水稻穗部性狀QTL分析及精細定位研究.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，對穗部性狀遺傳變異基礎(chǔ)的研究對改良水稻產(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個株系的水稻秈型重組自交系群體，并通過一種基于全基因組重測序的基因型分析方法，獲得較高分辨率的重組圖譜，并以

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

3、>　　本研究利用從秈型兩系雜交稻兩優(yōu)培九RIL群體1，840個家系中隨機挑選出的132個株系進行全基因組重測序并獲得高密度的遺傳圖譜，對與穗部相關(guān)的7個性狀進行了QTL分析。并對其中的3個穩(wěn)定表達的QTL(qPPB3，qSPB1，qSN8)進行了精細定位。再根據(jù)剩余的1，708個重組自交系對三個具有代表性的QTL進行連鎖分析，并對這3個QTL進行精細定位。其中對位于3號染色體上的一次枝梗數(shù)相關(guān)的QTL的精細定位，利用了目標QTL對應(yīng)的置

4、換系與背景親本進行雜交獲得F2群體，將其分解為單基因并精細定位，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
　　在兩個不同的環(huán)境條件下，對親本以及群體的穗部相關(guān)性狀進行考察。親本間，穗長、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，性狀差異不會因為環(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、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)以及穗長之間呈負相關(guān)。
　　對群體各性狀進行了基本特征統(tǒng)計，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穗部相關(guān)性狀QTL
　　利用已測序的93-11/PA64s132個重組自交系群體，考察2個環(huán)境下6個穗部相關(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)。運用MultiQTL1.6軟件對這7個性狀進行了主效QTL檢測，共得到31個加性位點，分布在12條染色體上。各個QTL貢獻率在6％～16.5％之間，其中一次枝梗數(shù)檢測到6個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對一次枝梗數(shù)的增效等位基因來自親本PA64s，位于8號染色體上的QTL對一次枝梗數(shù)的增效等位基因來自親本93-11。穗長檢測到6個

7、加性位點，解釋表型變異的6％～13.5％。其中位于1、9和11號染色體上的QTL對穗長的增效等位基因來自親本PA64s，位于4、5和8號染色體上的QTL對穗長的增效等位基因來自親本93-11。單株穗數(shù)檢測到一個加性位點，位于5號染色體上，解釋表型變異的13.4％。對單株穗數(shù)的增效等位基因來自親本PA64s。二次枝梗數(shù)檢測到4個QTL，解釋表型變異的6.2％～10.3％。位于1和9號染色體上的3個QTL的增效等位基因來自親本93-11，3

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

9、.3％～12.8％。位于4、6和8號染色體上的QTL增效等位基因來自親本93-11，另外位于11和12號染色體上的QTL增效等位基因來自親本PA64s。同時發(fā)現(xiàn)有4個區(qū)段具有共定位現(xiàn)象，分別為位于4號染色體的SNP4-208-SNP4-236區(qū)段同時控制穗著粒密度和每穗穎花數(shù)、位于8號染色體的SNP8-40-SNP8-71片段同時控制每穗穎花數(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號染色體的SNP11-123-SNP11-171位點同時控制穗長和單株產(chǎn)量。同時結(jié)合前人的研究結(jié)果，討論了穗部相關(guān)性狀基因座，為進一步對水稻穗部結(jié)構(gòu)分子標記輔助選擇以及對穗部相關(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年杭州檢測水稻穗部性狀QTL，挑選核心RIL群

11、體所剩下的1，708個株系對三個重要QTL進行連鎖分析。將qPPB3、qSPB1和qSN8分別定位于385kb、2.5kb以及9.83kb的范圍內(nèi)。為進一步縮小qPPB3的范圍，發(fā)展了BC3F2群體。利用QTL-qPPB3對應(yīng)的一個置換系GH18與93-11回交并自交，構(gòu)建F2群體（1，105個單株，2011年海南）及其F3群體（1，105個株系，2012年杭州），將qPPB3分解為單基因。應(yīng)用5對InDel標記，結(jié)合F3群體株系的表型

12、數(shù)據(jù)，將其精細定位在P6與P7之間約34.6kb的范圍內(nèi)。
　　經(jīng)過精細定位后，對這三個QTL的進行候選基因分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，qPPB3的候選基因為已知基因D88，親本序列之間存在1個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)有一個單堿基替換。最后，qSN8的區(qū)間內(nèi)僅有一個候選基因Ghd8/DTH8，分析親本間的序列發(fā)現(xiàn)在PA64s的啟動子區(qū)有一個單堿基替換和一個8bp的缺失

13、。進一步互補實驗驗證，將93-11的DTH8基因通過農(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。
　　針對已報道的穗部相關(guān)基因，對4個與穗部形態(tài)相關(guān)基因以及與本研究相關(guān)的3個基因的表達水平進行分析。在穗部發(fā)育初期，PA64s中D88、APO1、IPA1、DTH8和LAX1等基因的表達水平明顯低于93-11，而兩個與每穗粒數(shù)相關(guān)的基因GN1a和DST卻高于93-11。D88與獨腳金內(nèi)

14、酯具有緊密的聯(lián)系，說明D88調(diào)控獨腳金內(nèi)酯在不同時期不同位置的含量。因此，獨腳金內(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