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，產量性狀研究一直備受關注。產量性狀與其他數量性狀一樣都受到多基因的控制，并在分離后代中呈現連續(xù)的表型變異。水稻稻穗是水稻產量的直觀體現，穗子形態(tài)的改變直接影響水稻的產量，對穗部性狀遺傳變異基礎的研究對改良水稻產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，本研究中我們構建了含有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為基礎鑒定每個株系的重組位點，再將這些重組位點間的片段設定為一個遺傳重組單位，進而構建成以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，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相關的QTL的精細定位，利用了目標QTL對應的置

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。主要結果如下:
　　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性狀進行考察。親本間，穗長、每穗穎花數、二次枝梗數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)生顛換現象。相關性分析得出，每穗穎花數與穗部結構因子（穗長、一次枝梗、二次枝梗）有極顯著

5、的正相關。不同的環(huán)境下，單株重受到穗數或者穗長的影響。單株穗數與每穗穎花數、一次枝梗數以及穗長之間呈負相關。
　　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個穗部相關性狀

6、以及單株產量作為表型值，分析親本及重組自交系群體的性狀表現。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％。對單株穗數的增效等位基因來自親本PA64s。二次枝梗數檢測到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。對單株產量檢測發(fā)現有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)現有4個區(qū)段具有共定位現象，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、位于8號染色體的SNP8-40-SNP8-71片段同時控制每穗穎花數、一次枝梗數以及單株產量、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和每穗穎花數以及位于11號染色體的SNP11-123-SNP11-171位點同時控制穗長和單株產量。同時結合前人的研究結果，討論了穗部相關性狀基因座，為進一步對水稻穗部結構分子標記輔助選擇以及對穗部相關性狀基因的圖位克隆奠定了基礎。
　　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。為進一步縮小qPPB3的范圍，發(fā)展了BC3F2群體。利用QTL-qPPB3對應的一個置換系GH18與93-11回交并自交，構建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。應用5對InDel標記，結合F3群體株系的表型

12、數據，將其精細定位在P6與P7之間約34.6kb的范圍內。
　　經過精細定位后，對這三個QTL的進行候選基因分析。結果發(fā)現，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)間內僅有一個候選基因Ghd8/DTH8，分析親本間的序列發(fā)現在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基因通過農桿菌轉化轉入PA64s中，轉基因植株均表現出株高變高、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基因，對4個與穗部形態(tài)相關基因以及與本研究相關的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，而兩個與每穗粒數相關的基因GN1a和DST卻高于93-11。D88與獨腳金內

14、酯具有緊密的聯系，說明D88調控獨腳金內酯在不同時期不同位置的含量。因此，獨腳金內酯不僅影響莖稈分枝，也影響穗部的分枝。93-11中的穗粒數明顯高于PA64s，是由于DTH8基因在93-11中的高表達導致穗部變大和穗粒數增多。同樣，PA64s中的LAX1基因的低表達引起了穗部二次枝梗數目的顯著降低。
　　穗部分枝或者植株分枝與產量相關的基因之間具有未知的關聯，本研究對穗部相關QTL分析再次證明了重要的產量相關基因不僅僅只影響某一個