李儒香，周愷，王大川，李巧龍，向奧妮，李璐，李苗苗，向思茜，凌英華，何光華，趙芳明

水稻CSSL-Z481代換片段攜帶的穗部性狀QTL分析及次級(jí)代換系培育

李儒香，周愷，王大川，李巧龍，向奧妮，李璐，李苗苗，向思茜，凌英華，何光華，趙芳明

西南大學(xué)水稻研究所/西南大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院/南方山地農(nóng)業(yè)教育部工程中心，重慶 400715

【】糧食安全是保障國家安全的重要基礎(chǔ)，水稻是人民賴以生存的主要糧食作物，提高其產(chǎn)量是重要的育種目標(biāo)。水稻產(chǎn)量由每株有效穗數(shù)、每穗實(shí)粒數(shù)和粒重等性狀構(gòu)成，其中，粒重與籽粒形狀、充實(shí)程度等密切相關(guān)。但這些性狀都是由多基因控制，遺傳基礎(chǔ)復(fù)雜。染色體片段代換系(CSSL)可將這些復(fù)雜性狀的QTL較準(zhǔn)確地分解為單個(gè)孟得爾因子研究，且與育種工作緊密銜接，因而是理想的遺傳研究和育種材料。【】前期以4代換片段的水稻染色體片段代換系Z481精細(xì)定位了一個(gè)易落?；颍玓481與受體日本晴間還存在多個(gè)顯著差異的穗部性狀。明晰控制這些差異性狀的QTL在代換片段上如何分布，并分解為單片段代換系，對(duì)目標(biāo)QTL的圖位克隆及應(yīng)用于水稻分子設(shè)計(jì)育種有重要應(yīng)用價(jià)值?！尽坷檬荏w親本日本晴與Z481雜交構(gòu)建的次級(jí)F2分離群體以SAS9.3統(tǒng)計(jì)軟件的混合線性模型（mixed linear model，MLM）法進(jìn)行穗部性狀QTL定位（＜0.05），然后，根據(jù)基因型和表型，從F2選擇42個(gè)單株在F3株系利用MAS法培育單片段及雙片段代換系，并利用IBM SPSS Statistics 25.0的ONE-WAY ANOVA和TWO-WAY ANOVA分析及LSD和Duncans多重比較（＜0.05）分析這些單片段代換系（SSSL）和雙片段代換系（DSSL）的QTL加性和上位性效應(yīng)?！尽恳匀毡厩?Z481構(gòu)建的次級(jí)F2群體共定位出12個(gè)控制水稻穗部性狀的QTL，并培育出相應(yīng)QTL的11個(gè)單片段代換系（S1—S11）和3個(gè)雙片段代換系（D1—D3）。其中，有8個(gè)QTL（、、、、、、和）可被單片段代換系所驗(yàn)證，表明這些QTL遺傳穩(wěn)定。此外，利用單片段代換系鑒定到、、等33個(gè)QTL。其中，等15個(gè)可能為新鑒定的QTL。且利用3個(gè)DSSL分析了非等位QTL間的上位性效應(yīng)，結(jié)果表明，不同QTL聚合會(huì)產(chǎn)生不同的上位性效應(yīng)，如（=1.26）和（=0.86）聚合產(chǎn)生了-0.77的上位性效應(yīng)，據(jù)DSSL遺傳模型，D2的粒長遺傳效應(yīng)（1.35）產(chǎn)生了更長的粒長表型；（=3.18）和（=3.39）聚合產(chǎn)生了-5.46的上位性效應(yīng)，則D2的千粒重遺傳效應(yīng)（1.11）產(chǎn)生了更小的籽粒?！尽縕481的4個(gè)代換片段上共攜帶45個(gè)水稻穗部性狀的QTL，并進(jìn)一步分解到11個(gè)次級(jí)單片段代換系上，單片段代換系具有比F2群體更高的QTL檢測效率。利用SSSL和DSSL解析的水稻穗部性狀QTL的加性效應(yīng)和上位性效應(yīng)，有助于根據(jù)這些遺傳信息預(yù)測設(shè)計(jì)基因型的表型，從而選擇合適的SSSL進(jìn)行育種設(shè)計(jì)。

水稻；穗部性狀；QTL；染色體代換片段；加性效應(yīng)；上位性效應(yīng)

0 引言

【研究意義】糧穩(wěn)天下安。近年來，新冠肺炎疫情的持續(xù)、俄烏戰(zhàn)爭的爆發(fā)以及極端天氣的頻發(fā)，使得糧食安全問題備受關(guān)注。水稻作為日常生活中最熟悉的主食之一，其產(chǎn)量高低對(duì)國計(jì)民生的重要性可見一斑。一直以來，提高水稻產(chǎn)量都是育種工作者的首要目標(biāo)之一。然而，水稻產(chǎn)量性狀是由多基因控制的數(shù)量性狀，由每株有效穗數(shù)和穗部性狀共同決定。這些內(nèi)部要素之間相輔相成而又相互制約。進(jìn)一步提高水稻產(chǎn)量，需優(yōu)化水稻穗部性狀組配，解決超高產(chǎn)、穗大、穗多的矛盾。因此，如何突破構(gòu)成產(chǎn)量各個(gè)要素之間的相互制約性，找到要素之間相互作用以及維持平衡的結(jié)點(diǎn)，成為當(dāng)前水稻科學(xué)研究以及分子設(shè)計(jì)育種所面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)[1]。要解決這一問題，首當(dāng)其沖的就是以可應(yīng)用于育種的遺傳材料定位其中的各基因并解析其分子調(diào)控機(jī)制。【前人研究進(jìn)展】水稻穗部性狀是由穗長、一次枝梗數(shù)、二次枝梗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重、粒長、粒寬、粒厚等性狀組成的復(fù)合性狀[2]。許多研究者利用不同的作圖群體如F2群體、高代回交群體BC2F2、重組近親系群體（RIL）、染色體片段代換系衍生系群體、單片段代換系群體等定位了大量的水稻穗部性狀QTL，包括精細(xì)定位的粒寬的、等，粒長的、等，粒厚的等，千粒重的等，粒數(shù)的、、、等，籽粒密度的、、等，有效穗數(shù)和等[2-19]，定位的水稻穗部性狀QTL遍布水稻12條染色體。其中，已經(jīng)克隆的粒型和粒重基因，如G蛋白信號(hào)途徑的（），泛素信號(hào)途徑的（）、（），油菜素內(nèi)酯信號(hào)途徑的（）、（）、（）、（）、（）/、（）/（），生長素途徑的（）、（），細(xì)胞分裂素信號(hào)途徑的（），轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控途徑的（）、（）、（）/（）/（）/（）、（）、（），MAPK信號(hào)途徑的（）/（）、（），還有其他途徑的（）、（,）、（）、（）、（）/（2）等[20]。已經(jīng)克隆的穗粒數(shù)相關(guān)的基因如生長素信號(hào)途徑的（）（Small Auxin-Up RNAs）[21-22]，細(xì)胞分裂素信號(hào)途徑的基因（）（）[23-24]，赤霉素途徑的（）[25]，油菜素內(nèi)酯信號(hào)途徑的（）、（）（）[26-28]，MAPK信號(hào)途徑的（）、（）[1]，G蛋白信號(hào)途徑的（）[29-30]，還有其他途徑的（）、3（）等[31-32]。雖然克隆了一些水稻穗部性狀的基因，然而對(duì)于控制粒型、粒重和粒數(shù)的分子機(jī)制僅僅只是一個(gè)開始，這些信號(hào)通路之間的聯(lián)系還有很大的空隙有待完善，而且還有許多相關(guān)QTL沒有被發(fā)現(xiàn)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】水稻的穗部性狀是由多基因控制、遺傳機(jī)理非常復(fù)雜的數(shù)量性狀[16]。染色體片段代換系（chromosome segment substitution lines，CSSL）是創(chuàng)造豐富自然變異的理想材料，可用于解析數(shù)量性狀[33-37]。攜帶供體親本單個(gè)代換片段的CSSL稱為單片段代換系（single segment substitution lines，SSSL），SSSL極大限度減少了遺傳背景的干擾，是QTL鑒定及研究基因間遺傳關(guān)系的理想材料，尤其鑒定到的QTL可直接應(yīng)用于育種實(shí)踐[38]。因此，SSSL既可用于QTL鑒定并解析基因分子機(jī)制的遺傳基礎(chǔ)研究，同時(shí)又可直接應(yīng)用于育種。特別在后基因組時(shí)代，如果了解所有重要農(nóng)藝性狀QTL的等位基因變異，那么就可有目的地從整個(gè)基因組中選擇目標(biāo)基因，利用SSSL聚合設(shè)計(jì)出更好的基因型，從而實(shí)現(xiàn)水稻高產(chǎn)設(shè)計(jì)育種。盡管已定位和克隆了大量的水稻穗部性狀QTL/基因，但還有許多沒有被鑒定出來，此外，用于基礎(chǔ)遺傳研究而鑒定出的QTL/基因往往分布于遺傳背景不同的遺傳材料中，離直接應(yīng)用于育種工作還存在一些間隙?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以含4個(gè)代換片段的水稻染色體片段代換系Z481的衍生系進(jìn)行穗部性狀的QTL定位和QTL間的上位性互作分析，與傳統(tǒng)用復(fù)雜統(tǒng)計(jì)軟件和初級(jí)作圖群體的QTL定位和上位性分析相比，創(chuàng)新性在于將這些QTL分解到了相應(yīng)的單片段代換系上，這些QTL的單片段代換系由于遺傳背景相同，為后續(xù)無論是新基因的圖位克隆，還是用于系統(tǒng)的分子設(shè)計(jì)育種工作提供了可靠的遺傳信息和育種材料。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

Z481是以日本晴為受體親本、自育秈稻恢復(fù)系R225為供體親本，通過全基因組429個(gè)分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)結(jié)合高代回交和自交選育而成的4代換片段的水稻染色體片段代換系，其代換片段分別位于第1、3和6染色體，平均代換長度約7.10 Mb[39]。以粳稻日本晴為受體親本，一方面是由于日本晴參考序列是被公認(rèn)為現(xiàn)有粳稻基因組序列中質(zhì)量最高的，便于在理論上研究供體秈稻恢復(fù)系R225導(dǎo)入片段的相應(yīng)基因功能；另一方面，西南位于秈稻區(qū)，構(gòu)建秈粳亞種間染色體片段代換系可產(chǎn)生更大的自然變異。同時(shí)，也構(gòu)建了秈稻恢復(fù)系R225等為受體的染色體片段代換系，如此，可全面了解這些秈型恢復(fù)系基因組對(duì)應(yīng)的有利等位基因。

QTL定位群體是由日本晴與Z481雜交創(chuàng)建的由150個(gè)單株組成的次級(jí)F2分離群體。

次級(jí)單片段代換系（SSSL）和雙片段代換系（DSSL）選育材料，根據(jù)基因型和表型及在2020年QTL定位基礎(chǔ)上選出的42個(gè)F2單株，于2021年種成42個(gè)F3株系（Z979—Z1020），然后對(duì)這些株系進(jìn)一步MAS選育出11個(gè)SSSL和3個(gè)含對(duì)應(yīng)代換片段的DSSL。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 材料種植 2020年3月11日在西南大學(xué)水稻研究基地（重慶市北碚區(qū)歇馬鎮(zhèn)）播種日本晴、Z481，及日本晴/Z481 F2群體的種子進(jìn)行育苗，同年4月13日將日本晴、Z481秧苗各移栽30株，F(xiàn)2群體秧苗移栽150株于同一試驗(yàn)田，每行栽10株，行距約26 cm，株距約16 cm。2021年，在西南大學(xué)水稻實(shí)驗(yàn)基地按同規(guī)格和模式種植日本晴、Z481及42個(gè)用于次級(jí)代換系選育的F3株系（Z979—Z1020）各30株；2022年，在相同地點(diǎn)按同規(guī)格和模式種植日本晴、Z481及選出的14個(gè)次級(jí)SSSL和DSSL群體各30株，按常規(guī)方法管理。

1.2.2 穗部性狀考察 待水稻完全成熟后，在小區(qū)中間收割日本晴、Z481各10株，以及日本晴/Z481的150株F2群體。參照Wang等[40]方法測量親本及F2群體的每穗穗長、一次枝梗數(shù)、二次枝梗數(shù)、有效穗數(shù)，每穗實(shí)粒數(shù)、粒長、粒寬和千粒重。谷粒長寬比以粒長與粒寬的比值計(jì)算，實(shí)粒數(shù)以每穗枝梗上未落的粒數(shù)和已落粒的點(diǎn)痕計(jì)數(shù)。最后使用Microsoft Excel 2016統(tǒng)計(jì)上述性狀的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

1.2.3 QTL定位 采用CTAB法[41]提取日本晴、Z481和F2分離群體的150個(gè)單株的DNA，按照Zhao等[42]方法進(jìn)行PCR擴(kuò)增和10%聚丙烯酰胺凝膠電泳，將日本晴帶型記為“-1”，Z481的帶型記為“1”，具有雙親雜合帶型記為“0”，缺失帶型記為“.”，以此作為F2群體的基因型賦予值，結(jié)合150個(gè)F2單株對(duì)應(yīng)的表型值, 利用SAS9.3統(tǒng)計(jì)軟件（SAS Institute Inc, Cary, NC, USA）的混合線性模型（mixed linear model，MLM）法[43]進(jìn)行QTL定位，以閾值＜0.05判斷存在控制某一性狀的QTL。

1.2.4 次級(jí)單片段代換系和雙片段代換系培育 在2020年QTL定位結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)單株的基因型和表型，從F2群體選擇了42個(gè)單株，在2021年種植成42個(gè)F3株系，每個(gè)株系取20株單株的葉片提取DNA，以目標(biāo)標(biāo)記和雜合標(biāo)記進(jìn)一步進(jìn)行MAS，最后選出11個(gè)SSSL和3個(gè)含對(duì)應(yīng)單片段的DSSL。2022年將這些SSSL和DSSL種植為純合群體。于2022年7月下旬，去除小區(qū)邊行株，收獲日本晴、11個(gè)單片段代換系（SSSL）及3個(gè)DSSL各10株，按照1.2.2中記錄的方法，測量每穗穗長、一次枝梗數(shù)、二次枝梗數(shù)、每穗實(shí)粒數(shù)、粒長、粒寬、長寬比、千粒重等性狀。

1.2.5 基于11個(gè)SSSL的QTL鑒定及加性效應(yīng)分析 在特定環(huán)境下，受體日本晴的遺傳模型為P=μ+ε；SSSL遺傳模型為P=μ+a+ε，其中，P和P分別表示受體日本晴和單片段代換系SSSL的個(gè)體表型值，μ表示受體日本晴表型的平均值，a為SSSL某一性狀QTL的加性效應(yīng)[14]，表示殘差。因此，以SSSL進(jìn)行QTL的定位原理為：假設(shè)H0﹕SSSL的代換片段不存在控制某一性狀的QTL，使用IBM SPSS Statistics 25.0的ONE-WAY ANOVA分析及LSD和Duncan多重比較對(duì)所有SSSL和日本晴的上述穗部性狀值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，當(dāng)＞0.05時(shí)，接受H0，表明SSSL無控制某一性狀的QTL；當(dāng)＜0.05時(shí)表明SSSL存在控制某一性狀的QTL，且由遺傳模型可知，QTL的加性效應(yīng)a=（P-P）。

1.2.6 利用具有重疊代換片段的SSSL的QTL重疊代換作圖法 對(duì)選育出的具有相互重疊代換片段的SSSL，為了進(jìn)一步確定QTL具體位于代換片段的哪個(gè)代換區(qū)間，采用了重疊群代換作圖法進(jìn)行了QTL的精細(xì)定位。當(dāng)如果在含有重疊代換片段的不同單片段代換系中同時(shí)檢測到某一性狀的QTL，則認(rèn)為該QTL位于重疊的代換片段上；如果在一個(gè)單片段代換系的代換片段上檢測到某一性狀的QTL，而在代換片段與其相互重疊的另一個(gè)單片段代換系中未檢測到，則認(rèn)為QTL位于非重疊的區(qū)間[44]。

1.2.7 基于雙片段代換系的目標(biāo)QTL間的上位性效應(yīng)分析 在特定環(huán)境下，受體日本晴、SSSL、SSSL和DSSL的遺傳模型分別為P=μ+ε、P=μ+a+ε、P=μ+a+ε和P=μ+a+a+I+ε，其中，P、P、P和P分別代表日本晴、SSSL、SSSL和DSSL的個(gè)體表型值，μ表示受體日本晴表型的平均值，a、a分別代表代換片段和中QTL（Q和Q）的加性效應(yīng)，I代表Q和Q之間a×a上位性效應(yīng)[45]。因此，以DSSL進(jìn)行兩代換片段QTL間上位性互作分析的原理為：假設(shè)H0：位于“”和“”代換片段的2個(gè)控制某一性狀的QTL（Q和Q）屬于獨(dú)立遺傳，可表示為“2+0=1+1”，使用IBM SPSS Statistics 25.0的TWO-WAY ANOVA和Duncan多重比較對(duì)日本晴、SSSL、SSSL和DSSL的每一性狀值進(jìn)行雙因素方差分析，當(dāng)Q的主體間效應(yīng)分析＜0.05時(shí)，表示代換片段具有控制某一性狀的QTL，當(dāng)Q的主體間效應(yīng)分析＜0.05時(shí)，表示代換片段具有控制某一性狀的QTL，當(dāng)Q×Q的主體間效應(yīng)分析＞0.05時(shí)，接受H0，表明這兩個(gè)QTL屬于獨(dú)立遺傳；當(dāng)＜0.05時(shí)，則拒絕H0，表明位于“”和“”代換片段的Q和Q間存在上位性效應(yīng)，且據(jù)遺傳模型，Q和Q之間的上位性效應(yīng)I=【（P+P）-(P+P)】[45]。

2 結(jié)果

2.1 Z481的穗部性狀分析

Z481株型與日本晴相似（圖1-A），穗形除易落粒外，也與日本晴相似（圖1-B）。與受體日本晴相比，Z481的粒長（圖1-C，E）、長寬比（圖1-G）、千粒重（圖1-H）、一次枝梗數(shù)（圖1-J）和二次枝梗數(shù)（圖1-K）的差異極顯著，分別比日本晴相應(yīng)性狀值增加20.5%、26.8%、11.2%、13.1%和29.7%；Z481的穗長（圖1-I）和每穗實(shí)粒數(shù)（圖1-L）差異顯著，分別比日本晴相應(yīng)性狀值增加4.8%和10.9%；Z481的粒寬比日本晴極顯著減少4.8%（圖1-D和圖1-F）。

2.2 穗部性狀在日本晴/Z481次級(jí)F2群體的頻率分布

根據(jù)日本晴/Z481構(gòu)建的次級(jí)F2群體的穗部性狀的頻率分布，粒長（圖2-A）、粒寬（圖2-B）、谷粒長寬比（圖2-C）、千粒重（圖2-D）、穗長（圖2-E）、一次枝梗數(shù)（圖2-F）、二次枝梗數(shù)（圖2-G）和每穗實(shí)粒數(shù)（圖2-H）仍然呈現(xiàn)不同偏態(tài)的正態(tài)分布，表明這些性狀仍由多基因控制，可以進(jìn)行QTL分析。

2.3 日本晴/Z481次級(jí)F2群體鑒定的水稻穗部性狀QTL

以日本晴/Z481構(gòu)建的次級(jí)F2分離群體鑒定出12個(gè)水稻穗部性狀QTL，分別為1個(gè)二次枝梗數(shù)QTL、1個(gè)每穗實(shí)粒數(shù)QTL、3個(gè)粒長QTL、2個(gè)粒寬QTL、3個(gè)長寬比QTL和2個(gè)千粒重QTL。分布于第1、3和6染色體的4個(gè)代換片段，解釋表型變異的貢獻(xiàn)率為4.15%—89.81%，其中，有6個(gè)是貢獻(xiàn)率大于10%的主效QTL（圖3和表1）。

與Z481的二次枝梗數(shù)性狀連鎖，分布于第6染色體的RM3330-RM7434代換片段，來自供體R225的等位基因使Z481的二次枝梗數(shù)增加2.32個(gè)，其對(duì)表型變異的貢獻(xiàn)率為10.55%。與Z481的每穗實(shí)粒數(shù)連鎖，分布于第6染色體RM3330-RM7434代換片段。Z481的粒長由2個(gè)主效QTL和1個(gè)微效QTL控制，分別分布于第1、3染色體代換片段和第6染色體RM6734-RM276代換片段，來自R225的等位基因、和分別使粒長增加0.12、0.20和0.10 mm，解釋了10.15%、26.70%和7.00%的表型變異。粒寬性狀由2個(gè)微效QTL控制，分布于第1和第3染色體的代換片段上，來自R225的等位基因和使Z481的籽粒寬度分別減少0.05和0.04 mm，解釋了9.30%和5.90%的表型變異?？刂乒攘ｉL寬比的3個(gè)主效QTL分別為、和，依次分布于第1、3染色體和第6染色體的RM6734-RM276代換片段，來自R225等位基因分別增加了0.16、0.11和0.06的谷粒長寬比，其對(duì)表型變異的貢獻(xiàn)率依次為89.81%、46.66%和11.25%。和與Z481的千粒重性狀連鎖，分布于第3染色體和第6染色體的RM6734-RM276代換片段，兩者的加性效應(yīng)分別為0.43和0.41 g，對(duì)粒重表型變異的貢獻(xiàn)率分別為4.66%和4.15%（圖3和表1）。

表1 日本晴/Z481的次級(jí)F2群體檢出的水稻穗部相關(guān)性狀QTL

GL：粒長；GW：粒寬；RLW：谷粒長寬比；GWT：千粒重；NSB：二次枝梗數(shù)；GPP：每穗實(shí)粒數(shù)。下同

GL: grain length; GW: grain width; RLW: ratio of grain length to width; GWT: 1000-grain weight; NSB: Number of secondary branches; GPP: Grain number per panicle. The same as below

在上述QTL中，發(fā)現(xiàn)一些QTL在同一代換區(qū)間呈簇狀分布，如和均鄰近于連鎖標(biāo)記RM3183，、和均鄰近于連鎖標(biāo)記RM5501，、、和均鄰近于連鎖標(biāo)記RM6266，及、和均鄰近于連鎖標(biāo)記RM276。這些簇狀分布的不同性狀QTL是否存在性狀相關(guān)呢？利用IBM SPSS統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)日本晴/Z481的構(gòu)建的次級(jí)F2分離群體的上述6個(gè)穗部性狀進(jìn)行了相關(guān)性分析。結(jié)果表明，谷粒長寬比（RLW）與粒長（GL）呈顯著正相關(guān)（=0.751**），與粒寬呈顯著負(fù)相關(guān)（=-0.699**）；千粒重（GWT）與粒長（=0.220*）和粒寬（=0.213*）均呈顯著正相關(guān)；每穗實(shí)粒數(shù)與二次枝梗數(shù)（NSB）（=0.876**）和谷粒長寬比（RLW）（=0.380**）均呈顯著正相關(guān)，與粒寬（GW）（=-0.423*）呈顯著負(fù)相關(guān)；二次枝梗數(shù)與谷粒長寬比呈顯著正相關(guān)（=0.345**），與粒寬呈顯著負(fù)相關(guān)（=-0.394**）（表2），表明這些簇狀分布的緊密連鎖QTL多數(shù)存在顯著的性狀相關(guān)性。

每條染色體左側(cè)為物理距離（Mb）和定位的QTL，右側(cè)為標(biāo)記名稱和代換長度（黑箭頭指向）。GL：粒長；GW：粒寬；RLW：谷粒長寬比；GWT：千粒重；NSB：二次枝梗數(shù)；GPP：每穗實(shí)粒數(shù)

2.4 次級(jí)片段代換系的選育及QTL的鑒定及加性和上位性效應(yīng)分析

2.4.1 次級(jí)單片段代換系和雙片段代換系選育 根據(jù)QTL定位結(jié)果，利用MAS在F3代共構(gòu)建了11個(gè)單片段代換系（SSSL，S1—S11）和3個(gè)雙片段代換系（DSSL，D1—D3），其中S1、S2、S3、S4含有第1染色體的代換片段，S3與S4有重疊代換區(qū)。S5、S6、S7含有第3染色體的相互重疊代換片段。S8、S9、S10、S11含有第6染色體的代換片段，其中S8與S9的代換片段存在重疊區(qū)，S10與S11的代換片段相互重疊。雙片段代換系D1含有第1和6染色體的代換片段，D2含有第3和6染色體的代換片段，D3含第3和6染色體代換片段（圖4-A）。

**顯著性水平為＜0.01，*顯著性水平為＜0.05 **Significance level at＜0.01, *Significance level at＜0.05

2.4.2 基于單片段代換系（S1—S11）的穗部相關(guān)性狀QTL鑒定及加性效應(yīng)分析 在11個(gè)SSSL中，總共檢測到41個(gè)QTL，其中8個(gè)QTL（、、、、、、和）同時(shí)能在上述F2群體中被檢測到，表明其遺傳穩(wěn)定；4個(gè)QTL（、、和）未能被相應(yīng)的單片段代換系驗(yàn)證，表明其可能易受到環(huán)境因素的影響較大。此外，33個(gè)QTL（、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、和）僅被11個(gè)單片段代換系檢測到，表明SSSL具有比F2群體更高的QTL檢測效率。

控制粒長的（=0.42 mm）、（=0.52 mm）、（=1.12 mm）、（=0.66 mm）、（=0.98 mm）、（=1.26 mm）、（=0.86 mm）、（=1.12 mm）、（=0.26 mm）和（=0.53 mm）分別位于單片段代換系S1、S2、S3、S5、S6、S7、S8、S9、S10和S11，其粒長均比日本晴顯著或極顯著增加，而沒有攜帶的S4與日本晴的粒長無顯著差異。此外，據(jù)代換片段重疊群定位原理，應(yīng)位于第6染色體RM3330--RM3183--RM7193代換區(qū)內(nèi)（圖4-A—B）。攜帶粒寬（=-0.16 mm）的單片段代換系S1、（=-0.08 mm）的S2（=-0.16 mm）的S3、（=-0.10 mm）的S4、（=-0.23 mm）的S5、（=-0.13 mm）的S6、（=-0.21 mm）的S7、（=-0.11 mm）的S9和（=-0.10 mm）的S11，其粒寬均比日本晴顯著或極顯著變窄，而不攜帶粒寬QTL的SSSLs（S8、S10）與日本晴的粒寬無顯著差異。此外，通過代換作圖原理，應(yīng)位于第1染色體RM6387--RM11734-- RM11762代換區(qū)間內(nèi)（圖4-A和圖4-C）?？刂乒攘ｉL寬比的（=0.22）、（=0.20）（=0.43）、（=0.08）、（=0.35）、（=0.37）、（=0.51）、（=0.27）、（=0.41）、（=0.09）和（=0.20）分別位于單片段代換系S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10和S11中，其谷粒長寬比均比日本晴顯著或極顯著增加。此外，通過代換作圖法，將精細(xì)定位于第1染色體RM6387--RM11734--RM11762代換區(qū)間，將定位于第6染色體RM3330--RM3183-- RM7193代換片段內(nèi)（圖4-A和圖4-D）。攜帶千粒重（=1.49 g）的單片段代換系S2（=2.72 g）的S3、（=1.83 g）的S6、（=3.18 g）的S7、（=3.39 g）的S8、（=3.58 g）的S9，其千粒重均比受體日本晴顯著或極顯著增加，而不攜帶千粒重QTL的SSSL（S1、S4、S5、S10、S11）與日本晴沒有顯著差異。此外，通過代換作圖法，將精細(xì)定位于第3染色體RM6266--RM15709--RM135代換區(qū)內(nèi)；將定位于第6染色體RM3330--RM3183--RM7193代換區(qū)段內(nèi)（圖4-A和圖4-E）。具有增加穗長加性效應(yīng)的來自供體親本R225的等位基因（=2.68 cm）、（=1.22 cm）和（=4.64 cm）分別位于單片段代換系S5、S6和S7，其穗長均顯著長于受體日本晴，而具有減少穗長加性效應(yīng)的來自供體親本R225的等位基因（=-1.17 cm）、（=-1.46 cm）和（=-1.89 cm）分別位于單片段代換系S9、S10和S11，其穗長顯著或極顯著短于日本晴，不攜帶穗長QTL的SSSL（S1、S2、S3、S4、S8）與日本晴穗長無顯著差異。此外，通過代換作圖法，將精細(xì)定位于第6染色體RM6734-- RM19478--RM276代換區(qū)段內(nèi)（圖4-A和圖4-F）。攜帶（=1.97）的單片段代換系S5、（=3.52）的S7、（=1.69）的S10和（=1.01）的S11，其一次枝梗數(shù)顯著或極顯著多于日本晴；攜帶（=-0.84）的S4和（=-0.92）的S9的一次枝梗數(shù)顯著或極顯著少于日本晴，不攜帶一次枝梗數(shù)QTL的SSSL（S1、S2、S3、S6、S8）與日本晴的一次枝梗數(shù)無顯著差異。此外，通過代換作圖法，將精細(xì)定位于第3染色體RM5864--RM6266--RM15709代換區(qū)段內(nèi)；將定位于第6染色體RM6734--RM19478--RM276代換區(qū)段內(nèi)（圖4-A和圖4-G）?？刂贫沃?shù)的（=7.02）、（=5.30）、（=9.98）、（=4.42）、（=16.17）（=13.91）（=8.82）分別位于單片段代換系S1、S3、S5、S6、S7、S10和S11，其二次枝梗數(shù)均比日本晴顯著增加，而沒有攜帶的SSSL（S2、S4、S8、S9）的二次枝梗數(shù)與日本晴無顯著差異。此外，S10和S11含有第6染色體相互重疊的代換片段，據(jù)重疊群代換作圖原理，應(yīng)位于第6染色體RM6734--RM19478--RM276這一重疊代換區(qū)域（圖4-A和圖4-H）。攜帶（=-18.59）的單片段代換系S2的每穗實(shí)粒數(shù)比日本晴顯著減少，而攜帶（=18.76）、（=17.34，=17.11）的S3、S5和S7的每穗實(shí)粒數(shù)顯著多于日本晴，沒有攜帶每穗實(shí)粒數(shù)QTL的SSSL（S1、S4、S6、S8、S9、S10、S11）的每穗實(shí)粒數(shù)與日本晴無顯著差異。此外，S5和S7含有第3染色體相互重疊的代換片段，據(jù)重疊群代換作圖原理，應(yīng)位于第3染色體RM5864--RM6266--RM15709這一重疊代換區(qū)域（圖4-I）。

2.4.3 基于雙片段代換系的目標(biāo)QTL間上位性效應(yīng)分析 粒長（=1.26）和（=0.86）聚合產(chǎn)生了-0.77的上位性效應(yīng)，據(jù)DSSL的遺傳模型，D2的粒長遺傳效應(yīng)為1.35 mm，使D2的粒長（8.73 mm）比含的S8（8.24 mm）和日本晴（7.37 mm）均顯著增長，而比含的S7的粒長（8.63 mm）雖有增長，但無顯著差異（圖4-B和表3）。（=0.97）和（=0.26）聚合產(chǎn)生了-0.61的上位性效應(yīng)，使D3的粒長在遺傳上增加0.62 mm，導(dǎo)致D3的粒長（7.98 mm）顯著長于日本晴（7.37 mm）和含的S10（7.63 mm）；但顯著短于含的S6的（8.34 mm）（圖4-B和表3）。粒長（a=0.86 mm）與第1染色體無粒長QTL的代換片段聚合產(chǎn)生了-0.43 mm的上位性效應(yīng)，使D1的粒長在遺傳上增加0.50 mm，表明第1染色體代換片段影響了的遺傳效應(yīng)，使D1的粒長（7.87 mm）顯著短于含的S8（8.24 mm），而長于日本晴（7.37 mm）和無粒長QTL的S4（7.44 mm）（圖4-B和表3）。

粒寬（=-0.10 mm）和無粒寬QTL的第6染色體RM5850--RM3330-RM3183--RM7193代換片段聚合產(chǎn)生了0.09 mm的上位性效應(yīng)，據(jù)DSSL的遺傳模型，D1的粒寬遺傳效應(yīng)為-0.05 mm，使D1的粒寬（3.40 mm）比日本晴（3.52mm）、無粒寬QTL的S8（3.48 mm）和含的S4（3.42 mm）均變窄一些，但差異均不顯著（圖4-C和表3）。粒寬（=-0.13 mm）和無粒寬QTL的第6染色體RM6734--RM19478--RM276代換片段聚合產(chǎn)生了0.13的上位性效應(yīng)，暗示D3的粒寬遺傳效應(yīng)為-0.04 mm，導(dǎo)致D3的粒寬（3.49 mm）與日本晴（3.52 mm）和無粒寬QTL的S10（3.49 mm）沒有顯著差異，但顯著高于含的S6（3.39 mm）（圖4-C和表3）。粒寬（=-0.21）和無粒寬QTL的第6染色體RM5850--RM3330-RM3183--RM7193代換片段在粒寬性狀的遺傳上屬于獨(dú)立遺傳（圖4-C和表3）。

谷粒長寬比（=0.08）和（=0.27）聚合產(chǎn)生了-0.18的上位性效應(yīng),據(jù)DSSL的遺傳模型，D1的長寬比遺傳效應(yīng)為0.17，使D1的谷粒長寬比（2.27）比日本晴（2.09）和含的S4（2.17）顯著增加，比含的S8（2.36）顯著減少（圖4-D和表3）。（=0.51）和（=0.27）聚合產(chǎn)生了-0.25的上位性效應(yīng)，則D2的谷粒長寬比遺傳效應(yīng)為0.53，導(dǎo)致D2的谷粒長寬比（2.63）比日本晴（2.09）和含的S8（2.36）顯著增加，而與含的S7（2.60）沒有顯著差異（圖4-D和表3）。（=0.37）和（=0.09）聚合產(chǎn)生了-0.26的上位性效應(yīng)，則D3的谷粒長寬比遺傳效應(yīng)為0.20，表明和的聚合使D3谷粒長寬比（2.29）顯著大于日本晴（2.09）和含的S10（2.19），但顯著小于含的S6（2.46）（圖4-D和表3）。

A：培育的SSSL（S1—S11）和DSSL（D1—D3）草圖；S：單片段代換系（SSSL）；D：雙片段代換系（DSSL）。B—I：粒長（B）、粒寬（C）等性狀的遺傳參數(shù)；圖柱頂端的底層不同小寫字母表示代換系間Duncan’s多重比較差異顯著（＜0.05）；：各系的平均值；a：QTL的加性效應(yīng)；：雙片段代換系的Q1和Q2間加性×加性上位性效應(yīng)，單片段代換系的＜0.05表示在代換片段上存在QTL，由單因素方差分析所得。雙片段代換系DSSL的＜0.05表示Q1×Q2存在上位性效應(yīng)，由雙因素方差分析所得。S1：RM11787--RM6950，RM5501--RM3825；S2：RM1268--RM11694--RM1216；S3：RM6648--RM6387-RM11734--RM11762；S4：RM6387--RM11734--RM11762；S5：RM5864--RM6266-15709；S6：RM6266--RM15709--RM135；S7：RM5864--RM6266-RM15709--RM135；S8：RM5850--RM3330-RM3183--RM7193；S9：RM3330--RM3183--RM7193；S10：RM6734--RM19478--RM276；S11：RM20522--RM6734-RM19478-RM276--RM3370；D1：RM6387--RM11734--RM11762，RM5850--RM3330- RM3183--RM7193；D2：RM5864--RM6266-RM15709--RM135，RM5850--RM3330-RM3183--RM7193；D3：RM6266--RM15709--RM135，RM6734-- RM19478--RM276

A: Sketch map of developed SSSL (S1-S11) and DSSL (D1-D3); S: SSSL; D: DSSL. B-I: Genetic parameters of grain length (B), grain width (C)Different small letters at bars top indicate a significant difference (＜0.05) among substitution lines as determined by Duncan’s multiple comparison.is the mean value of each line,adenotes the additive effect of QTL,denote the additive × additive epistasis effect between Q1 and Q2 in DSSL.＜0.05 in SSSL indicates that a QTL existed in the substitution segment of the SSSL, as determined by one-way ANOVA and LSD multiple comparison with Xihui 18;＜0.05 in DSSL indicates that epistasis effect of Q1 × Q2 existed in DSSL, as detected by two-way ANOVA. S1: RM11787--RM6950,RM5501--RM3825; S2: RM1268--RM11694--RM1216; S3: RM6648--RM6387-RM11734--RM11762; S4: RM6387--RM11734--RM11762; S5: RM5864--RM6266-15709; S6: RM6266--RM15709--RM135; S7: RM5864--RM6266-RM15709--RM135; S8: RM5850--RM3330-RM3183--RM7193; S9: RM3330--RM3183--RM7193; S10: RM6734--RM19478--RM276; S11: RM20522--RM6734-RM19478-RM276--RM3370; D1: RM6387--RM11734--RM11762, RM5850--RM3330-RM3183-- RM7193; D2: RM5864--RM6266-RM15709--RM135, RM5850--RM3330-RM3183--RM7193; D3: RM6266--RM15709--RM135, RM6734--RM19478-- RM276

圖4 次級(jí)單片段代換系和雙片段代換系培育及穗部相關(guān)QTL的加性和上位性效應(yīng)分析

Fig. 4 Development of secondary single segment substitution lines and double segment substitution lines and analysis of additive and epistasis effects of QTLs for panicle related traits

千粒重（=3.39 g）和無粒重QTL的第1染色體代換片段聚合產(chǎn)生了-3.92的上位性效應(yīng)，據(jù)DSSL的遺傳模型，D1的千粒重遺傳效應(yīng)為-0.53 g，使D1的千粒重（22.90 g）與日本晴（22.87 g）沒有顯著差異，表明第1染色體代換片段影響了的加性效應(yīng)，使其顯著小于含的S8千粒重（26.26 g）（圖4-E和表3）。（=3.18 g）和（=3.39 g）聚合產(chǎn)生了-5.46的上位性效應(yīng)，使D2的千粒重在遺傳上增加1.11g，導(dǎo)致D2的千粒重（23.98 g）顯著小于含的S7（26.05 g）和含的S8（26.26 g），但比日本晴（22.90 g）顯著增加（圖4-E和表3）。（=1.83 g）和無粒重QTL的第6染色體RM6734--RM19478-- RM276代換片段聚合產(chǎn)生了-1.52g的上位性效應(yīng)，使D3的千粒重在遺傳上增加0.31 g，結(jié)果使D3千粒重（23.65 g）與日本晴（22.90 g）和無粒重QTL的S10（23.34 g）沒有顯著差異，而顯著小于含的S6（24.70 g）（圖4-E和表3）。

穗長（=1.22 cm）和（=-1.46 cm）屬于獨(dú)立遺傳，據(jù)DSSL的遺傳模型，此時(shí)，和間無上位性互作效應(yīng)，則D3的穗長遺傳效應(yīng)為-0.24 cm，聚合的結(jié)果使D3的穗長（21.40 cm）顯著高于含的S10（19.46 cm），而與日本晴（20.92 cm）和含的S6（22.14 cm）無顯著差異（圖4-F和表3）。穗長（=4.64）和無穗長QTL的第6染色體RM5850--RM3330-RM3183-- RM7193代換片段聚合產(chǎn)生了-1.65 cm的上位性效應(yīng)，據(jù)DSSL的遺傳模型，則D2的穗長遺傳效應(yīng)為2.99 mm，聚合的結(jié)果使D2的穗長（24.54 cm）比日本晴（20.92 cm）和無穗長QTL的S8（21.55 cm）顯著增長、但與含的S7（25.56cm）的穗長無顯著差異（圖4-F和表3）。無穗長QTL的第1和第6染色體RM5850--RM3330-RM3183--RM7193代換片段聚合產(chǎn)生-3.41 cm的上位性效應(yīng)，使D1的穗長（17.85 cm）顯著短于日本晴（20.92 cm）、S4（20.62 cm）和S8（21.55 cm）（圖4-F和表3）。

表3 雙因素方差分析檢測DSSL中QTL間的上位性互作

PL：穗長；NPB：一次枝梗數(shù)；“-”表示在DSSL的相應(yīng)代換片段中沒有QTL。＜0.05表示DSSL代換片段中存在QTL加性效應(yīng)或QTL之間存在上位性效應(yīng)；＞0.05表示DSSL代換片段中沒有QTL加性效應(yīng)或QTL之間不存在上位性效應(yīng)

PL: Panicle length; NPB: Number of primary branches; “-” indicates no signifcant QTL in the according substitution segment of DSSL.＜0.05 indicates additive effects of QTL or epistatic effects between QTLs existed in substitution segments of DSSL; while＞0.05 indicates no additive effects of QTL or no epistatic effects between QTLs existed in substitution segments of DSSL

一次枝梗數(shù)（=3.52）和無該性狀QTL的第6染色體RM5850--RM3330-RM3183--RM7193代換片段聚合產(chǎn)生的上位性效應(yīng)為-1.53，據(jù)DSSL的遺傳模型，則D2的一次枝梗數(shù)遺傳效應(yīng)為1.99，使D2的一次枝梗數(shù)（12.32）比日本晴（10.91）和無該性狀QTL的S8（10.32）顯著增多，而比含的S7（14.43）顯著減少（圖4-G和表3）。一次枝梗數(shù)（=-0.84）和無該性狀QTL的第6染色體代換片段RM5850—RM3330—RM3183—RM7193屬獨(dú)立遺傳，據(jù)DSSL的遺傳模型，此時(shí)，D1的遺傳效應(yīng)由的加性效應(yīng)決定，為-0.84，從表型分析，D1的一次枝梗數(shù)（9.74）與含的S4（10.07）確實(shí)無顯著差異，但顯著短于日本晴（10.91）（圖4-G和表3）。（=1.69）與第1染色體代換片段也屬于獨(dú)立遺傳，D3的一次枝梗數(shù)（12.37）與含的S10（12.60）也無顯著差異，但顯著高于受體日本晴（10.91）（圖4-G和表3）。

二次枝梗數(shù)（=4.42）和（=13.91）聚合產(chǎn)生了-11.72的上位性效應(yīng)，據(jù)DSSL的遺傳模型，D3的二次枝梗數(shù)遺傳效應(yīng)為6.61，使D3的二次枝梗數(shù)（25.32）顯著大于日本晴（15.71），顯著小于含的S10（32.62），而與含的S6（23.15）無顯著差異（圖4-H和表3）。（=16.17）和無該性狀QTL的第6染色體RM5850-- RM3330-RM3183--RM7193代換片段聚合產(chǎn)生了-9.07的上位性效應(yīng)，則D2的二次枝梗數(shù)遺傳效應(yīng)為7.10，導(dǎo)致D2的二次枝梗數(shù)（27.69）顯著多于日本晴（15.71）和無該性狀QTL的S8（20.59），但顯著少于含的S7（34.85）（圖4-H和表3）。無該性狀QTL的第1染色體代換片段和第6染色體代換片段RM5850-- RM3330-RM3183--RM7193聚合產(chǎn)生-5.64的上位性效應(yīng)，使D1的二次枝梗數(shù)（16.51）顯著小于無該性狀QTL的S4（20.28）和S8（20.59），但與日本晴（15.71）無顯著差異（圖4-H和表3）。

每穗實(shí)粒數(shù)（=17.77）與無QTL的第6染色體RM5850--RM3330-RM3183--RM7193代換片段屬獨(dú)立遺傳，據(jù)DSSL的遺傳模型，此時(shí)，D2的遺傳效應(yīng)由的加性效應(yīng)決定，為17.77，從表型分析，D2的每穗實(shí)粒數(shù)（115.47）顯著高于日本晴（83.14）和無該性狀QTL的S8（88.85），而與含的S7（100.25）確實(shí)無顯著差異（圖4-I和表3）。無該性狀QTL的第1和第6染色體RM5850--RM3330- RM3183--RM7193代換片段，及第3和第6染色體RM6734--RM19478--RM276代換片段均屬于獨(dú)立遺傳，D1的每穗實(shí)粒數(shù)（78.00）、D3的每穗實(shí)粒數(shù)（78.59）與日本晴（83.14）均無顯著差異（圖4-I和表3）。

3 討論

3.1 Z481分離出的次級(jí)單片段代換系為水稻設(shè)計(jì)育種和相關(guān)基因的圖位克隆提供了重要遺傳材料

水稻穗部性狀大多屬于數(shù)量性狀遺傳，為了描述單個(gè)QTL的特征，必須將目標(biāo)QTL與其他座位分離以進(jìn)行QTL的孟德爾化，水稻染色體片段代換系的構(gòu)建和分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)的結(jié)合，為復(fù)雜性狀孟德爾化目標(biāo)QTL提供了基礎(chǔ)[45-47]。本研究利用含4個(gè)代換片段的CSSL-Z481與受體日本晴雜交構(gòu)建的次級(jí)F2群體共定位到12個(gè)水稻穗部相關(guān)性狀的QTL。其中，可使Z481在日本晴的遺傳背景下的二次枝梗數(shù)增加，可使Z481每穗實(shí)粒數(shù)增加，和及可使Z481籽粒變長，和使Z481籽粒變窄，、和使Z481籽粒長寬比增加，和使Z481的千粒重增加。進(jìn)一步在QTL定位的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了目標(biāo)QTL的11個(gè)次級(jí)單片段代換系（single segment substitution line，SSSL），并在這11個(gè)SSSLs中鑒定出41個(gè)水稻穗部性狀的QTL，其中，8個(gè)在F2群體中同時(shí)能被檢測到，33個(gè)僅被SSSL檢測到。已有研究表明，單片段代換系由于僅含有唯一1個(gè)來自供體親本的染色體片段，最大限度地純化了遺傳背景，降低了效應(yīng)較大QTL對(duì)效應(yīng)較小QTL的遮蓋作用，使一些微效QTL能夠更精確地被發(fā)現(xiàn)，相比初級(jí)分離群體具有更高的QTL檢測效率[48-49]。本研究用11個(gè)SSSLs可鑒定出比F2群體更多的QTL，進(jìn)一步驗(yàn)證了前人結(jié)論的正確性。同時(shí)，SSSL還可以進(jìn)一步對(duì)目標(biāo)QTL精細(xì)定位，確定單個(gè)QTL的精確位置并最終實(shí)現(xiàn)QTL的圖位克隆[38, 47]。尤其重要的是，SSSL鑒定的基因/QTL可直接應(yīng)用于育種工作，已有研究利用3個(gè)SSSLs將第6染色體的和與第3染色體的粒長和第8染色體的粒寬聚合育成了水稻華標(biāo)1號(hào)新品種（粵審稻2009033）[38]。因此，SSSLs已成為以重要性狀QTL鑒定為基礎(chǔ)的遺傳理論研究與作物育種間緊密銜接的良好平臺(tái)。從而本研究構(gòu)建的目標(biāo)QTL的11個(gè)次級(jí)單片段代換系將對(duì)水稻穗部性狀QTL的遺傳解析和分子設(shè)計(jì)育種具有重要意義。

3.2 與已報(bào)道基因（QTL）相比，qNSB1-1等15個(gè)可能為新鑒定的QTL

利用日本晴/Z481雜交的次級(jí)F2分離群體和進(jìn)一步分離出的11個(gè)次級(jí)單片段代換系共定位出45個(gè)水稻穗部性狀QTL。經(jīng)與已報(bào)道的相關(guān)QTL/基因相比對(duì)。呈簇狀分布的、、與連鎖標(biāo)記RM5501（34.50 Mb）鄰近，并且相關(guān)性分析表明這些QTL之間存在顯著性狀相關(guān)性，因此，這些QTL一因多效或緊密連鎖。在該代換區(qū)間內(nèi)檢索到1個(gè)控制水稻粒重和粒長的基因OsVQ4（34.36 Mb），與RM5501相距0.14 Mb。該基因編碼VQ-motif蛋白，OsVQ4的功能缺失增加粒重[50]。因此，OsVQ4可作為、、的候選基因（32.76 Mb）在、、、、、、的最大代換區(qū)間內(nèi)，其編碼一個(gè)包含PLUS3結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)，是OsmiR530直接靶標(biāo)，OsPIL15通過直接結(jié)合OsmiR530啟動(dòng)子中的G盒元件激活OsmiR530的表達(dá)，從而負(fù)調(diào)控水稻穗分枝和籽粒大小。OsPIL15-OsmiR530-OsPL3模塊對(duì)水稻高產(chǎn)育種有重要應(yīng)用價(jià)值[51]。因此，OsPL3可作為、、、、、、的候選基因。代換區(qū)qGL3、qGW3、qRLW3、qGWT3、qPL3、qNPB3、qGPP3與連鎖標(biāo)記RM6266（23.26 Mb）鄰近，其中qGL3、qGW3、qRLW3、qGWT3間存在顯著的性狀相關(guān)，可能緊密連鎖，該代換區(qū)間內(nèi)存在2個(gè)可調(diào)控水稻籽粒大小及產(chǎn)量的基因RGG1（24.26 Mb）和（25.05 Mb），RGG1通過參與細(xì)胞分裂素調(diào)控途徑，控制水稻籽粒大小[52]；編碼一個(gè)屬于蛋白磷酸酶PPKL家族的絲氨酸/蘇氨酸磷酸酶，通過調(diào)控細(xì)胞周期蛋白T1;3控制水稻籽粒大小和產(chǎn)量[53]，因此，RGG1和可作為qGL3、qGW3、qRLW3、qGWT3的候選基因。該代換區(qū)間還存在過表達(dá)和的轉(zhuǎn)基因株系推遲抽穗期，增加穗長及每穗粒數(shù)[54]因此，qPL3、qGPP3的候選基因。此外，qGL3、qRLW3、qGWT3、qPL3這4個(gè)QTL與沈文強(qiáng)等[55]和Sun等[56]鑒定的qGL3、qRLW3、qGWT3、qPL3相同，表明這4個(gè)QTL遺傳穩(wěn)定，同樣地，qNPB3也被Wang等[40]鑒定到，表明qNPB3也是可穩(wěn)定遺傳的QTL。代換區(qū)qGL3-2、qGW3-2、qRLW3-2和qGWT3-2與連鎖標(biāo)記RM15709（27.40 Mb）鄰近，該代換區(qū)間內(nèi)存在OsRGB1（26.41 Mb），Os編碼異三聚體G蛋白的一個(gè)亞基，在調(diào)節(jié)水稻籽粒大小和粒重方面起著重要作用。作為的下游基因與的啟動(dòng)子直接互作并激活其表達(dá)，進(jìn)而調(diào)控水稻籽粒發(fā)育和淀粉積累[57]。因此，Os可作為qGL3-2、qGW3-2、qRLW3-2、qGWT3-2的候選基因。成簇分布的qGL6-2、qGW6-1、qRLW6-2、qGWT6-2、qGPP6與連鎖標(biāo)記RM3183（12.30 Mb）鄰近，在該代換區(qū)間內(nèi)存在miR1871（13.33 Mb）,與RM3183相距1.03 Mb。研究表明，阻斷miR1871可以提高水稻產(chǎn)量[58]。因此，miR1871可作為、、、、qGPP6的候選基因。此外，qGPP6也被崔國慶等[59]檢測到，表明該QTL遺傳穩(wěn)定。（5.30 Mb）在、、、最大代換區(qū)間內(nèi)，調(diào)節(jié)水稻籽粒大小和粒重，模塊可能對(duì)培育高產(chǎn)水稻新品種具有重要意義[60]。因此，可作為、、、的候選基因。當(dāng)然這些基因是否是相關(guān)QTL的候選基因，還需要進(jìn)一步DNA測序和功能互補(bǔ)驗(yàn)證。盡管這些QTL可能與已報(bào)道的基因等位，但相比于用突變體鑒定的一些基因，用單片段代換系鑒定出的等位基因更有利于應(yīng)用于育種實(shí)踐。其余15個(gè)QTL（、、、、、、qNSB3、qPL3-2、qNSB3-2、qPL6-1、qNPB6-1、、、、）未見報(bào)道，可能為本研究新鑒定到的QTL。這些研究結(jié)果為目標(biāo)QTL進(jìn)一步的精細(xì)定位和克隆、并剖析其分子遺傳機(jī)制奠定了良好基礎(chǔ)。

3.3 了解QTL間的上位性效應(yīng)為選擇理想QTL進(jìn)行設(shè)計(jì)育種提供重要的遺傳信息

染色體雙片段代換系可以用于QTL間上位性互作效應(yīng)分析，對(duì)解析復(fù)雜性狀的遺傳和雜種優(yōu)勢意義重大[13-14, 16-17, 32]。本文在日本晴/Z481創(chuàng)建的衍生分離群體的QTL定位基礎(chǔ)上，選育了3個(gè)含對(duì)應(yīng)單片段的DSSL（D1、D2、D3），分析了粒長（、、、），粒寬（、、），長寬比（、、、、），千粒重（、），穗長（、、），一次枝梗數(shù)（、、），二次枝梗數(shù)（、、）等QTL間的加性和上位性效應(yīng)及其聚合基因型的表型。結(jié)果表明，同一性狀的不同QTL聚合后產(chǎn)生的上位性效應(yīng)不同，聚合效果也存在很大差異，如長粒（=1.26）和長粒（=0.86）聚合產(chǎn)生了負(fù)向的上位性效應(yīng)（=-0.77），聚合后使D2產(chǎn)生了比含的單片段代換系S7（8.63 mm）和含的S8（8.24 mm）的更長的籽粒（8.73 mm）。長粒（=0.97）和長粒（=0.26）聚合產(chǎn)生了-0.61的上位性效應(yīng)，聚合后使D3的粒長（7.98 mm）顯著長于含的S10（7.63 mm），但顯著短于含的S6的（8.34 mm）。Zhang等[16]在日本晴背景下聚合長粒（=0.30）和長粒（=0.13）產(chǎn)生了正向的上位性效應(yīng)（=-0.77），聚合后使D3產(chǎn)生了比含的單片段代換系S2（7.80 mm）和含的S3（7.46 mm）的更長的籽粒（8.67 mm）。大粒（=3.18）與大粒（=3.39）聚合產(chǎn)生的上位性效應(yīng)為-5.46，聚合后使D2的千粒重（23.98 g）顯著小于含的單片段代換系S7（26.05 g）和含的S8（26.26 g）。盡管從現(xiàn)象上看紛繁復(fù)雜，但從本質(zhì)上分析，這些結(jié)論是統(tǒng)一的，即2個(gè)QTL聚合后新基因型的表型取決于其遺傳效應(yīng)（加性和上位性效應(yīng)的代數(shù)和）與單個(gè)QTL加性效應(yīng)的比較，當(dāng)聚合后遺傳效應(yīng)大于其中任何一個(gè)單片段代換系上QTL的加性效應(yīng)時(shí)，新基因型的表型會(huì)更大；當(dāng)聚合后遺傳效應(yīng)小于其中任何一個(gè)QTL的加性效應(yīng)時(shí)，新基因型的表型會(huì)更?。划?dāng)聚合后遺傳效應(yīng)介于2個(gè)QTL的加性效應(yīng)之間時(shí)，新基因型的表型也介于2個(gè)單片段代換系間，即2個(gè)QTL聚合后的表現(xiàn)取決于加性與上位性效應(yīng)的代數(shù)和與單個(gè)QTL加性效應(yīng)的比較[14]。本研究進(jìn)一步證實(shí)了該結(jié)論的真實(shí)性，如二次枝梗數(shù)（=4.42）與（=13.91）聚合產(chǎn)生的上位性效應(yīng)為-11.72，在遺傳上使D3的二次枝梗數(shù)增加6.61，因6.61（4.42+13.91-11.72）介于2個(gè)單片段代換系加性效應(yīng)4.42和13.91之間，因而導(dǎo)致D3二次枝梗數(shù)（25.32）也介于含的單片段代換系S6（23.13）和含的S10（32.62）之間。因而，要進(jìn)行分子設(shè)計(jì)育種，必須首先了解目標(biāo)QTL的加性和上位性效應(yīng)，根據(jù)這一規(guī)律，育種家就可預(yù)測新聚合基因型的表型，因此，本研究結(jié)果為開展基于SSSL平臺(tái)的水稻分子設(shè)計(jì)育種提供了重要遺傳信息，對(duì)豐富水稻設(shè)計(jì)育種的理論和實(shí)踐有重要意義。

4 結(jié)論

以多片段的優(yōu)良染色體片段代換系與受體親本雜交構(gòu)建次級(jí)F2群體進(jìn)行重要性狀的QTL定位，并進(jìn)一步據(jù)F2單株基因型和表型利用MAS構(gòu)建目標(biāo)QTL的次級(jí)單片段代換系是分解數(shù)量性狀行之有效的方法之一。本文以含4個(gè)代換片段的優(yōu)良代換系Z481為材料共鑒定出45個(gè)水稻穗部性狀的QTL，并進(jìn)一步分解出11個(gè)次級(jí)單片段代換系和3個(gè)雙片段代換系，其中，15個(gè)QTL與前人研究相比是本研究新鑒定的QTL。而且，結(jié)果顯示單片段代換系具有比F2群體更高的QTL檢測效率。此外，利用SSSL和DSSL解析水稻穗部性狀QTL的加性效應(yīng)和上位性效應(yīng)的結(jié)果顯示，不同QTL聚合會(huì)產(chǎn)生不同的上位性效應(yīng)，這些遺傳信息對(duì)育種家進(jìn)行SSSL平臺(tái)的水稻分子設(shè)計(jì)育種非常必要。因而，與傳統(tǒng)用復(fù)雜統(tǒng)計(jì)軟件和初級(jí)作圖群體的QTL定位和上位性分析相比，本研究的創(chuàng)新性在于將這些QTL分解到了相應(yīng)的單片段代換系上，這些QTL的單片段代換系由于遺傳背景相同，為后續(xù)無論是新基因的圖位克隆，還是用于系統(tǒng)的分子設(shè)計(jì)育種工作提供了可靠的遺傳信息和育種材料。

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Analysis of QTLs and breeding of secondary substitution lines for panicle traits based on rice chromosome segment substitution line CSSL-Z481

LI RuXiang, ZHOU Kai, WANG DaChuan, LI QiaoLong, XIANG AoNi, LI Lu, LI MiaoMiao, XIANG SiQian, LING YingHua, HE GuangHua, ZHAO FangMing

Rice Research Institute, Southwest University/Academy of Agricultural Sciences, Southwest University/Engineering Research Center of South Upland Agriculture, Ministry of Education, Chongqing 400715

【】Food safety is key for ensuring national security. Rice is the staple food crop upon which people life depend. It is an important breeding target to improve its yield. Rice yield is composed of panicle number per plant, grain number per panicle and grain weight, among which grain weight relates closely to grain size and filling degree. However, these traits are controlled by multiple genes, and their genetic basis are complex. Chromosome segment substitution lines (CSSLs) can accurately dissect QTL for complex trait into a single Mendel’s factor, which is closely linked with the breeding work, so they are ideal materials for genetic research and breeding. 【】In the early stage, we fine-mapped a seed shattering geneusing a rice chromosome segment substitution line Z481 carrying four substitution segments, However, there are still some significant differences in the panicle traits between Z481 and its recipient parent Nipponbare. It is important to understand how to distribute for these QTLs controlling panicle traits on 4 substitution segments of Z481 and then to dissect them into single segment substitution lines (SSSLs) for map-cloning of target QTL in theory meaning and for rice breeding by design in application value.【】Here, the secondary F2population constructed by crossing Nipponbare with Z481 was used to map QTL for these traits by mixed linear model (MLM) method in SAS9.3 statictic shoftware (＜0.05), and then by MAS method to develop SSSLs and dual-segment substitution lines (DSSLs) in F3derived from 42 F2indiviuals according to their genotypes and phynotypes. Finally, the additive effect and epistasis effect of QTL were analyzed using these SSSLs and DSSLs by ONE-WAY ANOVA,TWO-WAY ANOVA, LSD and Duncan’s multiple comparasion (＜0.05) in IBM SPSS Statistics 25.0.【】12 QTLs controlling rice panicle traits are mapped from the secondary F2population constructed by Nipponbare/Z481, and 11 single segment substitution lines (S1-S11) and 3 dual-segment substitution lines (D1-D3) with each corresponding single substitution segment are developed. Among them, 8 QTLs (,,,,,,,) can be verified by 11 SSSLs, indicating that these QTLs are genetically stable. In addition, 33 QTLs such as,,. are only detected by 11 single segment substitution lines. Among them, 15 QTLs such asmight be novel QTLs identified in the study. Furthermore, the epistasis effect between non-allelic QTLs was analyzed by three DSSLs and corresponding SSSLs, the results showed that pyramid of different QTL produce various epistasis effect. For example, the pyramid of(=1.26) and(=0.86) yield epistasis effect of -0.77, according to the genetic model of DSSL, D2 with the genetic effect of 1.35 produce longer grain length than any of two SSSLs withor; the pyramid of(=3.18) and(=3.39) produce epistasis effect of -5.46, making the 1000-grain weight of D2 significantly smaller than that of the corresponding SSSLs due to its genetic effect of 1.11.【】In total 45 QTLs for rice panicle traits are deteted on the 4 substitution segments of Z481 and then further dissected into 11 secondary SSSLs. SSSL have higher efficiency for QTL detection than the F2population. The additive effect and epistasis effect of these QTLs detected by SSSL and DSSL are necessary for breeders to predict the phenotype of the designed genotype according to these genetic informations and then to screen favorable SSSLs to breed by design.

rice; panicle traits; QTL; chromosome segment substitution line; additive effect; epistasis effect

2022-11-13；

2022-12-23

國家自然科學(xué)基金（31871593）、重慶市水稻分子設(shè)計(jì)創(chuàng)新群體項(xiàng)目（cstc2021jcyj-cxttX0004）

李儒香，E-mail：17862667750@163.com。通信作者趙芳明，E-mail：zhaofangming2004@163.com

（責(zé)任編輯 李莉）