水稻株高QTL 分析及其与产量QTL 的关系

1、第27卷第6期作物学报V o l. 27, N o . 62001年11月A CTA A GRONOM I CA S I N I CAN ov . , 2001水稻株高QT L 分析及其与产量QT L 的关系樊叶杨1庄杰云1李强2SALA F rancisco 2郑康乐1,(1中国水稻研究所国家水稻改良中心, 浙江杭州310006;2意大利米兰大学生物系, M ilan , Italy 20133提要分别应用具有112和160个标记位点的两个籼 籼交组合的F 2群体的连锁图, 对控制水稻株高的数量性状基因(Q TL 进行了研究。各定位了4个和3个株高Q TL , 每个Q TL 的贡献率在5.

2、6%22. 9%之间。在一个群体中, 4个Q TL 都表现为完全显性或超显性; 在另一个群体中, 3个Q TL 均表现为部分显性。分别检测到7对和5对影响株高的双基因互作, 其中一个群体以加性2加性互作为主, 另一个群体以加性2显性(或显性2加性 为主, 两个群体中均没有检测到显性2显性互作。另外, 在二个群体中, 都有2个Q TL 在染色体位置、基因作用模式和效应方向诸方面, 与产量性状Q TL 表现一致。关键词水稻; 数量性状基因(Q TL ; 株高; 产量性状Ana lysis of Quan tita tive Tra it L oc i (QT L for Plan t He igh

3、t and the Rela tion between these QT L and QT L for Y ield Tra its i n R iceFAN Ye 2Yang 1ZHU AN G J ie 2Yun 1L IQ iang 2Sala F rancisco 2ZH EN G Kang 2L e1(1N ational Center of R ice Imp rove m ent , Ch ina N ational R ice R esearch Institu te , H ang z hou 310006, Ch ina ; 2D ep art m ent ofB iolo

4、gy , M ilan U niversity 20133, Ch ina Abstract Q TL fo r p lan t heigh t (PH w ere determ ined in tw o F 2pop u lati on s each derived from an ind ica ind ica cro ss of rice . Fou r Q TL fo r PH w ere detected in one pop u lati on by em p loying a m o lecu lar linkage m ap of 112m arkers , all of w

5、h ich disp layed over 2dom inance o r com p lete dom inance . In ano ther pop u lati on , th ree Q TL fo r PH w ere detected by em p loying a m ap of 160m arkers , all of w h ich disp layed p artial dom inance . Each Q TL exp lained 5. 6%to 22. 9%of the p heno typ e variati on . Seven digen ic in te

6、racti on s fo r PH w ere detected in one pop u lati on , and the additive additive in teracti on s w ere p redom inan t . F ive digen ic in teracti on s w ere detected in ano ther pop u lati on , and the additive dom inance (o r dom inance additive in teracti on s w ere p redom inan t . N o dom inan

7、ce dom inance in teracti on s w erefound in either pop u lati on s. It w as also found in each pop u lati on that 2Q TL fo r PH w ere in good acco rdance w ith Q TL fo r yield traits in term s of the ch rom o som al locati on , gene acti onm ode and the directi on of dom inance and additive effects.

8、 Key words R ice ; Q uan titative trait loci (Q TL ; P lan t heigh t ; Y ield traits联系人:Em ail :cnrrib fy . hz . zj . cn收稿日期:2000210225, 接受日期:2000211230R eccived on :2000210225, A ccep ted on :2000211230资助项目:国家水稻基因组项目(101209206 ; 洛克菲勒基金会国际水稻生物技术项目(R F 99001#744 ; 农业部水稻学重点实验室开放项目(000203作者简介:樊叶杨(1975

9、、男、浙江、研究实习员、学士学位、研究方向; 生物技术自20世纪50年代末水稻矮秆化育种使稻米产量取得突破性增长以来, 稻作工作者广泛对水稻株高展开了遗传研究1。迄今, 已经发现至少有60多个控制矮秆和半矮秆的主基因2。近年来, R FL P 等分子标记技术的迅猛发展和致密连锁图谱的构建, 为系统地分析数量性状的遗传机理提供了基础。在水稻中, 已经对株高及其构成因素进行了数量性状基因(Q TL 研究39。进一步研究Q TL 以及基因互作对株高的作用, 将增加对株高遗传机理的理解。研究株高与其它性状, 特别是产量性状的遗传控制关系, 将为株高在水稻高产育种中的辅助选择应用提供基础。本研究以两个水

10、稻籼 籼交组合衍生的F 2群体为材料, 对株高Q TL 和双基因互作进行了分析, 此外, 还分析了株高Q TL 和产量性状Q TL 的相互关系。1材料与方法1. 1水稻材料本研究采用了两个水稻籼 籼交组合的F 2群体。一个为171个株系组成的珍汕97B 密阳46群体(以下简称Z M 群体 , 另一个为166个株系组成的协青早B密阳46群体(以下简称XM 群体 。1995年于杭州中国水稻研究所实验场种植P 1、P 2、F 1和F 2。播种30天后移栽, 密度为27c m 40c m 。在分蘖初期从各稻株掰一分蘖单独种植, 以提取叶片DNA 。至成熟期逐株测量株高(PH , 另外, 还考查了4个产

11、量性状:单株产量(GYD 、单株穗数(N P 、每穗实粒数(N FGP 和千粒重(T G W T 。1. 2DNA 标记检测水稻总DNA 的提取按本实验室的方法进行10。两个群体均应用了R FL P 和SSL P 标记, XM 群体还应用了A FL P 和RAM P 标记。1. 2. 1R FL P 酶切、电泳和Sou thern 印迹转移主要参照M cCouch 等的方法11, 分子杂交应用ECL 直接核酸标记和检测系统(Am ersham Pharm acia 公司 , 按手册步骤操作。亲本检测中, Z M 群体应用了6种限制性内切酶:B am H 、D ra 、E co R 、E co

12、R 、H in d 、X ba ; XM 群体应用了5种:B am H 、D ra 、E co R 、E co R 、H in d ; 共选用了320个DNA 克隆, 由美国Co rnell 大学T ank sley 实验室提供。只有双亲间呈多态性的探针才用于检测F 2群体。1. 2. 2SSL P 所应用的引物购自R esearch Genetics 公司, PCR 反应按照提供的手册操作, 扩增产物在2%M etaPho r TM 琼脂糖(FM C 上电泳。共有来自第1、2、4、9、10、11染色体的59对引物用于双亲间检测, 对照SSL P 框架图谱12, 只有那些在双亲间显示多态性、且

13、有可能填补图谱上空白区的引物, 才用于F 2群体的检测。1. 2. 3A FL P 和RAM P A FL P 参照V o s 等的方法13, 引物来由Keygene 公司, 应用了1对P st 选择性引物与6对M se 选择性引物组合成的6对引物。RAM P 参照A rencib ia 等的方法14, 应用了1对微卫星引物与7对RA PD 引物组合成的7对引物。PCR 扩增产物在6%变性聚丙烯酰胺胶上电泳, 银染检测采用S I LV ER SEQU EN CE TMDNA 测序系统(P rom ega 。1. 3数据分析采用M A PM A KER EXP 3. 0构建图谱15, 用Ko s

14、am b i 函数将重组率转换成遗传图距(c M 。应用单因子方差分析(SA S PROL GLM 16和区间作图法(M A PM A KER Q TL1. 1b 17定位Q TL , 只有在前者P 2. 0的情况下同时检测到, 才判断为控制相应性状的Q TL 。应用双因子方差分析(SA S PROL GLM 16对双基因互作进行了检测, 当P 0. 01 。因此, 最终定位到4个Q TL , 即qPH 3、qPH 5、qPH 7和qPH 12(图2 , 其贡献率分别为8. 4%、12. 7%、13. 7%和12. 2%。4个Q TL 都表现为完全显性或超显性(表2 。在XM 群体中, 用区间

15、作图法定位到4个Q TL , 分别位于第3、6、7、12染色体, 但是第3染色体上的Q TL 没有在单因子方差分析中检测到。因此, 最终定位到3个Q TL , 即qPH 6、qPH 7和qPH 12(图2 。其贡献率分别为18. 4%、22. 9%和5. 6%。3个Q TL 都表现为部分显性(表2 。表2同一个F 2群体中检测到的株高QT L 及其所处区间的产量性状QT LTable 2QT L for plan t he ight and QT L for y ield tra its detected i n correspondi ng i n tervals i n each F 2p

16、opulation群体aPopulati on a区间Interval Q TLLOD P 2值bP 2value b %贡献率c %V ar 2cA d D e D A f Z MR G 962R G 482qPH 32. 510. 00258. 4-4. 175. 091. 22R G 4702R G 573qPH 53. 420. 001712. 7-0. 359. 7128. 06R Z 3952R Z 989qPH 72. 760. 004013. 75. 267. 181. 36q N FGP 72. 440. 00449. 14. 8620. 254. 17R G 1762R G

17、 543qPH 123. 790. 000312. 2-5. 425. 280. 97q N P 122. 570. 00306. 7-1. 371. 621. 19R G 5432R G 81qT GW T 123. 220. 000812. 50. 80-0. 15-0. 18X M R G 1382R Z 398qPH 66. 30. 000118. 4-7. 23-3. 22-0. 45qGYD 62. 330. 00277. 2-9. 737. 910. 81R Z 3952R G 404qPH 76. 160. 000122. 97. 524. 890. 65q N FGP 72.

18、 510. 00377. 211. 973. 150. 26R G 4632R G 901qPH 122. 030. 00595. 6-3. 742. 090. 56a . Z M =珍汕97B 密阳46; X M =协青早B 密阳46. b . 应用单因子方差分析得到具有最高F 值时的P 值. c .Q TL 所能解释的表型方差占总表型方差的比值. d . Q TL 的加性效应. e . Q TL 的显性效应. f . 显性度. a . Z M =Zhenshan 97B M ilyang 46; X M =X ieqingzao B M ilyang 46. b . O utput fro

19、m one -w ay ANOVA at them arker locus w ith the h ighest F value . c . Percent of pheno typ ic variance exp lained by the putative Q TL . d . A dditive gene effect of the putative Q TL . e . Dom inance gene effect of the putative Q TL . f . D egree of dom inance .2. 4双基因互作在Z M 群体中发现了7对双基因互作(表3 , 其贡献

20、率为11. 0%13. 6%。所有互作都不发生于Q TL 之间, 但有两对互作的一方为Q TL , 分别为qPH 3和qPH 7。从互作的方式来看, 有5对表现为加性2加性互作, 2对同时表现出加性互作和加性2显性互作, 没有检测到显性2显性互作。表3在两个群体中检测到的影响水稻株高的双基因互作Table 3D igen ic i n teraction s for plan t he ight detected i n the two population s群体Populati on 标记1aM arkerl a标记2M arker2贡献率%Var11b 1213212223313233Z

21、 MR G 472(1 R Z 395(7 12. 8-18. 7433-6. 613R G 472(1 R G 257(10 12. 010. 113-5. 313R Z 668(2 R G 482(3 11. 631. 2033R G 509(2 R Z 721(7 11. 919. 643R Z 328(3 R Z 675(4 11. 013. 7039. 263R G 620(4 R Z 721(7 11. 315. 9833-12. 7933R G 493(5 R Z 626(7 13. 6-19. 9833X MR G 393(3 R G 257(10 12. 8-12. 1633

22、5. 313R G214(4 R G711(7 11. 97. 5836. 613R G 214(4 R Z 797(11 13. 910. 073-8. 893R Z 617(8 R G 662(9 11. 7-9. 9733662(9 257(10 12. 4-8. 57310. 0335. 713a :括号内的数字代表染色体序数. b :第1个数字代表座位1, 第2个数字代表座位2; 基因型1代表母本, 2代表父本, 3代表杂合; 3:P 0. 05, 33:P 0. 01; 空白表示互作不显著。a :T he num ber in parenthesis stand fo r the

23、ch romo som e num ber . b :F irst num ber :locus 1; second num ber :locus2; 1:m aternal geno type ; 2:paternal geno type ; 3:heterozygous geno type ; 3:P 0. 05, 33:P 0. 01; B lank referred to no 2significant effects .在XM 群体中发现了5对双基因互作(表3 , 其贡献率为11. 7%13. 9%。没有Q TL 参与互作。从互作的方式来看, 有2对表现为加性2显性(或显性2加性 互

24、作, 3对同时表现出加性2加性互作和加性2显性(或显性2加性 互作, 没有检测到显性2显性互作。2. 5株高和产量性状的遗传相关性虽然2个群体之间稍有差异, 株高与4个产量性状的相关性都达到了显著或极显著水平(表4 。从Q TL 所处的位置和基因作用模式及效应方向来看, 也具有相同的趋势。在Z M 群体中, 共定位了9个产量性状Q TL (图2 。其中, 第7染色体的q N FGP 7和控制株高的qPH 7位于同一区间; 第12染色体的q N P 12和qT GW T 12和控制株高的qPH 12位于同一区间。qPH 7和q N FGP 7均表现为超显性, 其加性效应增效的等位基因亦均来自父本

25、;qPH 12和q N P 12均可看作表现为完全显性, 其加性效应增效的等位基因均来自母本。不过,与qPH 12和q N P 12处于相邻位置的qT GW T 12, 其基因作用模式和效应方向, 与qPH 12和q N P 12均不相同。这些结果与Z M 群体中株高与每穗实粒数和单株穗数相关性较高、与千粒重相关性较低是一致的。另外, 从图2看, qT GW T 12也有可能与qPH 12和q N P 12位于不同的位置。表4两个F 2群体中株高和产量性状的相关系数Table 4Correlation coeff ic ien ts between plan t he ight and y i

26、eld tra its群体Populati on单株产量GYD单株穗数N P每穗实粒数N FGP千粒重T G W TZ M 株高0. 574330. 302330. 605330. 1753333333333:P 0. 05; 33:P 0. 01PH :p lant heigh t ; GYD :grain yield per p lant ; N P :num ber of panicle per p lant ; N FGP :num ber of filled grain perpanicle ; T G W T :1000grain w eigh t在XM 群体中, 共定位了8个产量

27、性状Q TL (图2 。其中, 第6染色体的qGYD 6和控制株高的qPH 6位于同一区间; 第7染色体的q N FGP 7和控制株高的qPH 7位于同一区间。这4个Q TL 的加性效应均大于显性效应, 而且qPH 6和qGYD 6、qPH 7和q N FGP 7的加性效应方向分别一致, 即前一对增效的等位基因都来自母本, 后一对增效的等位基因都来自父本。从上述结果可以看出, 在两个F 2群体检测到的株高Q TL 中, 各有2个与产量性状Q TL 位于相同区间, 且与相对应的产量性状Q TL 具有基本一致的基因作用模式和效应方向。3讨论3. 1两个群体间株高QT L 分析的比较本研究检测到的5

28、个株高Q TL 中, qPH 7和qPH 12在2个群体中同时定位到, 且位于同一染色体区间, 但它们在2个群体中的效应表现不尽相同。qPH 7在Z M 群体中表现为超显性, 而在XM 群体中表现为部分显性; qPH 12在Z M 群体中表现为完全显性, 而在XM 群体中表现为部分显性。在双基因互作上, Z M 群体中有两个株高Q TL (qPH 3和qPH 7 分别参与互作, 而XM 群体中没有株高Q TL 参与互作; Z M 群体以加性互作为主, XM 群体以加性2显性(显性2加性 为主, 两个群体中均未检测到显性2显性互作。分析结果的相似性与2个群体共用一个父本以及相近的图谱覆盖面有密切

29、的关系; 而相 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 9作物 学报 27 卷 22 异性则表明: 2 个群体株高的分离是受不同座位上的基因和同一座位上的复等位基因控制 的。 3. 2株高 QTL 与主效基因的比较 5 H uang 等 的研究表明, 其定位的株高 Q TL 与 13 个已知控制株高的主基因在基因组上 的位置一致, 支持了 Rober

30、t son 的假设 18 , 即: 同一性状的主基因与 Q TL 是同一座位上的不 同等位基因。本研究检测到的 5 个 Q TL 中, 4 个与前人检测到的株高 Q TL 位于相同区间: 5 6 7 qP H 5 和 qP H 7 与 H uang 等 、X iao 等 和 Yan 等 的 结 果 相 同; qP H 3 和 qP H 12 与 19 H em am a lin i 等 的结果相同。其中, qP H 5 和 qP H 12 分别与主基因 sd g 和 d 233 位于同一区 间。由此可见, 本研究同样支持了 Robert son 的假设。 3. 3株高在高产育种中的应用 在二个

31、群体中, 株高与产量性状存在正相关性, 但相关系数并不是很高 ( 表 4 , 这种趋 势也反映在 Q TL 分析结果上。在二个群体中, 都存在只检测到株高 Q TL 、未检测到产量性 状 Q TL , 以及只检测到产量性状 Q TL 、未检测到株高 Q TL 的区间; 不管怎样, 分别在 ZM 和 XM 群体检测到的 4 和 3 个株高 Q TL 中, 各有 2 个与产量性状 Q TL 在染色体位置、基因 作用模式和效应方向诸方面, 具有较高的一致性。株高 Q TL 与产量性状 Q TL 遗传作用的部 分一致性, 表明株高低于一定限度后, 难以获得高产。这与育种家提出的 “矮中求高” 的高产

32、策略是一致的, 即: 在利用半矮秆基因的基础上, 适当增加株高, 借以提高生物学产量, 使之 具有充足的源, 为高产奠定基础 20 。 参考文献 1闵绍楷, 申宗坦, 熊振民. 水稻育种学 北京: 中国农业出版社, 1996 . 2K ino sh ita T. R ice Genet. N ew slett, 1995, 12: 9 153 3L i Z K, S R M P in son, J W Stan sel et al T heor A pp l Genet, 1995, 91: 374 381 . 4 u P, G Zhang, N H uang. E up hy tica ,

33、1996, 89: 349 354 W 5H uang N , B Cou rto is, G S Khu sh et al H ered ity , 1996, 77: 130 137 . 7Yan J Q , J Zhu, C X H e et al Genetics, 1998, 150: 1257 1265 . 8林鸿宣, 庄杰云, 钱惠荣等. 作物学报, 1996, 22 (3 : 257 263 6X iao J , J L i, S D T ank sley et al T heor A pp l Genet, 1996, 92: 230 244 . 9Zhuang J Y, H X L in, J L u et