王艷平, 李華勇, 沈 奇, 張繼紅, 王 平, 吳 燕
(江蘇省農(nóng)業(yè)科學院糧食作物研究所,江蘇 南京210014)
植物新品種權(quán)作為一種知識產(chǎn)權(quán)的保護在中國乃至世界的發(fā)展極為迅速,因此,建立完善、先進、可行的植物DUS(植物新品種特異性、一致性和穩(wěn)定性)測試體系十分必要。水稻是中國最主要的糧食作物之一。水稻生產(chǎn)在國民經(jīng)濟中占有重要地位,使得中國的水稻育種發(fā)展極快,每年申請品種權(quán)的數(shù)量迅猛增加。如何保護新品種的知識產(chǎn)權(quán),對于中國水稻育種的健康、持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。DUS 測試是新品種授權(quán)、判斷品種真實性的重要依據(jù),也是植物品種權(quán)侵權(quán)等案件判定的重要技術(shù)手段[1]。在品種授權(quán)、市場準入和品種鑒定等方面起著不可替代的作用,是現(xiàn)代種植業(yè)健康發(fā)展的重要技術(shù)保障。申請品種的特異性(Distinctness)、一致性(Uniformity)和穩(wěn)定性(Stability)(簡稱DUS)是國際植物新品種保護聯(lián)盟(UPOV)規(guī)定的授權(quán)條件之一。因此要做到品種權(quán)審查和授權(quán)的客觀、公正和準確,對申請品種的DUS 測試就顯得十分重要。
DUS 測試是一個復雜的技術(shù)檢測過程,它不僅要判定品種的特異性,而且還要判定該品種是否具有穩(wěn)定性、一致性。目前,中國及國際上通行的新品種DUS 測試標準主要是建立在部分生物學性狀(包括農(nóng)藝性狀、品質(zhì)性狀和抗逆性狀等)的田間測定基礎(chǔ)上的,在DUS 測試上包括了50 個以上的性狀和系列標準比較品種。如水稻DUS 測試必需檢測的性狀共有52 個。這些性狀分成3 種性狀類型:質(zhì)量性狀、假質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀。在對測試品種與標準品種、近似品種的外觀和農(nóng)藝性狀、經(jīng)濟性狀的田間測定和比較分析時,鑒定結(jié)果容易受環(huán)境因素的影響,如在不同測試地點、不同測試時期某些性狀(如有關(guān)顏色的性狀)會表現(xiàn)不穩(wěn)定;在測試過程中也經(jīng)常出現(xiàn)因不同測試人員對同一作物同一性狀的認識存在偏差,導致某些性狀代碼判定結(jié)果不一致的問題。同時根據(jù)田間測定分析判定品種的特異性、一致性和穩(wěn)定性工作量十分巨大,也會導致測試工作的誤差加大。因此,探索更加穩(wěn)定、可靠、簡便,并有較高區(qū)分能力的鑒定技術(shù)對水稻新品種權(quán)保護和遺傳資源登記工作尤其重要。
DNA 分子標記的快速發(fā)展,為品種的準確鑒定及DUS 測試提供了新的有力手段。隨著水稻基因圖譜、基因組測試的完成,越來越多的控制生物學性狀的基因被定位,并得到了與其連鎖的分子標記,如與紅色種皮基因Rc 連鎖的標記RID14[2]、紫色種皮基因Pb 連鎖的標記CAPSRa[3]、與水稻半矮稈基因Sd-1 連鎖的標記RG220、RG109[4]、與長穂頸基因eui 連鎖的標記RM3673、RM0012[5]、與披葉基因dl(t)連鎖的標記RM1324[6]、與粒長基因GL3 連鎖標記PSM379、RM16[7]等等。諸如此類的性狀在水稻DUS 測試指南中占很大比重。使用與這些性狀基因緊密連鎖的DNA 標記,有助于在DUS 測試中快速篩選近似品種和測試性狀代碼的判定,從而提高水稻DUS 測試的準確性和測試的效率。
關(guān)聯(lián)分析方法在水稻、大豆、小麥等作物的農(nóng)藝性狀研究中已得到較多應(yīng)用[8-12]。Yan 等[13]利用美國農(nóng)業(yè)部水稻核心種質(zhì)的90 份材料與109 個DNA 標記對柱頭和穗部性狀進行了關(guān)聯(lián)分析。Huang 等[14]通過測序517 個水稻地方品種,分析了近360 萬個SNP(single nucleotide polymorphisms)標記與14 個農(nóng)藝性狀之間的關(guān)聯(lián)。近年來,作物新品種保護日益受到重視,但到目前為止對水稻新品種保護的DUS 測試中很多性狀尚未進行標記的關(guān)聯(lián)分析研究。本試驗用45 份材料構(gòu)成的品種群體對38 個DUS 測試性狀與45 個分子標記進行關(guān)聯(lián)分析,旨在發(fā)掘與水稻DUS 測試性狀相關(guān)聯(lián)的分子標記,為水稻新品種測試提供輔助技術(shù)手段。
供試材料45 份,由農(nóng)業(yè)部植物新品種保護辦公室提供,為用于水稻DUS 測試的標準品種,品種名稱及編號見表1。
1.2.1 農(nóng)藝性狀鑒定 45 個水稻品種2011 年正季種植在江蘇省農(nóng)業(yè)科學院溧水植物科學基地。5月6 日播種,6 月7 日單株移栽。每個品種均種植4行,每行12 株,株行距20 cm×20 cm,2 次重復。常規(guī)田間管理。按照《植物新品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測試指南—水稻》(GB/T 19557.7,2010 年報批稿)調(diào)查45 個品種的38 個性狀。目測性狀(VG/VS)按照測試指南判定性狀代碼,代碼最小值為1,最大值為9,性狀“穗:芒顏色(初期)”最大值為10;測量性狀(MS)調(diào)查20 個個體,數(shù)據(jù)處理在Excel 2003 程序中進行。
表1 供試材料Table 1 List of cultivars used in this study
1.2.2 基因組DNA 的提取 基因組DNA 提取采用改進的SDS 方法:取水稻幼苗葉片0.5 g,剪碎,放入2 ml 離心管中,往離心管中加入液氮,放入研磨儀,磨成粉狀后立即加入65 ℃預(yù)熱的DNA 提取液800 μl 左右,劇烈搖動混勻,并在65 ℃水浴中保溫30 ~50 min,保溫期間搖動幾次。冷卻至室溫后加入等體積三氯甲烷/異戊醇(24∶ 1),顛倒混勻,室溫下靜置5 ~10 min,使水相和有機相分層。12 000 g 離心10 min。移取上清液至另一2 ml 離心管中,加入約1.5 倍體積的預(yù)冷乙醇,輕緩顛倒混勻,經(jīng)12 000 g 離心3 min 至分相,棄上清液。用70%乙醇溶液洗滌2 遍,自然條件下干燥后,加入200 μl 1 ×TE 緩沖液溶解沉淀。用瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA 濃度和質(zhì)量,將DNA 稀釋到20 ng/μl。置于-20 ℃中保存?zhèn)溆谩?/p>
1.2.3 引物 查閱文獻,選擇與部分農(nóng)藝性狀連鎖的21 個分子標記和用于水稻品種DNA 鑒定的24個SSR 標記(表2),用于45 個水稻品種的標記基因型鑒定。引物由上海英駿生物技術(shù)有限公司合成。
1.2.4 PCR 擴增及擴增產(chǎn)物的檢測 PCR 擴增反應(yīng)在SENSQUEST labcycler PCR 儀上進行。反應(yīng)總體積為10 μl,包括DNA 模板(20 ng/μl)1 μl,Super TaqMix 5 μl,正反向引物(10 μmol/L)各1 μl,雙蒸水補足10 μl。PCR 反應(yīng)程序為94 ℃預(yù)變性5 min,35 個循環(huán)(94 ℃30 s,55 ℃30 s,72 ℃30 s),72 ℃延伸10 min。擴增產(chǎn)物在8%非變性聚丙烯酰胺凝膠上80 V 恒電壓上電泳分離,用硝 酸銀法染色,拍照。
表2 45 個分子標記的基本信息Table 2 Basic information on 45 molecular markers
1.3.1 群體結(jié)構(gòu)分析 品種群體結(jié)構(gòu)分析應(yīng)用STRUCTURE 2.3.3 軟件[22],對標準品種總?cè)后w進行基于數(shù)學模型的類群劃分。首先確定亞群數(shù),然后計算各品種歸屬第k 亞群的概率Q 值(第i 品種基因組變異源于第k 群體的概率)。在確定亞群數(shù)時,選擇混合模型和獨立等位基因頻率模型,依次設(shè)定亞群數(shù)目(K)為1 ~10,將MCMC(Markov chain monte carlo)開始時的不作數(shù)迭代(Length of burn-in period)設(shè)為100 000次,再將不作數(shù)迭代后的MCMC設(shè)為100 000次,然后依據(jù)似然值最大的原則選取一個合適的K 值。
1.3.2 關(guān)聯(lián)分析 與性狀相關(guān)的分子標記的確認使用TASSEL 2.1 軟件的GLM(General linear model)程序(http://www.maizegenetics.net/index.php?option = com_content&task = view&id =89&Itemid =119)。將STRUCTURE 2.3.3 軟件運行后形成的Q值作為協(xié)變量,然后利用標記變異分別對水稻38 個性狀的表型值逐一進行回歸分析[23]。
從表3、表4 可以看出,24 個目測性狀的代碼分布范圍較廣,試驗材料在所分析的這些性狀上有較大的變異。在品種總?cè)后w中,14 個測量性狀變異幅度差異較大,其中性狀“穗:最長芒長度”的變異系數(shù)最大,為108.64%,其次為“穗:抽出度”(66.03%),“植株:單株穗數(shù)”、“莖稈:長度(不包括穗)”和“穗:每穗粒數(shù)”的變異系數(shù)均超過30%,劍葉長度和劍葉寬度的變異系數(shù)分別為20.57%和22.10%,“抽穗期”、“莖稈:粗細”、“穗:長度”、“谷粒:長度”、“糙米:長度”和“糙米:寬度”變異系數(shù)為13% ~20%,“谷粒:寬度”的變異系數(shù)最小,為12.20%。說明供試水稻標準品種間各性狀差異較大,具有較豐富的多樣性,可為水稻品種的測試提供很好的參照。
表3 45 個水稻品種的目測性狀Table 3 Visual test of 24 traits in 45 rice varieties
表4 45 個水稻品種的測量性狀Table 4 Measurement of 14 trait in 45 rice varieties
利用STRUCTURE 2.3.3 軟件,對水稻品種總?cè)后w進行結(jié)構(gòu)分析,發(fā)現(xiàn)對數(shù)似然函數(shù)值在亞群數(shù)K=9 時最大(圖1),因而確定該品種群體的適宜亞群數(shù)為9。確定亞群數(shù)為9 后,用STRUCTURE 2.3.3軟件計算出每個品種歸屬于9 亞群的后驗概率值(圖2)。
圖1 對數(shù)似然函數(shù)值lnP(D)和K 值隨亞群數(shù)的變化Fig.1 Changes of the log-likelihood function value lnP(D)and K value on the number of subgroups
圖2 用STRUCTURE 2.3.3 軟件計算的品種總?cè)后w中每個水稻品種歸屬于9 亞群的后驗概率Fig.2 Posterior probability of each rice variety out of total variety population belonging to 9 subgroups calculated by STRUCTURE 2.3.3 software
對45 個位點與38 個性狀進行關(guān)聯(lián)分析,共檢測到與23 個性狀相關(guān)聯(lián)(P <0.01)的20 個標記(表5)。與“基部葉:葉鞘顏色”、“倒二葉:葉耳花青苷顯色”、“劍葉:葉片寬度”、“植株:生長習性”、“抽穗期”、“莖稈:長度(不包括穗)”、“穗:長度”、“穗芒有無”、“穗:芒顏色(初期)”、“穗:芒顏色(后期)”、“穗:分枝姿態(tài)”、“穗:每穗粒數(shù)”相關(guān)聯(lián)的標記各有1 個,與“外穎:穎尖花青苷顯色強度(初期)”、“小穗:柱頭顏色”、“穗:最長芒長度”、“穗:抽出度”、“外穎:穎尖花青苷顯色強度(后期)”、“谷粒:長度”、“糙米:長度”相關(guān)聯(lián)的標記各有2個;與“莖稈:節(jié)花青苷顯色”、“小穗:外穎茸毛密度”相關(guān)聯(lián)的標記各有3 個;與“倒二葉:葉片綠色程度”相關(guān)聯(lián)的標記有4 個;與“糙米:顏色”相關(guān)聯(lián)的標記有5 個。其中標記RM111 與“基部葉:葉鞘顏色”、“倒二葉:葉片綠色程度”、“外穎:穎尖花青苷顯色強度(初期)”、“小穗:柱頭顏色”和“抽穗期”5 個性狀相關(guān)聯(lián),與“基部葉:葉鞘顏色”和“小穗:柱頭顏色”2 個性狀極顯著(P <0.01)相關(guān),對5個性狀變異的解釋率分別為48.47%、26.09%、24.76%、39.31%和21.62%;標記AC082645 與“外穎:穎尖花青苷顯色強度(初期)”、“莖稈:節(jié)花青苷顯色”、“穗:芒顏色(初期)”、“穗:芒顏色(后期)”、“外穎:穎尖花青苷顯色強度(后期)”、“糙米:顏色”和“穗:抽出度”7 個性狀相關(guān)聯(lián),與“外穎:穎尖花青苷顯色強度(初期)”極顯著相關(guān),分別解釋7個 性 狀 變 異 的 53.81%、44.46%、38.92%、40.30%、38.86%、59.37%和26.29%;標記RM278與“莖稈:長度(不包括穗)”、“小穗:外穎茸毛密度”、“穗:每穗粒數(shù)”和“谷粒:長度”4 個性狀相關(guān)聯(lián),可以解釋4 個性狀變異的14.74%、12.73%、21.31%和16.32%。RM297 與“谷粒:長度”、“糙米:長度”和“糙米:顏色”3 個性狀相關(guān)聯(lián),分別解釋3 個性狀變異的33.48%、36.55%、56.97%;標記RM85 與“倒二葉:葉片綠色程度”和“糙米:顏色”2個性狀相關(guān)聯(lián),與“倒二葉:葉片綠色程度”極顯著相關(guān),對2 個性狀變異的解釋率分別為55.72%和35.76%;RM253 也與“倒二葉:葉片綠色程度”極顯著相關(guān);RM258 與“倒二葉:葉耳花青苷顯色”、“糙米:長度”2 個性狀相關(guān)聯(lián);RM276 與“小穗:柱頭顏色”、“小穗:外穎茸毛密度”2 個性狀相關(guān)聯(lián);RM232與“莖稈:節(jié)花青苷顯色”、“穗:最長芒長度”2 個性狀相關(guān)聯(lián);RM336 與“穗:最長芒長度”、“穗:抽出度”2 個性狀相關(guān)聯(lián);RM168 與“穗:長度”相關(guān)聯(lián);與“莖稈:節(jié)花青苷顯色”相關(guān)聯(lián)的標記中RM304 和RM232 與“莖稈:節(jié)花青苷顯色”極顯著相關(guān),其變異的解釋率分別達到67.19% 和48.94%;標記RM3328 與“植株:生長習性”極顯著相關(guān),變異的解釋率56%。
表5 與性狀顯著相關(guān)的標記位點及其對表型變異的解釋率Table 5 Marker loci significantly associated with traits and the contributions to phenotypic variation
本研究在45 個水稻品種中共檢測到20 個與23 個DUS 測試性狀相關(guān)聯(lián)的分子標記。其中AC082645 標記同時與7 個性狀關(guān)聯(lián),RM111 標記同時與5 個性狀關(guān)聯(lián),RM278 同時與4 個性狀關(guān)聯(lián),RM297 同時與3 個性狀關(guān)聯(lián),其它16 個標記與1 個或2 個性狀關(guān)聯(lián)。與AC082645 相關(guān)聯(lián)的7 個性狀中,6 個不同器官部位與顏色有關(guān)的性狀“莖桿:節(jié)花青苷顯色”、“外穎:穎尖花青苷顯色強度(初期)”、“外穎:穎尖花青苷顯色強度(后期)”、“穗:芒顏色(初期)”、“穗:芒顏色(后期)”、“糙米:顏色”與之相關(guān)聯(lián),其中與“外穎:穎尖花青苷顯色強度(初期)”達到了極顯著相關(guān),對該性狀的解釋率達到53.81%。說明AC082645 位點與控制水稻不同器官部位的花色素苷基因有關(guān)。與RM111 相關(guān)聯(lián)的5 個性狀中,“基部葉:葉鞘顏色”、“倒二葉:葉片綠色程度”、“外穎:穎尖花青苷顯色強度(初期)”、“小穗:柱頭顏色”均是花色素基因控制的性狀。RM111 與“基部葉:葉鞘顏色”和“小穗:柱頭顏色”兩性狀達到極顯著相關(guān),對兩性狀的解釋率分別為47.15%和39.31%。中國水稻研究所范方軍等[24]研究發(fā)現(xiàn)水稻第6 染色體短臂色素原基因C與RM111 和RM253 連鎖。韓磊等[19]對rdh 紫色柱頭定位群體的研究結(jié)果顯示,位于水稻第6 染色體的RM276、RM253 以及RM111 標記與rdh 紫色柱頭基因有連鎖關(guān)系。本研究結(jié)果也顯示RM253 與“倒二葉:葉片綠色程度”極顯著相關(guān),該標記對性狀解釋率達到了71.4%;RM276 與“小穗:柱頭顏色”相關(guān)聯(lián),與前人的研究結(jié)果一致。本研究結(jié)果還顯示,RM85、RM72 與“倒二葉:葉片綠色程度”相關(guān)聯(lián),RM258 與“倒二葉:葉耳花青苷顯色”相關(guān)聯(lián),RM304、RM232 與“莖稈:節(jié)花青苷顯色”相關(guān)聯(lián),RM20781 與“外穎:穎尖花青苷顯色強度(后期)”相關(guān)聯(lián),RM85、RM5414、RM224 和RM297 與“糙米:顏色”相關(guān)聯(lián),其中RM85 與“倒二葉:葉片綠色程度”和RM304、RM232 與“莖稈:節(jié)花青苷顯色”達到極顯著相關(guān),這3 個標記對相關(guān)性狀的解釋率分別為55.72%、67.19%和48.94%。
與AC082645 相關(guān)聯(lián)的性狀“穗:抽出度”,實際也就是育種上常用的穗頸性狀。1981 年,Rutger 和Carnahan 在粳稻雜交后代中發(fā)現(xiàn)1 個最上節(jié)間明顯伸長的高稈隱性突變體,并將控制該性狀的基因命名為eui(Elongateduppermost internode)[25]。隨后,國內(nèi)外的一些學者Kita 等[26]、Librojo 等[27]、吳玉良等[28]、楊蜀嵐等[29]對eui 基因進行了初步定位。張所兵等[5]將長穗頸eui 基因定位在第5 染色體上的RM3673 和RM0012 之間。馬玉銀等[21]運用一個高稈突變體對水稻的隱性高稈基因進行研究,發(fā)現(xiàn)1個新的隱性高稈基因lc3 與第3 條染色體上RM168與AC082645 共分離。本研究中AC082645 與“穗:抽出度”相關(guān)聯(lián),與前人報道的相近。
在已有報道中CAPSRa 與紫色種皮基因Pb 連鎖,RID14 與紅色種皮基因Rc 連鎖[2-3],但在本研究中未發(fā)現(xiàn)這兩個標記與“糙米:顏色”相關(guān)。這可能是由于CAPSRa 只與紫皮和白皮性狀連鎖,RID14只與紅皮和白皮性狀連鎖。而在本研究中,水稻DUS 測試指南中將“糙米:顏色”性狀分為白色、淺棕色、棕色斑駁、深棕色、淺紅色、紅色、紫色斑駁、紫色和紫黑色9 級,顏色分級過細致使CAPSRa 和RID142 標記未檢測出與“糙米:顏色”性狀的關(guān)聯(lián)。RID14 是楊杰等[2]根據(jù)普通野生稻(O. rufipogon)紅色果皮基因Rc 的cDNA 序列設(shè)計的引物而開發(fā)的標記,該標記與野生稻存在較大的相關(guān)性。本研究中發(fā)現(xiàn)RID14 與“穗:芒有無”顯著相關(guān),而芒的有無是野生稻和栽培稻的區(qū)別之一,野生稻都是有芒的,栽培稻中有的有芒,有的無芒,所以RID14 標記可以用于水稻的起源研究中。
除上述相關(guān)聯(lián)的標記與性狀外,本研究還發(fā)現(xiàn)RM3328 與“植株:生長習性”極顯著相關(guān),該標記對性狀的解釋率達到了56.00%;以及RM278 與“莖稈:長度(不包括穗)”相關(guān)聯(lián)的SSR 標記,RM336 與“穗:抽出度”相關(guān)聯(lián)的SSR 標記,RM168 與“穗:長度”相關(guān)聯(lián)的SSR 標記,RM232、RM336 與“穗:最長芒長度”相關(guān)聯(lián)的SSR 標記,RM278 與“谷粒:長度”相關(guān)聯(lián)的SSR 標記,RM258、RM297 與“糙米:長度”相關(guān)聯(lián)的SSR 標記,RM278 與“穗:每穗粒數(shù)”相關(guān)聯(lián)的SSR 標記,RM278、RM276、RM19 與“小穗:外穎茸毛密度”相關(guān)聯(lián)的SSR 標記。在秈、粳稻的許多差別中,谷粒和穎毛的差別最為明顯,秈稻谷粒細長,穎毛短而散生;粳稻谷粒寬而厚,穎毛長而密生。本研究中用于品種鑒定的部分與水稻DUS 測試性狀存在緊密關(guān)聯(lián)的SSR 標記,可以為水稻的秈粳分類研究提供參考信息。
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