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水稻細菌性條斑病抗性基因bls2 SSR分子標記開發(fā)

2021-09-08 00:00羅登杰萬瑤覃雪梅施力軍張慧李容柏劉芳
南方農業(yè)學報 2021年5期
關鍵詞:水稻

羅登杰 萬瑤 覃雪梅 施力軍 張慧 李容柏 劉芳

摘要:【目的】開發(fā)水稻細菌性條斑?。ê喎Q細條?。┛剐曰騜ls2 SSR分子標記,為利用分子標記輔助選擇培育水稻細條病抗性品種提供技術支撐?!痉椒ā炕诒菊n題組前期對細條病抗性基因bls2初定位結果,設計SL03與SL04分子標記區(qū)間的SSR引物,從中篩選出在親本間具有多態(tài)性的引物,用于檢測由普通野生稻DY19與秈稻9311為親本構建的BC3F2群體中各單株的基因型,并結合細條病病斑長度測定結果,利用MapQTL 5.0精細定位bls2基因,鑒定出與之緊密連鎖的SSR分子標記,并比較單標記或雙標記的選擇效果?!窘Y果】通過田間細條病抗性鑒定發(fā)現(xiàn),BC3F2群體抗、感分離符合理論比1∶3的孟德爾單基因遺傳分離規(guī)律。利用篩選鑒定出的11個多態(tài)性分子標記對BC3F2群體共244個單株進行單株基因型檢測,并結合單株抗性表型值,將細條病抗性基因bls2精細定位于2號染色體上RM13592和RM13599分子標記之間,物理距離240 kb;RM13592和RM13599分子標記在BC3F2群體上的分離比均符合1∶2∶1的單基因遺傳分離規(guī)律。利用單標記和雙標記均可有效選擇BC3F3群體中的感病單株和抗病單株。RM13592和RM13599分子標記輔助選擇符合率分別達92.62%和93.44%,使用雙標記的選擇符合率為93.44%。【結論】RM13592和RM13599與細條病抗性基因bls2緊密連鎖,具有易于PCR擴增,易于識別,準確性高的特點,可作為水稻抗細條病育種上分子標記輔助選擇的有效標記。

關鍵詞: 水稻;細菌性條斑病;bls2基因;分子標記輔助選擇

中圖分類號: S511.035.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼: A 文章編號:2095-1191(2021)05-1167-07

Abstract:【Objective】SSR markers closely linked to the resistance gene bls2 against bacterial leaf streak(BLS) were developed in order to provide technical support for the cultivation of BLS-resistant rice varieties by molecular marker-assisted selection(MAS). 【Method】Based on the preliminary mapping of the resistance gene bls2, the SSR markers were designed in the interval of markers SL03 and SL04 and those primers with polymorphism between parents were screened to detect the individual genotype in BC3F2 population which was bred by common wild rice DY19 and indica rice 9311 as parents. Combined with the measurement results of the length of lesions caused by BLS, bls2 gene was fine mapped by software MapQTL 5.0, therefore the SSR markers closely linked to bls2 were determined and the selection effects of unilateral and bilateral markers were compared. 【Result】It was found that the segregation of resistant and susceptible plants in BC3F3 population accorded with Mendelian monogene segregation of 1∶3 by resistance identification to BLS in field. Eleven pairs of polymorphic markers between parents were screened to detect the genotypes of 244 individual plants in BC3F2 population, then the location of the resistance gene bls2 was mapped to the physical distance of 240 kb between markers RM13592-RM13599 on chromosome 2 combined with individual phenotype identification. Both markers RM13592 and RM13599 segregated at ratio of 1∶2∶1, which was completely agreement with monogene searegation law. In BC3F3 population,the use of unilateral marker RM13592 or RM13599 and the simultaneous use of bilateral markers were effective for the selection of susceptible and resistant plants. The MAS selection accuracies of unilateral markers RM13592 and RM13599 were 92.62% and 93.44% respectively,while the selection accuracy of bilateral markers was 93.44%. 【Conclusion】RM13592 and RM13599 are closely linked to the resistance gene bls2 and have the characteristics of easy PCR amplification,easy identification and high accuracy,so they can be used as effective markers of MAS in breeding rice variety against BLS.

Key words: rice; bacterial leaf streak; bls2 gene; molecular marker assisted selection

Foundation item: National Natural Science Foundation of China(32060473); Guangxi Natural Science Foundation(2019GXNSFAA185043)

0 引言

【研究意義】水稻(Oryza sativa L.)為禾本科稻屬一年生水生草本,作為世界三大糧食作物之一,在我國超過50%的人以其為主糧。水稻細菌性條斑?。˙acterial leaf streak,BLS)簡稱水稻細條病,是由革蘭氏陰性菌黃單胞菌水稻變種(Xanthomonas oryzae pv. Oryzicola,簡稱XooC)侵染引起,是我國調運植物檢疫的危險性病害之一,亞洲和大洋洲的部分國家將其列為重要的檢疫性水稻病害。農民常采用噻菌銅、噻唑鋅、代森銨和農用鏈霉素等藥劑防治細條病(梁玉娥,2016)。但濫用農藥對生態(tài)環(huán)境造成很大的危害,隨著人們對食品安全和生態(tài)環(huán)境保護意識的不斷提高,挖掘抗細條病種質資源的抗病基因,并利用分子生物學手段培育和改良抗病新品種,是控制該病害最經(jīng)濟有效和環(huán)保的途徑,從而實現(xiàn)水稻優(yōu)質、穩(wěn)產和高產的目標(Zhang,2007)。目前,雖然分子標記輔助選擇(Marker assisted selection,MAS)技術已被廣泛運用于選育水稻品種,但在水稻抗細條病育種中真正被應用的抗性基因非常有限。因此,應加強對水稻抗細條病基因的發(fā)掘和分子定位,開發(fā)出可用于輔助育種的分子標記,可大幅度提高抗細條病種質資源的利用效率,縮短育種時間,對水稻抗細條病育種和生產具有重要意義?!厩叭搜芯窟M展】目前,關于水稻抗病基因分子標記開發(fā)及應用的研究已有較多報道。Chen等(2000)使用Xa21基因的11個分子標記對明恢63和IRBB21雜交的F2群體進行分析,并利用分子標記輔助回交育種法獲得改良的抗白葉枯病材料Minghui 63。譚彩霞等(2005)通過RM205、RM245、RM201、RM167和Y529分子標記鑒定出2個抗紋枯病的數(shù)量性狀位點(QTLs),同時利用這些分子標記對相同背景下的不同純合系進行輔助育種,結果發(fā)現(xiàn)其在紋枯病發(fā)病程度上存在極顯著差異,2個位點上所在的抗性等位基因qSB-9和qSB-11單獨存在時,分別減輕病級1.2級左右,同時存在時可減輕病級2級左右。周雷等(2016)利用抗稻瘟病基因Pi25上具有特異性功能的SNP分子標記對攜帶抗性基因Pi25的谷梅2號與9311雜交構建的F2群體進行輔助選擇,結果發(fā)現(xiàn)利用這些SNP分子標記可有效進行輔助育種。鄭祥正(2020)對IRBL1-CL(Pi1)與LTH雜交構建的F2世代分離群體進行Pik-Indel分子標記輔助選擇,結果表明利用Pik-InDel分子標記能精確選擇含抗病基因Pik的材料。但有關水稻細條病抗性基因在分子標記開發(fā)及應用的報道較少。陳志偉等(2006)篩選出3個與細條病抗性QTL緊密連鎖的SSR分子標記,并應用于高抗細條病品種Acc8558的抗病基因導入到高感細條病品種珍汕97B的回交育種中,結果發(fā)現(xiàn)感病親本的細條病抗性明顯提高。李齊向等(2012)以高抗細條病水稻品系Dular(攜帶qBlsr-11-1)和H359R(攜帶qBlsr5a、qBlsr3d和qBlsr5b)為親本進行雜交育種,并利用前期篩選出與抗病基因緊密連鎖的SSR分子標記,通過混合選擇結合分子標記輔助育種法將QTL聚合在一起,結果表明該方法可有效聚合2~4個目標QTLs,是培育廣譜抗細條病品種的有效途徑?!颈狙芯壳腥朦c】目前已報道的細條病抗性QTL約13個,但僅有3個抗性QTLs被精細定位。其原因是由于鑒定發(fā)現(xiàn)的QTLs抗性效應較小,主效QTLs極少,使定位和克隆工作困難,能真正應用到水稻生產上的抗性基因資源極其有限。在抗性育種中,主效基因控制的抗性是一種重要的抗源類型,更具有應用價值。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)將來自普通野生稻材料DY19的抗性基因bls2定位于2號染色體的SL03與SL04分子標記之間,物理距離為4 cM(施力軍等,2019)。由于bls2是主基因,且普通野生稻與栽培稻同屬于AA染色體組,可通過雜交育種方法將bls2基因導入栽培稻品種中,然后使用分子標記輔助育種技術可有效加速育種進程。但目前未見開發(fā)與bls2基因緊密連鎖的分子標記的研究報道。【擬解決的關鍵問題】設計抗性基因bls2的SL03與SL04分子標記區(qū)間引物,并篩選在親本間具有多態(tài)性的SSR分子標記,利用普通野生稻DY19與秈稻9311構建的BC3F2群體對bls2基因進行精細定位,再利用與bls2基因緊密連鎖的單側或雙側標記,對BC3F3群體進行標記基因型和抗性表型分析,比較不同標記的選擇效果,為利用分子標記輔助培育水稻細條病抗性品種提供技術支撐。

1 材料與方法

1. 1 供試材料

供試水稻品種為高感細條病的秈稻9311和高抗細條病普通野生稻材料DY19,通過二者雜交構建BC3F2群體及其后代BC3F3群體。供試菌株為廣西強致病力水稻細條病菌株JZ28,由亞熱帶農業(yè)生物資源保護與利用國家重點實驗室何勇強教授提供。主要試劑:rTaq DNA聚合酶、dNTP、DNA Marker、CTAB、丙烯酰胺、甲醛、硝酸銀和三(羥甲基)氨基甲烷等購自北京索萊寶科技有限公司;硼酸購自天津博迪化工有限公司;三氯甲烷、氫氧化鈉和無水乙醇均為分析純。主要儀器設備:PCR擴增儀(Bio-Rad,美國)、電泳儀(北京君意東方電泳設備有限公司)和數(shù)顯恒溫水浴鍋(常州朗越儀器制造有限公司)。

1. 2 抗性鑒定

供試材料種植于廣西大學農學院科學研究試驗基地大田,采用單株插秧種植,株行距15 cm×25 cm,田間管理按常規(guī)大田管理方法進行。參考趙嚴等(2018)的針刺法進行細條病菌株JZ28接種:于水稻分蘗盛期,選取各材料生長勢基本一致的植株,在其2張完全展開葉片上進行針刺接種,每片葉6個針刺點。接種后20 d,對田間細條病發(fā)病情況進行病情調查,記錄每個植株病斑值,取均值。參照國際水稻所(IRRI)的鑒定標準,以病斑長度1.5 cm作為抗、感的分界線,大致為抗病和感病2種類型,進一步細分為6種抗性級別:病斑長度0 cm為免疫(I);病斑長度0.1~0.5 cm為高抗(HR);病斑長度0.6~1.0 cm為抗(R);病斑長度1.1~1.5 cm為中抗(MR);病斑長度1.6~2.5 cm為易感(S);病斑長度≥2.5 cm為高感(HS)。

1. 3 SSR分子標記篩選

從Gramene網(wǎng)站(http://www. gramene.org)下載水稻基因組序列信息?;诒菊n題組前期對細條病抗性基因bls2初定位結果(施力軍等,2019),在SL03與SL04分子標記區(qū)間內設計合成14對新的SSR引物,篩選出在親本間具有多態(tài)性的SSR引物,用于檢測BC3F2群體中各單株的基因型。依據(jù)單株基因型檢測結果,利用JoinMap 3.0構建遺傳連鎖圖,并結合細條病病斑長度測定結果,用MapQTL 5.0進行區(qū)間作圖,對bls2基因進一步精細定位,篩選獲得與之緊密連鎖的SSR分子標記。

1. 4 SSR分子標記選擇效果評價

從與bls2基因緊密連鎖的SSR分子標記中進一步篩選出具有易于PCR擴增和識別特點的單側或雙側分子標記,利用其從BC3F3群體中鑒定出純合抗病標記基因型、雜合標記基因型和純合感病標記基因型的單株,同時測量各單株的病斑長度。以同種標記基因型單株病斑長度的均值為評價指標,分析各種標記基因型之間病斑長度差異,從而計算BC3F3群體中標記基因型和抗性表型的符合率,以此評價單側或雙側分子標記的選擇效果。

1. 5 SSR多態(tài)性分析

參照黃萱等(2004)的CTAB法提取葉片DNA。以提取DNA為模板進行PCR擴增。反應體系10.0 μL:10×Bffuer 1.0 μL,DNA模板1.0 μL,ddH2O 7.1 μL,SSR引物(10 μmol/L)0.6 μL,dNTP(10 μmol/L)0.2 μL,rTaq DNA聚合酶(5 U/L)0.1 μL。擴增程序:94 ℃預變性5 min;94 ℃ 30 s,54~63 ℃(依據(jù)引物實際的Tm值調整)30 s,72 ℃ 45 s,進行34個循環(huán);72 ℃延伸5 min。PCR產物于4 ℃冰箱保存。用8%聚丙烯酰胺凝膠電泳及銀染后顯色分析法檢測PCR產物。

1. 6 統(tǒng)計分析

利用DPS 7.5對病斑長度數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2. 1 抗性基因bls2精細定位及其連鎖SSR分子標記篩選結果

通過高感細條病的秈稻9311與高抗細條病普通野生稻材料DY19雜交共構建276株BC3F2群體,對該群體單株進行田間抗性鑒定,結果如表1所示??共沃陻?shù)為73株,其中高抗、抗和中抗級別分別為17、21和35株;感病單株數(shù)為203株,其中感和高感級別分別為83和120株。經(jīng)χ2測驗結果顯示,BC3F2群體抗、感分離符合理論比1∶3(χ2=0.24<χ20.05,1=3.84)的孟德爾單基因遺傳分離規(guī)律。從設計合成的14對SSR引物中篩選出11對在親本間具有多態(tài)性的SSR引物,即獲得11個多態(tài)性分子標記,利用其引物對BC3F2群體進行單株基因型檢測,并使用JoinMap 3.0構建遺傳連鎖圖,結果如圖1-A所示。結合單株表型值,利用MapQTL 5.0對染色體目標區(qū)段掃描,結果發(fā)現(xiàn)在RM13592與RM13599分子標記之間存在1個LOD值為33.58(遠超過閾值3.0)的最大峰(圖1-B),表明抗性基因bls2精細定位為RM13592與RM13599分子標記之間,物理距離240 kb。

鑒于RM13592和RM13599是與抗性基因bls2兩側最近的分子標記,且2個標記PCR擴增效果好,能有效地區(qū)分純合抗病標記基因型、雜合標記基因型和純合感病標記基因型(圖2)。因此,將這2個標記作為后續(xù)分子標記輔助選擇的候選標記,其引物序列如表2所示。

2. 2 分子標記基因型檢測及細條病抗性表現(xiàn)

利用RM13592和RM13599分子標記檢測BC3F3群體共244個單株的基因型,結果表3所示。其中,RM13592的純合抗病標記基因型(bb)單株72個,雜合標記基因型(Bb)單株117個,純合感病標記基因型(BB)單株55個,分離比符合1∶2∶1(χ2=2.78<χ20.05,2=5.99)的單基因遺傳分離規(guī)律;而RM13599的純合抗病標記基因型(cc)單株72個,雜合標記基因型(Cc)單株115個,純合感病標記基因型(CC)單株57個,分離比也符合1∶2∶1(χ2=2.63<χ20.05,2=5.99)的單基因遺傳分離規(guī)律,表明2個分子標記不存在偏態(tài)分布。

測定2種分子標記基因型單株的病斑長度,結果如表3所示。利用單標記或雙標記選出的純合抗病標記基因型(bb、cc和bbcc)單株病斑長度均值分別為1.22、1.16和1.15 cm,三者間差異不顯著(P>0.05,下同),但這3種純合抗病標記基因型單株的病斑長度均值均與高感細條病親本9311、3種雜合標記基因型(即Bb、Cc和BbCc)和純合感病標記基因型(BB、CC和BBCC)單株的病斑長度均值間差異均達顯著水平(P<0.05,下同);3種雜合標記基因型(Bb、Cc和BbCc)和純合感病標記基因型(BB、CC和BBCC)單株的病斑長度均與高感細條病親本9311的病斑長度差異不顯著;3種純合抗病標記基因型(bb、cc和bbcc)單株與高抗細條病普通野生稻親本DY19的病斑長度差異也不顯著。可見,利用單標記和雙標記均可有效選擇BC3F3群體中的感病單株和抗病單株。

2. 3 RM13592和RM13599分子標記輔助選擇的準確性

計算BC3F3群體244個單株中單標記和雙側標記基因型與田間抗性表型的符合率,結果如表4所示??共沃暧?0個(抗病亞群),感病單株有184個(感病亞群),抗、感分離符合1∶3(χ2=0.01<χ20.05,1=3.84)的單基因遺傳分離規(guī)律,說明群體抗性受1對隱性主基因控制。利用RM13592分子標記檢測抗病亞群60個單株和感病亞群184個單株的基因型,結果顯示抗病標記基因型單株有57個,基因型與田間抗性表型符合率為95.00%;感病標記基因型單株有169個,基因型與田間抗性表型符合率為91.85%,故RM13592分子標記對整個BC3F3群體的分子標記輔助選擇符合率為92.62%。同上分析,RM13599分子標記對整個BC3F3群體的分子標記輔助選擇的符合率為93.44%;運用雙標記對整個BC3F3群體的分子標記輔助選擇符合率為93.44%。綜上所述,使用單標記和雙標記對BC3F3群體中感病和抗病單株的選擇均具有較高的準確性。

3 討論

目前僅有3個細條病抗性基因(或QTL)被精細定位的報道。Xie等(2014)利用一套次級染色體片段置換系將1個抗性效應較大的QTL即qBlsr5a(表型貢獻率為12.8%~15.9%)精確定位到30 kb范圍內,在此區(qū)間內只能預測到3個基因,其中LOC_Os05g01710很可能是qBlsr5a的候選基因;Triplett等(2016)研究發(fā)現(xiàn),美國本土品種Carolina Gold Select的細條病菌株抗性基因Xo1定位于4號染色體長臂1.09 Mb范圍內,但該基因不抗亞洲細條病菌株;Wang等(2020)利用24個重疊染色體置換系將1個效應較小的QTL即qBlsr3d(表型貢獻率為6.4%~9.8%)定位至3號染色體上81 kb范圍內,找到了一個關鍵的候選基因LOC_Os03g03570,其功能尚待驗證。水稻細條病病原菌與同屬的水稻白葉枯病原菌黃單胞菌(Xanthomonas oryzae pv. oryzae,Xoo)親緣關系很近,目前已鑒定出至少40個白葉枯病抗性基因,但僅11個抗性基因被成功克隆(Jiang et al,2020)。相比之下,雖然水稻細條病抗性基因的定位研究取得了一定進展,但大多數(shù)是抗性效應較小的QTLs,抗性表型受環(huán)境影響較大,因而基因克隆研究進展緩慢。本研究將水稻細條病抗性基因bls2精細定位至2號染色體RM13592和RM13599之間240 kb范圍內。由于bls2基因抗細條病效應大,因此本研究獲得的該基因定位結果為bls2基因的克隆和功能研究打下基礎。

水稻細菌性條斑病的抗性表現(xiàn)既受基因控制,又受病原菌、溫度、濕度、土壤肥力等環(huán)境因素影響。傳統(tǒng)育種的表型選擇準確度往往不高、效率低(王欣,2017)。分子標記輔助育種是對分子標記基因型的鑒定與選擇,不受環(huán)境因素的影響,相對于傳統(tǒng)育種更加準確、高效,該方法現(xiàn)已廣泛應用于作物遺傳育種。李齊向等(2012)利用SSR分子標記對水稻細條病抗性QTL進行輔助篩選及基因聚合育種,結果發(fā)現(xiàn)緊密連鎖的SSR分子標記與目標QTL的距離為0.4~4.9 cM,可滿足分子標記輔助育種的要求。本研究篩選出的與抗性基因bls2緊密連鎖的分子標記RM13592和RM13599均滿足分子標記輔助選擇的定位距離要求。利用含bls2基因的BC3F3群體對這2個標記進行選擇效果評估,結果表明無論是單標記還是雙標記選擇,選擇符合率均達92.00%以上,說明這2個分子標記均可應用于育種實踐中,實現(xiàn)對bls2基因的定向選擇??梢?,水稻細條病抗性基因的分子標記輔助選擇育種,通過檢測與抗性基因位點連鎖的分子標記,分析水稻材料的標記基因型,可較準確判斷水稻植株的細條病抗性,在苗期就可鑒定出高抗細條病的單株,該方法不僅節(jié)約生產成本,且大幅度提高選擇效率,極大縮短水稻細條病抗性品種的育種周期。今后應利用本研究開發(fā)的這2個分子標記進行高效輔助選擇育種,從而培育出高抗細條病的水稻新品種。

4 結論

RM13592和RM13599與細條病抗性基因bls2緊密連鎖,具有易于PCR擴增,易于識別,準確性高的特點,可作為水稻抗細條病育種上分子標記輔助選擇的有效標記。

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(責任編輯 陳 燕)

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