam,定位了影响水稻抗纹枯病病级(disease scale, DS)、相对病斑高度(relative lesion height, RH)和株高(plant height, PH)的QTL。结果表明,4个导入系群体的DS与RH高度相关,两者与PH呈显著负相关。导入系后代各性状均呈现超亲分离,出现抗性明显优于双亲的抗病个体,其中40%左右属半矮秆抗病类型。采用单向方差分析,在这4个群体中分别定位到10、8、8和6个影响3个性状的QTL,多数基因座上降低DS和RH即增强抗病性同时增加株高的等位基因均来自两个供体。未在同一供体两个不同背景下检测到影响3个性状的相同QTL,表明抗纹枯病QTL表达有明显的遗传背景效应。PH与DS及PH与RH被定位在同一个显著标记位点的QTL数分别占两个性状QTL总数的38%和52%,表明水稻纹枯病抗性与株高关系密切,两者存在许多连锁位点。与以往相同群体品质性状QTL的定位结果相比,发现品质性状QTL与抗纹枯病QTL大多分布在染色体的不同区域,彼此独立遗传。对利用目标性状选择导入系定位非目标性状QTL的效果、影响因素及育种应用进行了探讨,强调了目标性状选择导入系对非目标性状QTL发掘及育种应用的重要性。     

水稻抗纹枯病QTL表达的遗传背景及环境效应

利用水稻纹枯病菌强致病菌系RH-9人工接种Lemont导入到特青背景的213个近等基因导入系(TQ-ILs)群体和特青导入到Lemont背景的195个近等基因导入系(LT-ILs)群体,定位和分析了水稻抗纹枯病数量性状座位(quantitative trait loci, QTL)及其表达的环境与遗传背景效应。亲本Lemont对RH-9表现为高度感病,特青表现为中等抗病。人工接种后TQ-ILs群体的相对病斑高度(病斑高度与株高比)呈连续正态分布,LT-IL群体则明显偏向感病亲本Lemont。在不同年份和遗传背景下检测到影响纹枯病相对病斑高度的主效QTL 10个和互作QTL 13个,其中2006年在TQ-IL群体定位到的6个主效QTL在2007年均得到验证,表明这些QTL具有较好年度间的重复性。QSh4是唯一在双向导入系背景下表达的QTL,该位点特青等位基因降低相对病斑高度,提高抗性水平。在TQ-ILs群体中定位到位于第10染色体RM216~RM311区间的QSb10a与在LT-IL群体中定位到的位于相邻区间RM222~RM216的QSb10b的基因作用方向不同,推断这两个QTL存在紧密连锁关系。绝大多数在TQ-IL群体中表达的主效及互作QTL在LT-ILs群体中不表达,表明水稻抗纹枯病QTL具有明显的遗传背景效应。通过比较作图,本研究定位到的其中8个QTL在以往不同群体中同样被检测到,这些主效QTL对通过分子标记辅助选择(marker-assisted selection, MAS)培育水稻抗纹枯病育种可能具有应用价值。研究指出,标记辅助选择在不同遗传背景中能稳定表达的QTL或通过聚合不同抗病QTL是进一步提高水稻纹枯病抗性水平的一个有效途径。     

回交导入后代水稻种质有利基因的鉴定与筛选研究

种质资源蕴藏着品种遗传改良的各种有利基因,高效发掘种质资源的有利基因是实现育种突破的前提。本研究选择IR64、特青和新株型（NPT）为轮回亲本与13个供体的不同回交世代（BC2F2-BC4F2）群体为材料,进行耐盐、耐淹和褐稻虱抗性鉴定与筛选。结果表明,尽管多数亲本本身对这些逆境不具备很好抗性或耐性,但在绝大多数回交后代中均出现耐盐、耐淹和抗褐稻虱的超亲分离,表明这些供体均带有对这些性状的有利基因。这种潜在“隐蔽”有利基因的表达受遗传背景影响较大。从总体上看,3个性状的选择效率以IR64背景最高,特青背景高于NPT背景。BC2对耐盐性的选择效率明显高于BC3和BC4代,BC3和BC4的选择效率因不同组合而异。研究表明通过大规模回交导入和回交后代性状的严格鉴定是发掘种质资源有利基因的有效途径。     

水稻多亲本导入系聚合派生群体对干旱和低氮选择响应的初步定位研究

以广亲和强优势恢复系"中413"为轮回亲本、以10份优良品种作为供体亲本,经过1次杂交,2次回交和3次自交,育成一套多亲本导入系群体,在常规水田、干旱和低氮条件下种植并目测筛选,将入选导入系相互杂交,F2代及其派生家系分别在干旱与低氮条件下种植,目测筛选获得112份导入系聚合后代株系。在上海和海南两地鉴定这112份导入系在干旱(DT)、低氮(LN)、干旱和低氮耦合(DTLN)、正常水肥管理(CK)下的表型,导入系的平均单株产量在两地DTLN和CK处理中均大于轮回亲本。利用117个SSR标记进行基因型分析,对单株产量与标记数据进行单向方差分析,定位到41个与抗旱和耐低氮相关的QTL,其中6个位点在不同的处理中被重复检测到,另有17个位点与导入频率的卡方检验结果重叠。通过连锁不平衡(LD)分析,11个产量相关位点表现出对干旱、低氮选择的同时响应,反映出针对抗旱性和耐低氮特性的聚合育种效应。     

利用双向回交导入系定位水稻苗期耐亚铁毒和锌毒的QTL

铁和锌是水稻生长必需的微量元素,也是重金属污染元素。在低洼或酸性土壤中,水稻容易遭受亚铁和锌毒害,抑制水稻生长,造成生物量和产量下降。为探讨水稻苗期耐亚铁毒、锌毒的遗传机制,利用优质粳稻品种Lemont和高产籼稻品种特青为亲本构建的高代双向回交导入系和308个在染色体上均匀分布的SNP标记剖析耐亚铁毒、锌毒相关的QTL。从双向导入系共检测到42个影响耐亚铁毒、锌毒相关性状如苗高、苗干重、根干重以及胁迫与对照相对值的QTL,多数位点增强亚铁毒、锌毒抗性的有利等位基因来自Lemont。其中同时在2个背景下表达的QTL有4个,占定位QTL总数的9.52%,说明大多数QTL的表达具有明显的遗传背景效应。同一遗传背景下同时影响耐亚铁毒和锌毒的QTL有9个,其中QSdw5在2个背景中均被检测到,其效应大小和方向一致,说明水稻苗期耐亚铁毒、锌毒之间存在遗传重叠位点。因此,通过分子标记辅助选择从Lemont中导入或聚合有利的遗传重叠区域,可以提高特青对亚铁毒、锌毒的抗性水平。     

水稻转GNA基因后代对褐飞虱的抗性研究

利用改进的稻飞虱抗性鉴定技术和程序，对转GNA基因的水稻后代进行了连续世代（T0～T3）的抗性鉴定，获得17份优良抗性纯合系，其抗性多数介于抗虫对照（IR36）与各自受体亲本之间。方差分析结果表明，转基因材料R507、R818与各受体亲本间在稻飞虱抗性水平上存在极显著的差异。它们与抗性对照IR36之间也表现显著或极显著的差     

大豆导入系群体芽期耐低温位点的基因型分析及QTL定位

利用美国大豆品种Clark (供体亲本)与主栽品种红丰11 (轮回亲本)所构建的回交导入系,经过严格的芽期耐低温筛选鉴定,得到46个在芽期耐低温性状上明显超过轮回亲本的导入系个体。利用这套选择群体结合随机对照群体和基因型分析,通过基于遗传搭车原理的卡方分析和单向方差分析方法,检测到分布于大豆10个连锁群的14个与大豆芽期耐低温相关的QTL。其中卡方分析检测到12个供体片段的超导入位点,对芽期耐低温性状表现为正效应。方差分析检测到5个位点,也表现为正效应,且其中Satt237、SOYPRP1和Satt540 3个位点是两种方法共同检测到的,应视为与耐低温直接相关的QTL。本研究旨在创建大豆芽期耐低温分子育种的检测方法平台,为大豆芽期耐低温研究提供有用的分子标记。     

水稻抗纹枯病QTL qSB-9TQ和抗条纹叶枯病基因Stv-bi的聚合育种

以携带抗纹枯病QTL qSB-9^TQ的籼稻品种特青和携带抗条纹叶枯病基因Stv-bⁱ的粳稻品种镇稻88为优良等位基因供体亲本,江苏省推广的粳稻品种武育粳3号和武粳15为受体亲本,分别杂交并连续回交。在回交及自交分离世代,利用开发的覆盖目标基因区间的双侧分子标记对目标基因进行辅助选择。至回交BC₄F₁世代,同一遗传背景2个回交方向的中选单株间聚合杂交,获得2个目标基因位点均纯合的聚合F₃株系。条纹叶枯病抗性鉴定和纹枯病抗性接种鉴定结果表明,聚合株系对条纹叶枯病均表现抗病;以0~9级评级标准评价,聚合株系的纹枯病较相应的轮回亲本分别低1.1~1.6级和0.8~1.4级。结合回交低世代抗性鉴定结果分析,自行开发的分子标记对目标基因的辅助选择是有效的。讨论了抗纹枯病育种及分子标记辅助选择聚合育种的相关问题。     

利用双向导入系群体检测遗传背景对耐盐QTL定位的影响

以优质粳稻品种Lemont与高产籼稻品种特青为亲本培育的高代双向同交导入系为材料,在温室140 mmolL-1 NaCl胁迫条件下定位影响苗期叶片盐害级别(SST)、幼苗存活天数(SDS)、地上部K+浓度(SKC)和地上部Na+浓度(SNC)及人工气候室条件下影响地上部K+、Na+浓度的QTL.双向导入系的大部分遗传背景与各自的受体亲本相同,其中Lemont背景导入系中轮回亲本Lemont的基因组平均占83.8%,特青背景导入系中轮回亲本特青基因组平均占88.9%.各耐盐相关性状在两个背景群体中均出现超亲分离,多数性状的频率分布呈相互重叠状态,表明双亲作为供体相互导入各耐盐性状基因的效应大致相当.两个背景导入系群体中分别检测到影响上述耐盐相火性状的QTL各18个,同一性状在两个背景导入系中未能检测到任何相同表达的QTL,表明耐盐QTL表达具有很强的遗传背景效应,同时也说明这些耐盐QTL的效应可能较小.温室和人工气候室两种环境下仅在特青背景导入系中检测到1个影响SKC的相同QTL,表明耐盐QTL与环境的互作非常明显.虽然双亲均表现中等感盐,但QTL定位结果表明双亲中都存在一些提高耐盐相关性状的有利等佗基因.研究认为,利用分子标记技术挖掘"隐蔽"于育成品种中的耐盐基因,进一步利用分子标记辅助选择技术对这些非等位耐盐基因进行聚合,完全有可能提高育成品种的耐盐水平.     

Detecting major QTL associated with resistance to bacterial blight using a set of rice reciprocal introgression lines with high density SNP markers

Bacterial blight (BB), caused by Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo), is a worldwide rice disease. QTL providing BB resistance were identified using a set of introgression lines (ILs) derived from a cross between Teqing and Lemont, and 3924 evenly distributed SNP markers developed from the two parents. After inoculating three Xoo pathotypes, CII, CIV and CV, seven major BB resistance‐associated QTL were detected. The alleles at all loci with improved BB resistance were from the Teqing background. Four QTL resistance to CII and CIV were identified in the reciprocal backgrounds across 2 years. Six QTL conferring resistance to CV identified in Teqing background were not detected in Lemont background, indicating that genetic background had a strong effect on the BB resistance‐associated QTL. Based on the interactions of 27 significant digenic QTL pairs among the seven main‐effect QTL, the QTL were divided into three strain‐specific groups. Genotype analyses of resistant ILs suggest that rice lines with a high level of resistance to BB can be achieved by pyramiding R gene(s) and QTL that interact with R gene(s).     

利用回交导入系定位干旱环境下水稻植株水分状况相关QTL

日益严重的水资源危机使水稻的耐旱育种尤为迫切, 干旱环境下较高的植株水分含量有助于提高或维持作物产量的稳定性, 挖掘与耐旱性密切相关的分子标记有助于提高耐旱品种的选育效率。从供体Lemont (粳稻)导入到特青(籼稻)背景的254个高代回交导入系中筛选出覆盖供体全基因组的55个回交导入系, 采用PVC管栽培, 分析了干旱(胁迫)条件下水稻植株水分状况相关性状与籽粒产量、生物量的相关性并定位了相关QTL。研究表明, 植株水分相关性状(相对含水量、叶片水势、渗透势、卷叶度)均与籽粒产量显著相关。检测到7个相对含水量QTL, 7个叶片水势QTL, 5个渗透势QTL及5个卷叶QTL; 另检测到5个产量QTL, 7个生物量QTL。分析发现, 不仅QLwp5、QLr5、QRwc5和QY5同时分布在RM509~RM163区域, 且该区域还分布有对水分环境表现稳定的产量QTL(QGy5), 效应方向一致, 从遗传学角度解释了籽粒产量与水分相关性状之间的显著相关性。另外, QLr5、QRwc5、QY5、QLr2、QLr7、QLr8、QLr9、QRwc3、QRwc4a、QRwc12及QY7 等11个QTL曾在不同遗传背景群体中被检测到, 它们控制相同目标性状。研究认为RM509~RM163区域及QLr2、QLr7、QLr8、QLr9、QRwc3、QRwc4a、QRwc12和QY7所分布的染色体区域对水分环境或者遗传背景相对稳定, 在水稻分子标记辅助选择(MAS)耐旱育种实践中有较重要利用价值。     

利用双向导入群体检测遗传背景对耐盐QTL定位的影响

以优质粳稻品种Lemont与高产籼稻品种特青为亲本培育的高代双向回交导入系为材料,在温室140 mmol L^-1 NaCl胁迫条件下定位影响苗期叶片盐害级别(SST)、幼苗存活天数(SDS)、地上部K⁺浓度(SKC)和地上部Na⁺浓度(SNC)及人工气候室条件下影响地上部K⁺、Na⁺浓度的QTL。双向导入系的大部分遗传背景与各自的受体亲本相同,其中Lemont背景导入系中轮回亲本Lemont的基因组平均占83.8%,特青背景导入系中轮回亲本特青基因组平均占88.9%。各耐盐相关性状在两个背景群体中均出现超亲分离,多数性状的频率分布呈相互重叠状态,表明双亲作为供体相互导入各耐盐性状基因的效应大致相当。两个背景导入系群体中分别检测到影响上述耐盐相关性状的QTL各18个,同一性状在两个背景导入系中未能检测到任何相同表达的QTL,表明耐盐QTL表达具有很强的遗传背景效应,同时也说明这些耐盐QTL的效应可能较小。温室和人工气候室两种环境下仅在特青背景导入系中检测到1个影响SKC的相同QTL,表明耐盐QTL与环境的互作非常明显。虽然双亲均表现中等感盐,但QTL定位结果表明双亲中都存在一些提高耐盐相关性状的有利等位基因。研究认为,利用分子标记技术挖掘“隐蔽”于育成品种中的耐盐基因,进一步利用分子标记辅助选择技术对这些非等位耐盐基因进行聚合,完全有可能提高育成品种的耐盐水平。     

Identification of salt tolerance‐improving quantitative trait loci alleles from a salt‐susceptible rice breeding line by introgression breeding

To improve salt tolerance of two elite rice varieties, Ce258 and Zhongguangxiang1 (ZGX1), two sets of introgression lines (ILs) each comprising 200 BC₁F₁₀ lines derived from a common donor, IR75862, and two recipient parents, Ce258 and ZGX1, were used for mapping of QTLs for four salt tolerance‐related traits at the seedling stage. Although the three parents were susceptible to salt, the two IL populations showed transgressive segregations for salt tolerance with 12 and 8 salt tolerance ILs in the Ce258‐ILs and ZGX1‐ILs. Eighteen main‐effect QTLs were identified for the four traits in the two IL populations, and the IR75862 alleles at most loci showed increased and decreased salt tolerance in the ZGX1 and Ce258 backgrounds, suggesting overwhelming genetic background effects on QTL detection for salt tolerance. The qDSS11 simultaneously detected in the two backgrounds was validated in a F₂ population derived from a salt tolerance line and ZGX1. Our results indicated that salt tolerance‐enhancing allele could be identified in the elite susceptible breeding lines and that introgression of the favourable alleles could facilitate the development of superior lines with greater salt tolerance levels.     

水稻第2染色体上抗旱相关性状QTL的精细定位

水资源危机使得水稻抗旱性的遗传与育种研究成为当今的研究热点之一。鉴定与水稻抗旱性直接相关的性状和产量的QTL,可为通过标记辅助选择培育抗旱水稻品种提供标记信息。以从供体IRAT109渗入到珍汕97B背景的269个高代回交渗入系中筛选出覆盖第2染色体目标区段的87个近等基因系为材料,在抗旱鉴定大棚中采用控制式供水,精细定位了水处理(对照)与干旱胁迫条件下影响水稻水分生理及产量相关性状的QTL。共检测到20个影响叶水势(LWP)、冠层温度(CT)、茎基粗(BCT)等性状相关QTL和百粒重(HGW)、每穗颖花数(SN)、着粒密度(SPD)等产量相关QTL。根据在不同环境下的表达情况,将其分为3类,第1类7个QTL,在两种环境下均被检测到;第2类4个,只在对照条件下检测到;第3类2个,分别控制叶水势和颈基粗,受干旱胁迫诱导,只在胁迫条件下被检测到,其中,叶水势定位在RIO02037-RIO02038约8.2 kb的区段上, 其加性效应和贡献率分别为-1.0361和13.03%,增效等位基因来自IRAT109;茎基粗定位在RIO02017-RIO02022约37.7 kb的区段内,加性效应和贡献率分别为0.2682和49.20%,增效等位基因来自珍汕97B。在水、旱2种条件下均检测到的相对稳定的7个QTL及干旱胁迫条件下的2个QTL可能对抗旱性有直接贡献。     

灌溉与自然降雨条件下水稻高代回交导入系产量QTL的定位

利用254个Lemont导入到特青背景的高代回交导入系定位了灌溉（对照）与自然降雨（干旱胁迫）环境下影响单株籽粒产量及其穗部相关性状的QTL。在两种环境下共检测到32个影响单株粒籽产量、千粒重和每穗实粒数的主效QTL,根据不同环境下表达的情况将其分成3类,第1类10个QTL,在两种环境下均被检测到;第2类14个QTL,只在对照条件下检测到;第3类8个QTL,受干旱胁迫诱导,只在胁迫条件下被检测到。此外还检测到9个影响胁迫与对照条件下性状差值的QTL。认为在两种条件下均检测到的相对稳定的3个QTL（QGn11b、QGn12和QGn11b）及影响两种条件下性状差值（即性状稳定性）的9个QTL可能对耐旱性有直接贡献。在所有12个耐旱QTL中,除在QGn5和QGy1的Lemont等位基因减小性状差值（即增强耐旱性）外,其余位点上增强耐旱性的等位基因均来自特青。另外通过与源自相同亲本的不同定位群体在不同环境下定位结果的比较,鉴别出一些受遗传背景和环境影响较小的QTL如QGn3b、QGw1、QGw5、QGy1、QGy5、QGy8和QGy10。对应用QTL定位结果进行标记辅助选择培育耐旱品种进行了探讨。     

粳稻超优1号背景回交导入系的耐热性筛选与评价

全球气候变暖不可避免地影响水稻的生产。本研究以粳稻品种超优1号为轮回亲本与9个来自不同国家的供体品种杂交培育的BC₂F₄回交导入群体为材料, 通过开花期高温胁迫, 共初筛到124个耐高温单株; 以粳稻为供体的回交导入群体出现耐热个体的频率高于籼稻供体的导入群体, 表明粳稻资源中同样存在耐热有利基因。经对初筛后代的耐热性重复鉴定和在正常条件下的性状评价, 发现有80个株系的结实率显著高于轮回亲本, 耐热性选择效率为64.5%, 这些耐热导入系的产量及其相关性状在高温胁迫和正常条件下均出现广幅分离, 从中鉴定出耐热性和产量性状均显著好于轮回亲本的8个优良导入系。在3个耐热导入系的聚合F₂群体中, 筛选出耐热个体的平均结实率在80%以上, 极显著高于轮回亲本和最高聚合亲本, 从中获得106株耐热性极显著好于聚合亲本的单株, 显示出较理想的耐热性聚合效果。通过对耐热导入系和轮回亲本在正常和高温胁迫条件下的产量以及相关性状的表型比较分析, 有助于提高对水稻耐热性状筛选中的供体选择、选择效率和筛选方法等一些重要问题的认识。本研究获得的高产耐热聚合系, 将为水稻耐热有利基因发掘和耐热性标记辅助选择聚合育种提供宝贵材料。