周海平 周 慧 馬國華 王成豹 張永鑫 徐秀如 邱先進(jìn) 徐建龍

(1 溫州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院/浙南作物育種重點(diǎn)實驗室，浙江 溫州 325000；2 長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北 荊州 434025；3 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，北京 100081)

水稻作為世界上最重要的糧食作物之一，是全世界一半以上人口的主食[1]。稻米品質(zhì)包括加工品質(zhì)、外觀品質(zhì)、蒸煮食味品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)，其中加工品質(zhì)直接決定了稻米的商品價值。水稻加工品質(zhì)包括糙米率、精米率和整精米率。人們食用的部分是水稻加工產(chǎn)品(包括糙米、精米和整精米)，提高水稻加工品質(zhì)可增加加工產(chǎn)品的產(chǎn)量，因此能為人們提供更多食物。此外，國際市場上整精米的價格是碎米價格的2～3倍。因此，水稻加工品質(zhì)是水稻產(chǎn)量的最終體現(xiàn)，直接關(guān)系到稻米加工企業(yè)的利潤和農(nóng)民的種糧收益[2]。

水稻加工品質(zhì)的3個指標(biāo)均為典型的數(shù)量性狀，受多基因控制，同時受環(huán)境影響。近年來，遺傳學(xué)家利用多種不同的遺傳群體定位到大量影響水稻加工品質(zhì)的數(shù)量性狀位點(diǎn)(quantitative trait locus，QTL)，這些QTL分布于水稻12條染色體上[2-14]。加工品質(zhì)性狀為種子性狀，受到胚、胚乳和細(xì)胞質(zhì)基因型的共同影響，因此水稻加工品質(zhì)的遺傳基礎(chǔ)十分復(fù)雜，迄今大部分水稻加工品質(zhì)的遺傳研究停留在QTL層面，只精細(xì)定位和克隆了影響水稻加工品質(zhì)的2個基因：Ren等[15]利用臺中本地1號和春江06構(gòu)建的染色體片段代換系共定位到4個影響糙米率的QTL，并將qBRR-10精細(xì)定位到39.5 kb區(qū)間，區(qū)間內(nèi)包含2個候選基因。Li等[16]克隆了1個位于第5號染色體短臂上影響水稻堊白的主效基因Chalk5，該基因編碼1個液泡膜質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)焦磷酸酶；近等基因系考察發(fā)現(xiàn)Chalk5同時影響整精米率。

水稻加工品質(zhì)除了受遺傳因素影響外，還受到環(huán)境影響，其中水稻灌漿期間的溫度和光照是影響加工品質(zhì)最重要的環(huán)境因素。另外，QTL的表達(dá)也容易受遺傳背景的影響，例如Qiu等[13]利用272份秈稻種質(zhì)資源在5個環(huán)境下定位到16個影響水稻加工品質(zhì)的主效QTL，其中未檢測到在多個環(huán)境下穩(wěn)定表達(dá)的QTL。Nelson等[9]利用以Cypress為共同親本構(gòu)建的2套重組自交系共定位到6個影響整精米率的主效QTL中，其中在兩套群體中未共同定位到QTL。因此，水稻加工品質(zhì)主效QTL容易受遺傳背景和環(huán)境下影響[2]，這也給分子育種改良水稻加工品質(zhì)帶來了巨大挑戰(zhàn)。

盡管目前有關(guān)水稻加工品質(zhì)的QTL定位報道較多，但大效應(yīng)的QTL仍然很少，而且加工品質(zhì)的遺傳基礎(chǔ)及其受環(huán)境和遺傳背景的影響機(jī)制剖析不夠。鑒于此，本研究利用粳稻品種秀水09和秈稻品種IR2061構(gòu)建了2套雙向?qū)胂岛?套重組自交系群體，在溫州和三亞兩個環(huán)境下考察了3套群體的加工品質(zhì)，結(jié)合基因型信息定位影響水稻加工品質(zhì)的主效QTL和上位性QTL，鑒定在不同環(huán)境和不同遺傳背景下穩(wěn)定表達(dá)的主效QTL，以期為分子育種改良水稻加工品質(zhì)提供基因資源。

1 材料與方法

1.1 導(dǎo)入系和重組自交系構(gòu)建

本研究利用來自秀水09和IR2061構(gòu)建的2套雙向?qū)胂岛?套重組自交系及雙親為材料[17]，秀水09是浙江省嘉興市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院選育的高產(chǎn)粳稻品種，IR2061是國際水稻研究所選育的抗旱秈稻品種。其中秀水09背景導(dǎo)入系(XS09-ILs)包含132個家系，IR2061背景導(dǎo)入系(IR2061-ILs)包含110個家系，F(xiàn)7重組自交系包含157個家系。

1.2 材料種植與性狀考察

雙向?qū)胂岛椭亟M自交系2020年6月15日播種于浙江省溫州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院試驗基地，25 d秧齡移栽。同年11月25日將IR2061背景導(dǎo)入系和重組自交系播種于海南省三亞市中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所試驗農(nóng)場，25 d秧齡移栽。兩個環(huán)境下所有材料均采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，每個家系設(shè)置2次重復(fù)，每隔50個家系種植雙親作為對照。每個重復(fù)內(nèi)，每個家系種植3行，每行10株。大田管理同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)大田管理，成熟后按家系混收中間行的中間8株。脫種后采用鹽水法去掉空癟粒，保留飽滿的稻谷。自然晾干后，室溫儲存3個月。

首先準(zhǔn)確稱取精選稻谷50 g，利用礱谷機(jī)(JLGJ-45，浙江省臺州市新恩精密糧儀有限公司)去掉谷殼，并準(zhǔn)確稱取糙米的重量。糙米的重量占稻谷重量的比率即為糙米率(brown rice rate，BRR)。然后利用精米機(jī)(JMNJ-3，浙江省臺州市新恩精密糧儀有限公司)將糙米全部碾成精米，并準(zhǔn)確稱取精的米重量。精米重量占稻谷重量的比率即為精米率(milled rice rate，MRR)。最后利用碎米分離器(FGS-13X20，浙江省臺州市新恩精密糧儀有限公司)去掉精米中的碎米，保留整精米，并準(zhǔn)確稱取整精米的重量。整精米重量占稻谷重量的比率即為整精米率(head milled rice rate，HMRR)。每次重復(fù)內(nèi)每個家系測量2次，取2次的平均值，即為該重復(fù)內(nèi)該家系的表型值，取2次重復(fù)的平均值作為該家系的表型值用于數(shù)據(jù)分析。

1.3 基因型分析和遺傳連鎖圖構(gòu)建

利用500對簡單重復(fù)序列(simple sequence repeat，SSR)標(biāo)記篩選雙親之間的多態(tài)性，挑選在全基因組均勻分布的152個SSR標(biāo)記用于基因型分析，利用重組自交系群體構(gòu)建遺傳連鎖圖[17]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Statistica5.5軟件[1]分析加工品質(zhì)性狀的描述統(tǒng)計和不同性狀間的相關(guān)性分析，利用IciMapping4.2軟件[18]定位主效QTL和上位性QTL，并進(jìn)行QTL與環(huán)境互作分析，主效QTL定位閾值設(shè)定為2.5，上位性QTL定位閾值設(shè)定為5.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 遺傳連鎖圖譜

利用重組自交系構(gòu)建得到一套遺傳連鎖圖，該遺傳連鎖圖的總長度為1 567.80 cM，標(biāo)記間的平均距離為11.10 cM。秀水09背景導(dǎo)入系的平均背景回復(fù)率為90.15%，變幅為79.86%～98.61%；IR2061背景導(dǎo)入系的背景回復(fù)率平均為85.82%，變幅為54.14%～96.55%(圖1)。

2.2 親本及群體的加工品質(zhì)表現(xiàn)

在溫州和三亞兩個環(huán)境下，秀水09和IR2061的糙米率和精米率均無顯著差異(表1)。秀水09在兩個環(huán)境下的整精米率分別為60.35%和62.19%，IR2061分別為38.66%和52.31%，雙親間存在極顯著差異。雙向?qū)胂岛椭亟M自交系群體的加工品質(zhì)均表現(xiàn)為連續(xù)變異，且出現(xiàn)超親分離，表明糙米率、精米率和整精米率均為典型的數(shù)量性狀。其中雙向?qū)胂档募庸て焚|(zhì)平均值均偏向受體親本，而重組自交系3個性狀的平均值均介于雙親之間。此外，糙米率和精米率在兩個環(huán)境下的變異系數(shù)均小于10%，而整精米率的變異系數(shù)均大于10%，表明整精米率更易受環(huán)境影響。

表1 兩個環(huán)境下親本、雙向?qū)胂岛椭亟M自交系的加工品質(zhì)表現(xiàn)Table 1 Performance of milling quality traits of the parents, reciprocal introgression lines and recombinant inbred lines in two environments /%

圖1 雙向?qū)胂抵蠭R2061基因組成分的分布Fig.1 Frequency distribution of IR2061 genome in the reciprocal introgression lines

3個群體的加工品質(zhì)不同性狀間的相關(guān)性見表2。除秀水09背景導(dǎo)入系在溫州環(huán)境下和重組自交系在三亞環(huán)境下的糙米率和整精米率無顯著相關(guān)關(guān)系，糙米率、精米率和整精米率均表現(xiàn)為顯著或極顯著正相關(guān)，表明糙米率高的材料精米率和整精米率均高。其中糙米率和精米率的相關(guān)系數(shù)最高，糙米率和整精米率的相關(guān)系數(shù)最小，表明糙米率和精米率之間的相關(guān)性最強(qiáng)，糙米率和整精米率的相關(guān)性最弱。

2.3 加工品質(zhì)主效QTL定位及其與環(huán)境互作

利用雙向?qū)胂岛椭亟M自交系群體共定位到29個影響水稻加工品質(zhì)的主效QTL(表3、圖3)，包括6個影響糙米率、13個影響精米率和16個影響整精米率的主效QTL，這些QTL分布于除第4號染色體以外的11條染色體上。

秀水09背景導(dǎo)入系分別定位到2、6和6個影響水稻糙米率、精米率和整精米率的QTL(表3、圖3)，qBRR7.1、qMRR6、qMRR9和qHMRR5這4個QTL來自IR2061的等位基因提高加工品質(zhì)，其他來源于秀水09的QTL等位基因提高加工品質(zhì)。第3號染色體RM231～RM489區(qū)間和第9號染色體RM257～RM278區(qū)間存在同時影響精米率和整精米率的QTL，第7號染色體的RM432～RM11區(qū)間存在同時影響糙米率和整精米率的QTL。

表2 兩環(huán)境下糙米率、精米率和整精米率之間的相關(guān)性Table 2 Correlation coefficients of brown rice rate, milled rice rate and head milled rice rate in the reciprocal introgression and recombinant inbred line populations in two environments

IR2061背景導(dǎo)入系共定位到1、4和7個影響水稻糙米率、精米率和整精米率的QTL(表3、圖3)，分布于水稻第1、第2、第3、第5、第6、第8、第9和第11號染色體。其中qMRR3.2、qMRR6、qMRR11和qHMRR2僅在溫州環(huán)境下檢測到，qHMRR1、qHMRR3.2、qHMRR5、qHMRR8、qHMRR9和qHMRR11僅在三亞環(huán)境下檢測到。qMRR6、qMRR8.2和qHMRR5來源于IR2061的等位基因提高精米率和整精米率，而其他QTL的秀水09等位基因提高加工品質(zhì)。第8號染色體RM80～RM458區(qū)間存在同時影響3個加工品質(zhì)性狀的QTL，且在兩個環(huán)境下同時影響糙米率和精米率；第11號染色體RM457～RM254區(qū)間存在同時影響精米率和整精米率的QTL。qBRR8、qMRR8.2和qHMRR2存在環(huán)境互作，具體表現(xiàn)為與溫州環(huán)境互作降低加工品質(zhì)，與三亞環(huán)境互作提高加工品質(zhì)。

表3 雙向?qū)胂岛椭亟M自交系定位到的影響水稻加工品質(zhì)的主效QTL及其與環(huán)境的互作效應(yīng)Table 3 Main-effect QTL and environment interactions for milling quality detected in reciprocal introgression lines and recombinant inbred lines

注：A～C為秀水09背景導(dǎo)入系溫州環(huán)境下的加工品質(zhì)；D～F為IR2061背景導(dǎo)入系兩環(huán)境下的加工品質(zhì)；H～I(xiàn)為重組自交系兩環(huán)境下的加工品質(zhì)。Note: A～C represent the milling quality traits of Introgression Line population at Xiushui09 background at Wenzhou environment. D～F represent the milling quality traits of Introgression Line population at IR2061 background across two environments. G～I(xiàn) represent the milling quality traits of Recombinant Inbred Line population across two environments.圖2 三套群體兩環(huán)境下加工品質(zhì)性狀的頻率分布圖Fig.2 Frequency distributions of milling quality traits in the three populations across two environments.

重組自交系分別定位到影響糙米率、精米率和整精米率的QTL各3個(表3、圖3)，位于水稻第1、第5、第7、第9、第11和第12號染色體。qBRR5、qBRR9、qMRR1、qMRR12、qHMRR7.1和qHMRR11僅在溫州環(huán)境下定位到，其余3個QTL僅在三亞環(huán)境下表達(dá)。qBRR9和qMRR12的IR2061等位基因提高糙米率和精米率，其余QTL的IR2061等位基因則降低加工品質(zhì)。位于第7號染色體的RM432～RM11區(qū)間存在同時影響糙米率和精米率的QTL。除qBRR9和qHMRR12外的7個QTL均與環(huán)境存在互作，具體表現(xiàn)為與溫州環(huán)境互作提高加工品質(zhì)，與三亞環(huán)境互作降低加工品質(zhì)。

2.4 加工品質(zhì)上位性QTL定位

利用重組自交系共定位到20對影響水稻加工品質(zhì)的上位性QTL(表4)，其中溫州和三亞分別定位到4對和16對。有1對上位性QTL為2個主效QTL互作，有5對上位性QTL對為1個主效QTL與1個隨機(jī)位點(diǎn)的互作，其余14對上位性QTL對均為2個非主效QTL之間的互作。這些上位性QTL中，有3對QTL互作對降低整精米率，其余互作對均提高加工品質(zhì)。未定位到在兩個環(huán)境下同時表達(dá)或同時影響不同性狀的上位性QTL。

表4 重組自交系加工品質(zhì)的上位性QTLTable 4 Epistatic effect QTLs for milling quality identified in the RILs

圖3 遺傳連鎖圖及加工品質(zhì)主效QTL在染色體上的分布Fig.3 Linkage map and distribution of main-effect QTL for milling quality

3 討論

加工品質(zhì)是典型的數(shù)量性狀，受多基因控制，同時受環(huán)境影響大。研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)QTL的表達(dá)均受遺傳背景的影響。例如，Qiu等[1]利用秈稻三系恢復(fù)系明恢63和粳稻品種02428構(gòu)建的雙向?qū)胂刀ㄎ坏?2個影響水稻外觀品質(zhì)的主效QTL，僅有9個QTL在2個遺傳背景下穩(wěn)定表達(dá)。此外，利用相同群體定位的24個影響產(chǎn)量相關(guān)性狀的QTL中[19]，僅16.7%的QTL在2個遺傳背景下被重復(fù)檢測到；在定位到的15個影響水稻苗期耐鎘性的主效QTL中，沒有QTL在2個遺傳背景下穩(wěn)定表達(dá)[20]。Qiu等[21-22]和Zhang等[23]以秈稻品種IR75862為供體、測258和中廣香1號為受體構(gòu)建了兩套導(dǎo)入系，共檢測到18和23個與苗期耐鹽性、35個與粒型和產(chǎn)量相關(guān)的主效QTL，其中兩套導(dǎo)入系中僅同時定位到5個QTL。Zhang等[24]利用秈稻9311和粳稻日本晴構(gòu)建的回交重組自交系和染色體片段代換系共定位到39個影響水稻休眠的主效QTL，其中僅有4個QTL在兩套群體中被重復(fù)檢測到。本研究利用粳稻品種秀水09和秈稻品種IR2061構(gòu)建的雙向?qū)胂岛椭亟M自交系共定位到29個影響水稻加工品質(zhì)的主效QTL，其中6個QTL(qBRR7.1、qMRR6、qHMRR5、qHMRR7.1、qHMRR9和qHMRR11)在兩個遺傳背景下均穩(wěn)定表達(dá)，占主效QTL的15.38%。此外，未檢測到在三套群體中均穩(wěn)定表達(dá)的主效QTL。該結(jié)果與前人研究結(jié)果一致，表明水稻加工品質(zhì)QTL檢測受遺傳背景影響極大。因此，將主效QTL應(yīng)用于分子育種改良水稻加工品質(zhì)時，需盡量避免使用對遺傳背景敏感的QTL，選擇在不同遺傳背景下不穩(wěn)定表達(dá)的主效QTL，或最好利用分子育種群體進(jìn)行QTL定位，將QTL與性狀的分子改良相融合，以提高復(fù)雜性狀分子改良的效率。

同樣地，前人發(fā)現(xiàn)加工品質(zhì)性狀也極易受環(huán)境影響。Qiu等[13]在4個環(huán)境下考察了272份秈稻種質(zhì)資源的加工品質(zhì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)糙米率、精米率和整精米率的遺傳力很低。利用該群體共定位到16個影響水稻加工品質(zhì)的主效QTL，但上述QTL都僅在一個環(huán)境下被定位到。胡霞等[25]利用測258和IR75862構(gòu)建的導(dǎo)入系在兩個環(huán)境下定位到15個影響水稻加工品質(zhì)的主效QTL，其中僅4個QTL在兩個環(huán)境下穩(wěn)定表達(dá)，還有7個QTL與環(huán)境有互作效應(yīng)。在本研究利用IR2061背景導(dǎo)入系和重組自交系定位到的21個影響水稻加工品質(zhì)的主效QTL中，位于第8號染色體RM80～RM458區(qū)間的qBRR8和qMRR8.2在兩個環(huán)境下穩(wěn)定表達(dá)，僅占所定位QTL的9.52%。此外，在這21個主效QTL中，有10個QTL(47.62%)與環(huán)境有互作效應(yīng)。因此，應(yīng)用于水稻加工品質(zhì)分子育種時，應(yīng)選擇在多個環(huán)境下穩(wěn)定表達(dá)且無環(huán)境互作效應(yīng)的QTL。總之，需針對性狀本身的特點(diǎn)，同時考慮影響該性狀的主效QTL及其與環(huán)境的互作效應(yīng)，從而使標(biāo)記輔助選擇育種取得事半功倍的效果。

本研究利用粳稻品種秀水09和秈稻品種IR2061構(gòu)建的雙向?qū)胂岛椭亟M自交系共定位到29個影響水稻加工品質(zhì)的主效QTL，其中大部分QTL與前人報道的主效QTL位于相同或相近區(qū)間。例如，本研究定位到的影響水稻精米率的qMRR5和qMRR6、影響整精米率的qHMRR1和qHMRR5分別與胡霞等[25]定位到的qMR5和qMR6a、qHR1和qHR5b位置相近；影響糙米率的qBRR7.2和整精米率的qHMRR3.2與梅德勇等[26]定位到的qBRR7和qHRR3位置相同；影響精米率的qMRR1和qMRR3.2與Swamy等[10]報道的mp1.1和mp3.1處于相同位置；影響精米率的qMRR10與Li等[7]報道的qMR-10位置相近；影響精米率的qMRR9和整精米率的qHMRR2、qHMRR6、qHMRR7.1和qHMRR9與翁劍峰等[27]定位的qMR-9、qHR-2、qHR-6、qHR-7和qHR-9相近；影響精米率的qBRR9與李俊周等[12]定位的qBR9和Ren等[15]定位的qBRR-9位置相同；影響精米率的qMRR8.2和影響整精米率的qHMRR11與方雅潔等[28]報道的qMRR8和qHMRR11位置相近。上述在不同群體和環(huán)境下定位到的相同或相近的加工品質(zhì)性狀QTL，可能是影響加工品質(zhì)的重要QTL，有待進(jìn)一步精細(xì)定位和克隆。

此外，本研究定位到12個影響水稻加工品質(zhì)的新的主效QTL，包括qBRR5、qBRR7.1和qBRR8等3個影響糙米率的主效QTL，qMRR3.1、qMRR7、qMRR8.1、qMRR11和qMRR12等5個影響精米率的主效QTL和qHMRR3.1、qHMRR7.2、qHMRR8和qHMRR12等4個影響整精米率的主效QTL。后續(xù)可針對上述QTL構(gòu)建分離群體進(jìn)行驗證和精細(xì)定位，為改良水稻加工品質(zhì)的遺傳基礎(chǔ)提供更多有利基因。

提高加工品質(zhì)不僅可以間接提高糧食產(chǎn)量，而且可以提高水稻的品質(zhì)。解析水稻加工品質(zhì)的遺傳基礎(chǔ)，利用分子育種將重要加工品質(zhì)QTL導(dǎo)入到優(yōu)良品種中，能有效地提高優(yōu)良品種的加工品質(zhì)，且保持優(yōu)良品種的其他性狀。本研究利用粳稻品種秀水09和秈稻品種IR2061構(gòu)建的兩套雙向?qū)胂岛鸵惶字亟M自交系群體定位了29個影響水稻加工品質(zhì)的主效QTL，其中秀水09等位基因的大部分QTL能提高加工品質(zhì)。有6個QTL(qBRR7.1、qMRR6、qHMRR5、qHMRR7.1、qHMRR9和qHMRR11)在兩個遺傳背景下穩(wěn)定表達(dá)，2個QTL(qBRR8和qMRR8.2)在兩個環(huán)境下被重復(fù)檢測到，說明這些QTL受遺傳背景和環(huán)境影響較小。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)第7號染色體RM432～RM11、第8號染色體RM80～RM458和第9號染色體RM257～RM278這3個區(qū)間同時影響糙米率、精米率和整精米率，秀水09等位基因在這3個區(qū)段均能提高加工品質(zhì)。其中第8號染色體RM80～RM458在兩個環(huán)境下穩(wěn)定表達(dá)，第9號染色體RM257～RM278不與環(huán)境互作。在IR2061背景導(dǎo)入系中，有17份和11份導(dǎo)入系在溫州和三亞環(huán)境下的整精米率顯著高于受體親本(整精米率大于40%和55%)，其中有5份導(dǎo)入系在兩個環(huán)境下的整精米率超過55%，且背景回復(fù)率均超過85%。這5份導(dǎo)入系中，有2份導(dǎo)入系分別導(dǎo)入了第8號染色體RM80～RM458和第9號染色體RM257～RM278的秀水09片段，這兩份導(dǎo)入系在兩個環(huán)境的整精米率平均為60.01%和58.65%；1份導(dǎo)入系聚合了上述2個片段，在兩個環(huán)境的整精米率平均為65.67%，表明導(dǎo)入這2個片段的秀水09的有利等位基因均能顯著提高加工品質(zhì)，且片段對提高整精米率具有累加效應(yīng)。因此，通過分子標(biāo)記輔助選擇導(dǎo)入或聚合這些QTL區(qū)段、來自粳稻秀水09的有利等位基因，改良秈稻的加工品質(zhì)，可以取得理想的效果。

4 結(jié)論

本研究利用秀水09和IR2061為親本構(gòu)建的雙向?qū)胂岛椭亟M自交系共定位到29個影響水稻加工品質(zhì)的主效QTL和20對上位性QTL，其中10個主效QTL與環(huán)境互作，6個QTL在兩個遺傳背景下穩(wěn)定表達(dá)，2個QTL在兩個環(huán)境下被重復(fù)定位到，第8號染色體RM80～RM458和第9號染色體RM257～RM278來自秀水09的等位基因聚合能顯著提高秈稻的整精米率。本研究定位到的受遺傳背景或環(huán)境影響小的主效QTL，能夠為分子育種改良水稻加工品質(zhì)提供有利的基因資源。