鄒德堂，王晉，王敬國，劉化龍，劉宇強(qiáng)，賈琰

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，哈爾濱 150030）

水稻劍葉形態(tài)與單株產(chǎn)量的基因定位分析

鄒德堂，王晉，王敬國，劉化龍，劉宇強(qiáng)，賈琰

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，哈爾濱 150030）

以劍葉形態(tài)和單株穗重差異較大的親本小白粳子和空育131以及其后代F3群體為試驗(yàn)材料，構(gòu)建包含99個(gè)標(biāo)記的遺傳連鎖圖譜，對劍葉長度、劍葉寬度、劍葉面積、劍葉基角、劍葉張角和單株穗重進(jìn)行相關(guān)性分析和QTL定位研究。在水稻第1、3、4、5、6、7、9條染色體上共檢測到17個(gè)QTL。其中控制劍葉長度的QTL 3個(gè)，控制劍葉寬度的QTL 4個(gè)，控制劍葉面積的QTL 2個(gè)，控制劍葉基角的QTL 3個(gè)，控制劍葉張角的QTL 2個(gè)，控制單株穗重的QTL 3個(gè)。為水稻劍葉形態(tài)、理想株型的改良和分子輔助選擇育種提供理論依據(jù)。

水稻；劍葉形態(tài)；單株穗重；數(shù)量性狀基因座位

水稻（Oryza sativa）原產(chǎn)于中國，是重要的糧食作物，傳統(tǒng)水稻遺傳育種中，把提高水稻產(chǎn)量作為首要育種目標(biāo)，在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，理想株型和水稻高產(chǎn)育種密切相關(guān)[1]。

葉片是水稻制造有機(jī)養(yǎng)料的重要器官，也是水稻進(jìn)行光合作用重要場所。以水稻葉片為代表的“源”單位和以單株穗重為代表的“庫”單位有緊密聯(lián)系。董國軍等認(rèn)為，劍葉夾角是構(gòu)成水稻株型的主要因素之一，減少劍葉角度有利于增加水稻的光合作用，提高產(chǎn)量，促使不育系不易授粉，雜交種的繁殖能力下降[2]。

我國對水稻劍葉形態(tài)的研究起步較早，早在20世紀(jì)80年代初期，沈福成提出在水稻高光效育種中，著重對水稻劍葉的長度、寬度、抽穗期劍葉與莖稈的夾角和比葉重進(jìn)行遺傳研究[3]。隨著分子生物學(xué)的快速發(fā)展，學(xué)者們開始關(guān)注水稻劍葉各農(nóng)藝性狀諸如劍葉長、寬、面積和許多生理性狀的基因定位和克隆研究[4]。蔡晶利用兩個(gè)DH群體在兩個(gè)環(huán)境下運(yùn)用區(qū)間作圖的方法檢測到控制劍葉長的QTL 13個(gè)，檢測到8個(gè)控制劍葉寬度的QTL，檢測到控制劍葉基角的QTL共9個(gè)[5]。沈波等利用247個(gè)株系、158個(gè)標(biāo)記的重組自交系群體對葉片長度、寬度、周長和長寬比進(jìn)行基因定位，共在9個(gè)區(qū)間檢測到24個(gè)具有加性效應(yīng)的QTL，其中貢獻(xiàn)率最高的達(dá)到32.5%，同時(shí)該研究表明，除加性效應(yīng)以外，上位效應(yīng)也對群體的葉片形態(tài)的遺傳控制起重要作用[6]。童漢華等對水稻生育后期劍葉的形態(tài)和生理進(jìn)行QTL定位研究發(fā)現(xiàn)，在染色體的特定區(qū)段內(nèi)存在控制多個(gè)數(shù)量性狀的基因位點(diǎn)，這也是一因多效性的重要體現(xiàn)[7]。研究者大多對產(chǎn)量及產(chǎn)量相關(guān)性狀進(jìn)行基因定位研究，但對劍葉形態(tài)指標(biāo)研究相對較少，本試驗(yàn)以劍葉和產(chǎn)量性狀差別較大的品種小白粳子和空育131為親本的雜交后代群體為材料，利用分子標(biāo)記技術(shù)對水稻劍葉長、劍葉寬、劍葉面積、劍葉基角、劍葉張角、單株穗重進(jìn)行QTL定位分析，揭示劍葉性狀和產(chǎn)量性狀關(guān)系，為理想株型的選育和分子輔助選擇提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用劍葉和產(chǎn)量性狀相差較大的小白粳子和空育131為親本，經(jīng)F1自交后得到F2，再將F2群體自交得到229個(gè)單穗，進(jìn)一步獲得的F2∶3家系為本試驗(yàn)的供試群體。

1.2 試驗(yàn)方法

2011年將試驗(yàn)材料種植于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)基地，采用旱育苗方式，4月11日浸種，4月16日播種，5月26日移栽。隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，兩行區(qū)，5 m行長，株距10 cm，行距30 cm，每穴插單株。水稻生長至齊穗期后，在兩行區(qū)內(nèi)隨機(jī)取5株掛牌作為5次重復(fù)，測量這5個(gè)單株的所有分蘗劍葉性狀和穗重并取平均數(shù)作為試驗(yàn)結(jié)果。主要測量指標(biāo)包括劍葉長度（FLL）、劍葉寬度（FLW）、劍葉面積（FLA）、劍葉基角（FLBA）、劍葉張角（FLSA）和單株產(chǎn)量（EW）。其中劍葉長和寬直接用直尺測量，以cm為單位；劍葉面積用葉面積儀測量；劍葉基角指葉片基部與莖稈的夾角，劍葉張角指葉尖到葉耳連線與莖稈的夾角，使用半徑35 cm的量角器測量；待水稻完全成熟后，將一株水稻的各穗沿穗頸節(jié)處剪下，用天平稱量一株所有穗的總重量，并求出5個(gè)單株的平均數(shù)，以g為單位。

1.3 圖譜構(gòu)建

根據(jù)F2群體中各個(gè)標(biāo)記的多態(tài)性信息，通過QTLIciMapping 3.0進(jìn)行連鎖分析并構(gòu)建遺傳連鎖圖譜，使用Kosambi函數(shù)，將重組率轉(zhuǎn)換成圖距單位（cM），采用MapChart 2.2版本繪制連鎖圖譜。將篩選出來的99個(gè)標(biāo)記劃分為12個(gè)連鎖群，根據(jù)標(biāo)記間的距離和順序繪制一個(gè)包含99個(gè)SSR標(biāo)記的遺傳連鎖圖譜。該遺傳圖譜的總長度為1 238.42 cM，最遠(yuǎn)的兩個(gè)標(biāo)記之間距離為42.38 cM，最近距離為0.46 cM，平均距離12.51 cM。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用DPS軟件對水稻單株穗重、劍葉長、劍葉寬、劍葉基角、劍葉張角、劍葉面積進(jìn)行相關(guān)性分析。采用QTLIciMapping3.0軟件進(jìn)行QTL定位，將圖譜數(shù)據(jù)與表型數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，以LOD值大于或等于2.5作為選取QTL的標(biāo)準(zhǔn)。定位出的QTL以McCouch等提出的QTL命名方法為參照。采用性狀的英文縮寫、阿拉伯?dāng)?shù)字和連字符“-”共同組合命名。

2 結(jié)果與分析

2.1 親本與群體的表型性狀

所考查親本和群體的6個(gè)性狀統(tǒng)計(jì)參數(shù)值如表1所示，這6個(gè)性狀在親本間差異較大，相應(yīng)性狀的QTL分析有較好的遺傳背景[8]。空育131株型較矮，單株產(chǎn)量高于小白粳子，劍葉長、劍葉寬、劍葉面積、劍葉基角、劍葉張角均低于小白粳子。后代存在正負(fù)向超親分離現(xiàn)象，變異范圍大，受到多基因控制，表現(xiàn)出數(shù)量性狀遺傳的特點(diǎn)。其中劍葉長、劍葉寬、劍葉面積的群體平均值大于親本平均值，單株穗重、劍葉基角、劍葉張角的群體平均值小于親本平均值。單株穗重、劍葉長、劍葉寬、劍葉面積、劍葉基角、劍葉張角的變異系數(shù)依次為30.1%、15.03%、8.49%、20.23%、41.65%和36.42%，劍葉基角的變異系數(shù)最大，達(dá)41.65%，劍葉寬的變異系數(shù)最小，為8.49%，說明劍葉基角的變化范圍較大，劍葉角度形態(tài)差異較明顯，而劍葉寬度的變化范圍較小。

對F3群體表型數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，單株穗重、劍葉長、劍葉寬、劍葉面積、劍葉基角、劍葉張角均符合正態(tài)分布，其表型分布如圖1所示。

表1 親本與F3群體的表型分析Table 1 Phenotypes analysis of parents and F3population

圖1 親本與F3群體各性狀的表型分布Fig.1 Phenotypic distribution of traits among F3population and parents

2.2 各性狀間的相關(guān)性分析

對劍葉長、劍葉寬、劍葉面積、劍葉基角、劍葉張角、單株穗重六種農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)性分析。由表2可知，劍葉長與劍葉寬、劍葉面積、單株穗重呈極顯著正相關(guān)，增加劍葉長度可以增加單株穗重。劍葉寬與劍葉面積呈極顯著正相關(guān)，與單株穗重呈顯著正相關(guān)。劍葉面積與單株穗重呈極顯著正相關(guān)，增加劍葉面積可以提高產(chǎn)量。劍葉的長度、寬度和面積與劍葉的角度兩項(xiàng)指標(biāo)均未達(dá)顯著水平。劍葉基角與劍葉張角呈極顯著正相關(guān)，增大劍葉的基角可以使劍葉張角增大。劍葉基角和劍葉張角與單株穗重都達(dá)極顯著負(fù)相關(guān)，增大劍葉角度會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量下降，這與張克勤等研究結(jié)果相一致[9]。王一平等研究發(fā)現(xiàn)，劍葉長、劍葉寬和穗重都達(dá)極顯著正相關(guān)[10]。

2.3 QTL定位

利用包括99個(gè)SSR標(biāo)記的水稻分子連鎖圖譜對劍葉長、寬、面積、基角、張角和單株穗重進(jìn)行QTL定位研究。在水稻的第1、3、4、5、6、7、9條染色體上共檢測到17個(gè)QTL。其中控制劍葉長度的QTL 3個(gè)，控制劍葉寬度的QTL 4個(gè)，控制劍葉面積的QTL 2個(gè)，控制劍葉基角的QTL 3個(gè)，控制劍葉張角的QTL 2個(gè)，控制單株穗重的QTL 3個(gè)。

分別在第4、5、7條染色體上檢測到與劍葉長相關(guān)的QTL，貢獻(xiàn)率最大的是qFLL-4，為6.24%，加性效應(yīng)為-1.51，其增效等位基因來源于父本空育131，表現(xiàn)為后代劍葉長度的縮小，qFLL-5和qFLL-7的效應(yīng)方向?yàn)檎?，其增效等位基因來源于母本小白粳子，表現(xiàn)為后代劍葉長度的增加，這三個(gè)數(shù)量性狀位點(diǎn)總的貢獻(xiàn)率為17.91%，可解釋為表型變異的17.91%。

表2 F3群體六個(gè)農(nóng)藝性狀之間的相關(guān)性分析Table 2 Correlation coefficients of six agronomy traits in F3population

在第3條染色體的RM523-RM231區(qū)間，第4條染色體的RM349-RM470區(qū)間，第5條染色體的RM509-RM146區(qū)間，第9條染色體的RM215-RM410區(qū)間各檢測到一個(gè)控制劍葉寬度的QTL，其中qFLW-3和qFLW-4的加性效應(yīng)為負(fù)，增效等位基因來源于父本空育131，表現(xiàn)為后代劍葉寬度的減小，qFLW-4的貢獻(xiàn)率最大，達(dá)21.11%。這4個(gè)QTL分別解釋5.73%、21.11%、3.95%、9.6%的表型變異。

在第4條染色體的RM349-RM470區(qū)間和第5條染色體的RM509-RM146區(qū)間檢測到兩個(gè)控制劍葉面積的QTL，qFLA-4的貢獻(xiàn)率為14.96%，加性效應(yīng)方向?yàn)樨?fù)，可解釋為表型變異的14.96%，增效等位基因來源于空育131。qFLA-5的貢獻(xiàn)率為8.41%，加性效應(yīng)方向?yàn)檎?，可解釋為表型變異?.41%，增效等位基因來源于小白粳子。

共檢測到3個(gè)控制劍葉基角的QTL，其中第1條染色體上1個(gè)，第7條染色體上兩個(gè)，分別位于RM336-RM180和RM180-RM1377標(biāo)記區(qū)間內(nèi)，貢獻(xiàn)率5.44%～32.53%，這兩個(gè)數(shù)量性狀位點(diǎn)的加性效應(yīng)方向均為負(fù)，等位基因來源于空育131，表現(xiàn)為后代劍葉基角角度的減小。

在第1和7條染色體的RM1-RM1247區(qū)間和RM1377-RM214區(qū)間共檢測到2個(gè)控制劍葉張角的QTL，貢獻(xiàn)率分別為5.68%和7.7%，其中qFLSA-1的效應(yīng)方向?yàn)檎?，其增效等位基因來源于母本小白粳子，qFLSA-7的效應(yīng)方向?yàn)樨?fù)，其增效等位基因來源于父本空育131。

共檢測出3個(gè)控制控制單株穗重的QTL，分別位于第3、6和7條染色體，貢獻(xiàn)率6.18%～10.17%，qEW-3表示為負(fù)效應(yīng)，其增效等位基因來源于小白粳子，后代表現(xiàn)為單株產(chǎn)量的減少，位于第6和7條染色體的效應(yīng)方向?yàn)檎憩F(xiàn)為后代單株產(chǎn)量的增加。

表3 各性狀的QTL定位和效應(yīng)分析結(jié)果Table 3 Effect analysis results of QTL mapping of six traits

圖2 群體六個(gè)性狀的QTL定位圖譜Fig.2 QTLs for six traits in the pupulation

3 討論與結(jié)論

劍葉各性狀和單株產(chǎn)量均呈連續(xù)性分布，超親現(xiàn)象明顯，受到微效多基因控制[11-12]，可進(jìn)行QTL定位研究。Wang等研究發(fā)現(xiàn)劍葉角度與產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)[13]，結(jié)果與本研究一致。本研究在第4條染色體的RM349-RM470區(qū)間內(nèi)和第5條染色體的RM509-RM146區(qū)間內(nèi)都分別檢測到同時(shí)控制劍葉長度、劍葉寬度和劍葉面積的數(shù)量性狀位點(diǎn)，在標(biāo)記區(qū)間RM349-RM470內(nèi)檢測到3個(gè)QTL的加性效應(yīng)值都為負(fù)，表明劍葉長度或者寬度減少會(huì)使劍葉面積減少。在標(biāo)記區(qū)間RM509-RM146內(nèi)檢測到3個(gè)QTL的加性效應(yīng)值都為正，表明劍葉長度或者寬度增加會(huì)使劍葉面積增加，這也是一因多效性的具體體現(xiàn)，Zhuang等認(rèn)為控制不同性狀遺傳位點(diǎn)的一因多效或者緊密連鎖可能是引起性狀之間相關(guān)性的重要原因[14]。沈波等通過對劍葉長、寬、面積、倒二葉長等表型性狀變化規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)，這些性狀都是受相同的QTL或基因作用，在多數(shù)情況下，在染色體的同一區(qū)段內(nèi)同時(shí)檢測到控制多個(gè)葉片性狀的QTL[6]。

本研究共定位到葉片相關(guān)性狀QTL 14個(gè)，單株穗重相關(guān)性狀QTL 3個(gè)。王一平等在第3、4、5、6、7、11條染色體上定位到影響劍葉寬度的數(shù)量性狀位點(diǎn)[10]，本研究在第3、4、5條染色體上同樣檢測到，但是在第6、7、11染色體上并未檢測到，可能是由于分離群體相對不穩(wěn)定，劍葉角度變異受到多基因控制，易受到環(huán)境影響的原因[3]。其中在第3、4條染色體上曾多次報(bào)道過控制劍葉寬的位點(diǎn)，但是由于群體不同和分子標(biāo)記方法的不同，不能確定是否為同一位點(diǎn)[5]。李睿等在第5條染色體的RM598-RM430區(qū)間內(nèi)檢測到一個(gè)控制劍葉長度的QTL[15]，與本研究檢測出的qFLL-5相鄰，兩者效應(yīng)方向一致，可能是同一位點(diǎn)，具體位置可能在RM509-RM430之間，本研究在第5條染色體的RM509-RM146區(qū)間段內(nèi)檢測出一個(gè)控制劍葉面積的QTL，和李睿定位的區(qū)間段RM430-RM384相鄰，兩者比較得出在RM509-RM384區(qū)間段內(nèi)存在一個(gè)控制劍葉面積的數(shù)量性狀位點(diǎn)可能性極大。Li等在第2、5、6、7、9條染色體上都檢測到影響劍葉角度的QTL[16]，本研究大多未檢測到，可能是由于環(huán)境不同和標(biāo)記數(shù)目相對較少的原因。馬大鵬等利用含有177個(gè)SSR標(biāo)記的重組自交系群體對單株產(chǎn)量進(jìn)行定位研究[17]，在第6條染色體上檢測到1個(gè)QTL，效應(yīng)方向與本研究一致，很可能是同一位點(diǎn)。

[1]Donald C M,Hamblin J.The biological yield and harvest index of cereals as agronomic and plant breeding criteria[J].Advances in Agronomics.1976,28:361-405.

[2]董國軍,藤本寬,滕勝,等.水稻劍葉角度的QTL分析[J].中國水稻科學(xué),2003,17(3):219-222.

[3]沈福成.水稻劍葉長、寬、角度及比葉重的遺傳[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué),1983(6):18-25.

[4]李文濱,趙雪.2009年大豆分子標(biāo)記及輔助選擇育種研究進(jìn)展[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,41(1):139-148.

[5]蔡晶.水稻劍葉性狀的遺傳分析和QTL定位[D].北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院,2009.

[6]沈波,莊杰云,張克勤,等.水稻葉片性狀和根系活力的QTL定位[J].遺傳學(xué)報(bào),2003,30(12):1133-1139.

[7]童漢華,梅捍衛(wèi),邢永忠,等.水稻生育后期劍葉形態(tài)和生理特性的QTL定位[J].中國水稻科學(xué),2007,21(5):493-499.

[8]劉春燕,齊照明,韓冬偉,等.大豆產(chǎn)量相關(guān)性狀的多年多點(diǎn)QTL分析[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,41(11):1-9.

[9]張克勤,戴偉民,樊葉楊,等.水稻劍葉角度與主穗產(chǎn)量的遺傳剖析[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2008,24(9):186-192.

[10]王一平,曾建平,郭龍彪,等.水稻頂部三葉與穗重的關(guān)系及其QTL分析[J].中國水稻科學(xué),2004,19(1):13-20.

[11]Yan Y M,Wang X X.Study on genetics of the flag leaf shape in the crossing between indica and japonica[J].Hereditas(Beijing), 1990,12(1):1-4.

[12]Xia Z Y.Studies on inheritance and selection of the leaf shape in Keng rice[J].Acta Agronomica Sinica,1983,9(4):275-280.

[13]Wang X M,Cui K,Guo S Y,et al.Study on the influence of plant type to yield in rice[J].Jilin Agric Sci,1996(1):54-56.

[14]Zhuang J Y,Lin H X,Lu J,et al.Analysis of QTL×enviroment interaction for yield components and plant height in rice[J].Theor Appl Genet,1997,95(5-6):799-808.

[15]李睿,趙姝麗,毛艇,等.水稻劍葉形態(tài)性狀QTL分析[J].作物雜志,2010(3):26-29.

[16]Li Z K,Paterson A H,Pinson S R M,et al.RFLP facilitated analysis of tiller and leaf angles in rice(Oryza sativaL.)[J]. Euphytica,1999,109(2):79-84.

[17]馬大鵬,羅利軍,汪朝陽,等.利用重組自交系群體對水稻產(chǎn)量相關(guān)性狀的QTL分析[J].分子植物育種,2004,2(4):507-512.

QTL analysis of flag leaf characteristics and ears weight in rice

ZOU Detang,WANG Jin,WANG Jingguo,LIU Hualong,LIU Yuqiang,JIA Yan
(School of Agriculture, Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

F3group derived from the cross of Xiaobaijingzi/Kongyu131,which were significantly different in flag leaf size and ears weight,was used in QTL analysis of the flag leaf size in rice.A total of 99 QTLs referring the flag leaf characteristics,including morphological characteristics(length, width,area,basal angle,stretch angle)and ears weigth were detected.Total 17 QTLs were detected on chromosome 1,3,4,5,6,7 and 9,respectively.Among them,the QTLs for the flag leaf length,width, area,basal angle and stretch angle were 3,4,2,3,2,respectively,the QTLs for the ears weight were 3.The application of the QTLs for flag leaf characters can provide the basis data to improve flag leaf traits,perfect plant types of rice and marker-assisted selection.

rice;flag leaf characteristics;ears weight;quantitative trait loci

S572

A

1005-9369（2014）01-0023-06

2012-02-27

“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計(jì)劃項(xiàng)目（2011BAD35B02-01）；國家科技支撐項(xiàng)目（2011BAD16B11）

鄒德堂（1965-），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樗痉肿舆z傳育種。E-mail:zoudt@163.com

時(shí)間2014-1-9 22:50:19[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140109.2250.017.html

鄒德堂,王晉,王敬國,等.水稻劍葉形態(tài)與單株產(chǎn)量的基因定位分析[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,45(1):23-28.

Zou Detang,Wang Jin,Wang Jingguo,et al.QTL analysis of flag leaf characteristics and ears weight in rice[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(1):23-28.(in Chinese with English abstract)