南京12koshhikariril群体淀粉rva谱特征值的加性和表达稳定性分析

南京12koshhikariril群体淀粉rva谱特征值的加性和表达稳定性分析

水稻的直接淀粉含量一直是决定大米口感质量的最重要因素，但随着研究的深入，稻田污泥的粘度谱也可以反映大米的口感。稻米淀粉黏滞性谱(RVA谱)是指米粉浆在加热、高温和冷却过程中黏度随温度变化而形成的曲线,对应的特征值有:峰值黏度(peakpasteviscosity,PKV)、最低黏度(troughpasteviscosity,TPV)、最终黏度(finalpasteviscosity,FPV)、崩解值(breakdownviscosity,BDV)、消减值(setbackviscosity,SBV)、峰值时间(peaktime,PKT)和糊化温度(pastingtemperature,PT)。RVA谱特征值是水稻品质育种的另一重要理化指标。目前,国内外有关稻米淀粉RVA谱特征值QTL定位的研究仅有少数报道。Bao等利用4个初级分离群体,检测到61个QTL与RVA谱特征值相关,分布在水稻9条染色体上,但这4个研究都是单一环境试验,无法分析QTL表达稳定性,也没有分析RVA谱特征值上位性QTL。Gravois、Gravois等和Wan等认为稻米淀粉RVA谱表现为典型的质量-数量性状,其遗传变异主要受遗传主效应控制,同时还受到基因型与环境互作效应的影响等。这在一定程度上限制了RVA谱在优质水稻品种选育上的应用。Koshihikari(越光)是日本福井县农业试验场于20世纪50年代育成的早熟优质粳稻品种,是世界著名的佳味品种。南京11系中国农业科学院江苏分院1967年育成的高产中籼稻品种,直链淀粉含量高,适口性不佳。本研究利用南京11×Koshihikari重组自交系群体(recombinantinbredlines,RILs),于2006年和2007年在南京共同检测稻米淀粉PKV、TPV、FPV、BDV、SBV、PKT和PT相关加性和上位性效应QTL,分析QTL表达稳定性,期望以Koshihikari为优质源,改良高产但品质欠佳的水稻品种,为优质水稻蒸煮食味品质分子标记辅助育种奠定基础。1材料和方法1.1试验材料试验材料是以南京11为母本,Koshihikari为父本进行杂交,通过单粒传法获得的包含140个家系的重组自交系群体(F2:10)。1.2聚丙烯酰胺凝胶电泳在分蘖盛期取叶片,DNA提取参照Dellaporta等的方法稍加修改。根据Temnykh等和McCouch等的方法。PCR产物用10%聚丙烯酰胺凝胶电泳,银染显带参考Panaud等的方法。按照MAPMAKER3.0软件的要求,将与南京11相同的带型赋值为“A”,与Koshihikari相同的带型赋值为“B”,杂合型的、特殊的或缺失的带型赋值为“-”。用“group”命令对所有标记进行分组(LOD>3),采用Kosambi函数将重组率转换成遗传距离(centiMorgan,cM),用“map”命令构建包括12条染色体的SSR标记连锁图谱。1.3小区及其家系设置试验材料于2006年、2007年正季在江苏省农业科学院实验农场(南京,32°N)种植。南京11、Koshihikari及其群体设置3个重复,分别种植3个小区,各小区每个家系顺序排列,各种2行,每行10株,田间管理同大田生产。至完全成熟时,为去除边际效应,每小区各家系取中间16株混收,正常晾晒至含水量为14.0%,常温贮藏3个月后,出糙米、精米,磨米粉备用。1.4加标回收和转速稻米淀粉RVA谱采用澳大利亚NEWPORT公司生产的黏度速测仪测定,用NewportWindowsSoftware配套软件进行数据分析。根据澳大利亚NEWPORT公司提供的操作规程,米粉样品(80目)量为3.00g,加入蒸馏水量为25.0mL。具体加热过程如下:50℃时开始,以15℃/min的速率上升到93℃(5min),93℃下保持2.5min,再以15℃/min的速率下降到50℃(3.5min),50℃下保持1.5min。搅拌器以160r/min的速率转动。每个样品重复测定2次,取重复的平均值为性状表型值(单位用cP表示,1RVU=12cP)。每家系重复3次,取3次重复的性状表型值的平均值为该家系的表型值进行QTL分析。1.5环境互作效应分析利用QTLnetwork软件检测稻米淀粉RVA谱特征值PKV、TPV、FPV、BDV、SBV、PKT和PT的QTL加性和上位性效应,并分析QTL×环境互作效应。以P≤0.001作为阈值来判断QTL是否存在,QTL加性效应和上位性互作效应分析以P≤0.001显著水平进行检测。QTL命名遵循McCouch等的原则。2结果与分析2.1饱和分子连锁图谱利用包含140个家系的南京11/Koshihikari重组自交系(F2:10)群体构建了一张包含153个SSR标记,全长为1896.2cM,平均图距为12.3cM的饱和分子连锁图谱,每条染色体标记数为9~16个,遗传距离为98.8~234.9cM,标记间平均距离为9.42~15.66cM(表1)。其中第6染色体的标记数最多,第1染色体覆盖距离最长,第9染色体的标记密度最大,标记间的距离及顺序与已发表的分子图谱有较好的一致性,可满足QTL定位的要求。2.2理论黏度、崩解值和活力南京11×KoshihikariRIL群体和两亲本稻米淀粉RVA谱7个特征值在2006年和2007年的南京两个环境中的表型变异见表2、图1和图2。南京11的稻米淀粉峰值黏度和崩解值显著低于Koshihikari,但其最低黏度、最终黏度、消减值、峰值时间和糊化温度却明显高于Koshihikari;7个RVA谱性状的表型值在2006年和2007年除最终黏度和消减值呈双峰分布之外,其他性状呈现连续分布,并存在双向超亲分离现象,最终黏度的双峰比例分别为17∶11和37∶24,消减值的双峰比例两年均约为9∶7,说明消减值可能主要受2对具有互补作用的基因控制,其他性状受多基因共同控制。2.3qbdv-6、ssv-5和有效qpt-5的比较利用南京11×KoshihikariRIL群体在两个环境中共检测到8个加性效应QTL与RVA谱6项特征值有关,分别位于水稻第5、6和8染色体上,贡献率为3.48%~73.65%(表3和图3)。在两个环境中都能被重复检测到的QTL有6个,即qTPV-6、qFPV-6、qBDV-6、qSBV-6、qPKT-6和qPT-6,分别与稻米淀粉最低黏度、最终黏度、崩解值、消减值、峰值时间和糊化温度有关,平均贡献率分别为46.4%、31.1%、60.3%、71.9%、38.5%和12.4%。其中,qBDV-6在两个环境中稳定表达,贡献率分别为32.62%和29.64%,而qSBV-8和qPT-5仅在1个环境中检测到,贡献率分别为3.48%和13.40%,这3个QTL的加性效应来源于表2南京11、Koshihikari及其RIL群体的淀粉RVA谱特征值在两个环境中的表型变异Table2.PhenotypicvariationofstarchRVAcharacteristicsamongNanjing11,KoshihikariandtheirRILpopulationintwoenvironments.PKV,Peakpasteviscosity;TVP,Troughpasteviscosity;FPV,Finalpasteviscosity;BDV,Breakdownviscosity;SBV,Setbackviscosity;PKT,Peaktime;PT,Pastingtemperature.1)加性效应的正值和负值,分别表示增效等位基因来自南京11和Koshihikari。1)Additiveeffect:PositiveornegativevaluesindicatethatpositiveallelesarefromNanjing11orKoshihikari,respectively.Koshihikari。另外5个QTL为qTPV-6、qFPV-6、qSBV-6、qPKT-6和qPT-6,其加性效应来源于南京11。此外,在两个环境下均没有检测到与峰值黏度相关的QTL,这可能是环境或基因互作造成的。2.4u2004日本染色体rva谱值的上位性对两个环境中的RVA谱特征值进行联合分析,共检测到5对RVA谱特征值上位性QTL(表4)。除第1染色体上的2对控制峰值时间的上位性QTL外,其余RVA谱相关上位性QTL都发生在不同染色体之间。控制最终黏度的上位性效应QTL共有2对,分别发生在水稻第3染色体RM232-RM282和第12染色体RM4-RM270之间,第6染色体RM461-RM528和第11染色体RM224-RM3117之间。这两对具有上位性效应的QTL对表型的贡献率分别为4.17%和4.72%,与环境互作对表型的贡献率分别为0.10%和0.05%;在第3染色体RM232-RM282和第9染色体RM219-RM1328之间检测到1对控制峰值黏度的上位性效应QTL,对表型的贡献率为7.69%,与环境互作对表型的贡献率为0.01%;在第1染色体RM259-RM579和RM466-RM5、RM581-RM312和RM5-RM488之间检测到2对控制峰值时间的上位性效应QTL,对表型的贡献率分别为4.69%和2.98%,与环境互作对表型的贡献率分别为0.00%和0.12%。总之,稻米淀粉RVA谱特征值上位性QTL数量较多,但贡献率较低,平均为4.85%;大部分具有上位性效应的QTL与环境互作的效应较小,贡献率的范围为0.00%~0.12%;这些数目众多、效应较小、发生在不同染色体之间或同一染色体不同区间之间的上位性QTL,增加了稻米淀粉RVA谱特征值性状的遗传复杂性。3基于质量基因型的稻米rva谱培育优质水稻品种一直为育种家追求的目标。已有研究表明,稻米直链淀粉含量对米饭适口性起着决定作用,但直链淀粉含量相似的品种米饭适口性有时并不一致。因此,发现并利用除直链淀粉含量之外能反映米饭适口性的其他理化指标,对提高选育优良食味水稻品种的效率很重要。现有研究表明,稻米淀粉RVA谱特征值峰值黏度与稻米的食味品质呈正相关,最终黏度与稻米的食味品质呈负相关。此外,崩解值和消减值也能鉴定直链淀粉含量相似品种米饭适口性的优劣:崩解值大而消减值小的水稻品种食味较好,米饭软而不黏,口感好;相反,崩解值低但消减值高的品种食味差,米饭硬而糙。综合考虑这些指标,可预测稻米的食味品质,为水稻育种提供指导。越光(Koshihikari)是日本著名的适口性优良的优质粳稻品种。本研究中Koshihikari的峰值黏度在两个环境下明显比南京11要高,而最终黏度却比南京11低,说明Koshihikari的食味品质明显好于南京11。本研究在第6染色体相同位置上检测到控制崩解值和消减值的QTLqBDV-6和qSBV-6,平均贡献率分别为31.13%和71.95%。这两个QTL的加性效应相反,来自Koshihikari的等位基因可增加崩解值(BDV),降低消减值(SBV)。因此,来自Koshihikari的等位基因可提高稻米的食味品质,在优良食味品质育种中有着重要利用价值。稻米RVA谱特征值表现为典型的质量-数量性状,其遗传变异主要受遗传主效应控制,同时还受到基因型与环境互作效应的影响。本研究发现8个加性效应QTL与稻米RVA谱6项特征值有关,贡献率介于3.48%~73.65%。其中,6个具有加性效应的QTL在两个环境下均被检测到,即qTPV-6、qFPV-6、qBDV-6、qSBV-6、qPKT-6和qPT-6,分别控制最低黏度、最终黏度、崩解值、消减值、高温时间和糊化温度。控制糊化温度的QTLqPT-6贡献率在10.41%~14.31%,其他QTL位点的贡献率在29.64%~73.65%,为主效QTL,且都位于第6染色体的RM588-RM508之间12.2cM的区域内。整合比较McCouch等发表的高密度分子图谱,发现该区域与RM190(Wx基因)紧密连锁,表明RVA谱特征值最低黏度、最终黏度、崩解值、消减值、峰值时间等5项指标与直链淀粉含量均存在明显的内在关系,也从一个方面证明稻米RVA谱特征值是可以反映米饭适口性的重要理化指标。同时在两个环境下还检测到5对具有上位性效应的QTL,贡献率较小(表3)。此外,这些QTL受到环境的影响也较小。说明该群体稻米RVA谱主要受主效基因控制。已有研究表明,水稻灌浆结实期的高温能降低淀粉分支酶RBE1和RBE3的活性,导致胚乳支链淀粉的长分支链增加,从而降低稻米淀粉崩解值,提高消减值。相反,低温能诱导Wx基因表达丰度、GBSS蛋白含量和GBSS酶活性等增加,致使直链淀粉升高,从而也降低稻米淀粉崩解值。此外,成熟期的气温通过影响米粒蛋白质的沉积而改变胚乳蛋白组分和含量,影响到RVA谱的特征值。光照能显著影响稻米淀粉形成,灌浆期光照不足,光合能力下降,导致因糖源不足而引起直链淀粉和淀粉总量下降,最终也影响稻米RVA谱特征值的表现。可见,稻米淀粉黏滞性谱亦受光、温等气候条件的影响。但在本研究对南京