2007-低磷胁迫下水稻产量性状变化及其QTL 定位
作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2008, 34(7): 1137?1142
https://www.wendangku.net/doc/336744040.html,/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9
E-mail: xbzw@https://www.wendangku.net/doc/336744040.html,
基金项目: 国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2006AA10Z158, 2006AA100101); 国家科技支撑计划项目(2006BAD13B01); 引进国际先进农业科学技术计划(948计划)项目[2006-G1(B)]；山东省中青年科学家科研奖励基金项目(620632)
作者简介: 穆平(1971–), 男, 山东博兴人, 博士, 副教授。
*
通讯作者(Corresponding author): 李自超, Tel: 010-********; E-mail: lizichao@https://www.wendangku.net/doc/336744040.html,
Received(收稿日期): 2007-11-26; Accepted(接受日期): 2008-02-19.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2008.01137
低磷胁迫下水稻产量性状变化及其QTL 定位
穆 平1,2 黄 超1 李君霞1 刘立峰1 刘弋菊1 李自超1,*
(1中国农业大学农业部作物基因组学与遗传改良重点实验室 / 北京市作物遗传改良实验室, 北京100094; 2青岛农业大学生命科学学院, 山东青岛266109)
摘 要: 为研究低磷胁迫对水稻产量及其构成因素QTL 表达的影响, 以耐低磷旱稻IRAT109和磷敏感水稻越富杂交的116个株系的DH 群体为材料, 在低磷和正常栽培条件下, 调查了千粒重、结实率、有效穗数、穗粒数及单株产量等性状。结果表明, 结实率、有效穗数和单株产量对低磷胁迫的敏感性较大, 而千粒重、穗粒数对低磷胁迫的敏感性较小。利用水稻分子连锁图中94个RFLP 标记和71个SSR 标记, 依据以上5性状低磷胁迫下与对照的差值进行QTL 定位。共检测出17个QTL, 其中12个对表型变异的贡献率大于10%。3、6和7号染色体上3个标记区域存在QTL 成簇分布, 这些高贡献率QTL 及成簇分布QTL 可作为水稻耐低磷产量性状分子育种的重要候选区域。 关键词: 水稻; 低磷胁迫; 产量性状; QTL
Yield Trait Variation and QTL Mapping in a DH Population of Rice under Phosphorus Deficiency
MU Ping 1,2, HUANG Chao 1, LI Jun-Xia 1, LIU Li-Feng 1, LIU Ui-Ju 1, and LI Zi-Chao 1,*
(1 Key Laboratory of Crop Genomics and Genetic Improvement, Ministry of Agriculture / Beijing Key Laboratory of Crop Genetic Improvement, China Agricultural University, Beijing 100094; 2 College of Life Science, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, Shandong, China)
Abstract : To study the difference of QTLs for rice yield and its component traits under different phosphorus applications, a
DH (doubled haploid) population including 116 lines, derived from a cross between phosphorus deficiency tolerant rice IRAT109 and phosphorus deficiency sensitive rice Yuefu, was evaluated for yield per plant (YP) and its components including 1000-grain weight (GW), seed-setting percentage (SP), panicle number per plant (PN), and grain number per panicle (GN) under phosphorus deficiency and normal conditions. No significant differences were found in GW and GN but significant differ-ences were found in SP, PN, and YP for the DH population between the two conditions. This result indicted that SP, PN, and YP were more easily influenced by phosphorus deficiency than GW and GN. A total of seventeen QTLs were detected for plant yield and its components under phosphorus deficiency using the constructed molecular linkage map (including 94 RFLP and 71 SSR markers and covering 1 535 cM). Among them, there were twelve QTLs with general contributions of over 10% to pheno-typic variation. Three tightly linked QTL regions on chromosomes 3, 6, and 7 were identified. These QTLs with high general con-tribution and tightly linked QTL regions might be useful for phosphorus deficiency tolerant and high yielding rice breeding by molecular marker assisted selection.
Keywords: Rice; Low-phosphorus deficiency; Yield trait; QTL
磷是植物的必需营养元素。我国有半数以上的耕地缺磷[1], 生产中经常大量施用磷肥以保证粮食产量。近年来, 环境保护和高效绿色农业的需要推动磷胁迫条件下作物形态、生理生化的研究日益加
强[1-2]。Fageria 等[3]对20种陆稻的研究表明, 植株干物重及含磷量不仅与土壤磷含量, 而且与基因型的差异有关。水稻的根系、有效穗数等性状可作为耐低磷胁迫的形态指标[4-8]。
在耐低磷胁迫基因定位
1138作物学报第34卷
方面, Su等[9]以小麦DH (doubled haploid) 群体为材料, 以有效穗数、茎干重等为耐低磷指标, 定位了39个相关QTL(quantitative trait loci)。Zhu等[10]以根系为指标定位了玉米耐低磷QTL。Shimizu等[11]、Ni等[12]和Wissuwa等[13-14]分别以根系、有效穗数和结实率为指标, 在水稻上定位了与耐低磷相关的QTL。低磷胁迫对水稻产量有较大影响, 有的产量构成因素, 如有效穗数本身就可作为耐低磷胁迫的指标[6,15]。有关低磷胁迫对水稻产量及其相关性状的影响以及相应性状QTL的研究却鲜有报道。本文首先研究低磷胁迫对产量及其构成因素的影响, 并进行QTL定位, 为水稻磷高效、高产育种和分子标记辅助选择提供基础。
1材料与方法
1.1试验材料及田间种植
粳稻品种IRAT109和越富杂交F1代, 经花药培养获得DH群体116个株系。其亲本IRAT109具有较好的耐低磷性, 耐低磷等级为1级; 越富为典型磷敏感品种, 耐低磷等级为9级[6]。
所有DH系及其亲本均于2002年5月7日在北京西郊中国农业大学试验站播种, 旱田种植。试验土壤为潮褐土, 地力均匀, 含碱解氮0.030%、速效磷19.19 mg kg?1(Olsen法)、速效钾85.51 mg kg?1。设施磷(对照)和不施磷(低磷)两个处理, 2次重复, 随机排列。各处理均施纯氮200 kg hm?2(以尿素形态施入)、K2O 100 kg hm?2、P2O5 90 kg hm?2(对照区以KH2PO4形态施入, 低磷区施入KCl, 不施磷肥), 磷肥和钾肥全部作为基肥施用, 氮肥50%作为基肥, 另50%作为追肥在分蘖期施用。采用单粒点播, 每株系种1行, 每行30株, 种植密度为30 cm × 5 cm。全生育期灌水2~3次, 每次灌水量约50 mm, 总灌溉量(包括降雨)约500 mm。
1.2考察指标与数据分析
成熟时每行收获除边株外5株, 考察千粒重、结实率、有效穗数、穗粒数及单株产量。其中千粒重、结实率、有效穗数、穗粒数均为每株主茎和分蘖的平均值。采用SPSS(11.0)软件进行数据分析。
1.3分子标记连锁图谱的构建
利用RFLP(restriction fragment length polymor-phism)和SSR(simple sequence repeat)标记, 构建该DH群体的分子标记连锁图谱。按CTAB法提取总DNA[16]。按McCouch等的方法进行酶切、Southern 杂交[17]。用Eco R I、Eco R V、Hin d III、Dra I、Bam H I五种限制性内切酶消化DNA, RFLP探针由日本国立农业资源研究所水稻基因组计划(RGP)惠赠。根据Temnykh等[18]发表的序列合成SSR引物。PCR扩增反应体系为20 μL, 包括30 ng DNA模板, 1 U Taq DNA聚合酶, 2 μL 10×缓冲液, 2 pmol引物。PCR扩增程序为94℃预变性5 min, 94℃变性1 min, 54~58℃退火1 min, 72℃延伸2 min, 30个循环, 72℃保温 10 min, 扩增产物加10 μL变性缓冲液, 在95℃下变性5 min后迅速用冰冷却, 然后在8%聚丙烯酰胺凝胶上电泳2 h, 用银染法进行染色。采用MAPMAKER/EXP3.0软件构建分子标记连锁图, 165个标记的水稻连锁图覆盖水稻基因组1 535 cM, 标记间平均间距为9.3 cM。
1.4QTL定位
采用混合线性模型复合区间作图法, 及QTL- Mapper 2.0软件对DH群体的产量及其相关性状低磷胁迫与对照的差值进行QTL定位分析, 以概率值小于0.005作为判断QTL存在的标准[19-20]。为了体现胁迫与对照之间的差异, 采用该差值作为QTL定位的数据, 进行耐低磷QTL定位。为进一步比较耐低磷与耐旱性之间的关系, 将本研究检测到的耐低磷QTL与前期利用同一群体检测到的以产量相关性状为指标的耐旱QTL[21]同时标注在分子标记连锁图上, 比较耐低磷QTL与耐旱QTL间的关系。
2结果与分析
2.1DH群体及亲本的表型值
表1显示, 两亲本的单株产量在低磷和对照条件下都存在极显著差异, 在低磷条件下磷高效亲本IRAT109的单株产量为对照的79%, 而磷敏感亲本越富仅为对照的47%。从产量构成因素看, 低磷胁迫对IRAT109的千粒重、结实率和穗粒数影响不显著, 对有效穗数影响达显著水平, 所以产量降低主要是有效穗数的降低; 而越富的4个产量构成因素对低磷胁迫的反应均达显著或极显著水平。
在低磷条件下, DH群体的结实率、有效穗数、及单株产量均值均低于对照。群体各性状变异范围均表现超亲变异, 说明产量及其相关性状在群体间有广泛分离。其中单株产量降低程度最大。方差分
第7期
穆 平等: 低磷胁迫下水稻产量性状变化及其QTL 定位 1139
表1 不同磷处理的DH 群体及其亲本产量及相关性状的表现
Table 1 Phenotypic values of yield and its components traits of DH lines and the parents under different conditions DH 群体DH lines
性状 Trait 处理 Treatment IRAT109
F 值
F-value 越富 Yuefu F 值 F-value
平均值Mean
SD
偏度 Skweness 峰度 Kurtosis 范围 Range
F 值 F-value
低磷 ?P 30.10 17.50 24.14 3.20 0.06 ?0.15
5.90–31.70 千粒重 GW (g)
对照 N
31.70 2.13 21.20 9.67* 24.41 3.84 ?1.07
3.40 16.50–32.20 0.319
低磷 ?P 0.82 0.87 0.74 0.19 ?1.29
0.84 0.15–0.95 结实率
SP
对照 N
0.83 0.47 0.90 10.33*
0.79 0.17 ?2.30
6.30 0.22–0.98 6.390*
低磷 ?P 4.00 2.00 2.80 5.18 1.44 3.94 1.60–8.20
有效穗数
PN
对照 N
5.60
8.47*
3.80 7.58*
4.93 7.95 0.79 1.17 2.30–10.40 17.010**
低磷 ?P 97.30 68.30 93.35 25.95 0.81 2.23 30.50–162.00
穗粒数
GN
对照 N
99.20 3.58 72.60
11.21**
95.94 22.36 0.41 0.79 32.20–192.00 0.186
低磷 ?P 8.40 3.10 5.62 14.00 1.18 3.65 0.82–13.15
单株产量
YP (g)
对照 N 10.60
10.42**
6.60 34.67** 11.02 21.50 0.01 0.56 1.04–18.67 21.760***
: 处理间差异显著; **: 处理间差异极显著。
*
: significant at P <0.05 between the two treatments. **: significant at P <0.01 between the two treatments. GW: 1000-grain weight, SP:
seed-setting percentage, PN: panicle number per plant, GN: grain number per panicle, YP: yield per plant. ?P: phosphorus deficiency; N: phosphorus normal (control).
析表明, 结实率、有效穗数和单株产量在两种条件下差异显著或极显著, 千粒重、穗粒数差异不显著, 说明结实率、有效穗数和单株产量对低磷胁迫较敏感, 而千粒重、穗粒数对低磷胁迫的敏感性较小。两种条件下各性状在群体中分离广泛, 适于QTL 定
位分析。
2.2 磷胁迫条件下产量及其构成因素QTL 分析
磷胁迫条件下5个性状共检测到17个QTL, 对表型变异的贡献率为 2.65%~20.78%, 其中12个QTL 对表型变异的贡献率大于10%(表2, 图1)。与
表2 磷胁迫条件下检测到的产量及其构成因素的QTL
Table 2 QTLs associated with yield and its component traits under phosphorus deficiency condition
性状 Trait QTL 区间 Interval
位置 Site (cM) 1)
效应 Effect 2)
LOD
贡献率 H 2A (%) 3)
千粒重GW
qGW3 R2247–C746 14 ?2.680 5.13 14.38
qSP5 R569–RM267 0 0.078 3.89 16.48 qSP2 RM341–RM208 14 ?0.059 3.62 11.50
qSP3 RM231–RM175 12 0.045 3.13
6.79
qSP6 RM314–RM253 4 ?0.042 3.33 5.86 结实率SP
qSP11
OSR1–RM202 8 ?0.066
4.91 14.32
qPN7 OSR22–RM11 0 ?2.980 4.08 17.82 qPN10 RM216–C1369 4 ?2.530
4.32 17.35
有效穗数PN
qPN12
RM270–RM235 2 2.780 3.12 18.43
qGN3 G51–RM231 0 7.510 3.02
2.65
qGN4 C107–C734 2 ?10.930
3.58 5.62 qGN6 OSR21–G2028 18 10.340 3.91 20.78 穗粒数GN qGN7
R1488–C1008 0 17.090 4.38 13.47
qYP2 RM208–RM48 0 ?0.376 3.68 4.77 qYP3 C746–R3226 2 ?4.650 4.14 11.43 qYP6 G2028– RM276
2
0.389
4.53
13.55
单株产量YP qYP7
OSR22–RM11 2 0.062 3.83 11.23
1)
左边标记到QTL 的遗传距离; 2) QTL 负值表示越富等位基因降低性状值; 3) H 2A 表示QTL 贡献率。符号缩写同表1。
1)
The distance from the left marker to the putative QTL. 2) The negative value indicates that the Yuefu allele has a negative effect on the trait. 3)
H 2A is the total contribution from additive QTL. Abbreviations as in Table 1.
1140
作 物 学 报 第34卷
图1 耐低磷及耐旱条件下水稻产量及其相关性状QTL 在染色体上的位置
Fig. 1 Map locations of QTLs associated with yield and its components in rice under phosphorus deficiency and drought stress conditions
Abbreviations as in Table 1.
千粒重有关的QTL 1个, 其LOD 值为5.13, 贡献率达14.38%; 与结实率相关的QTL 5个, 其中qSP2、qSP5和qSP11对表型变异的贡献率大于10%; 与有
效穗数相关的QTL 3个, 其贡献率均大于17%, 其中qPN10和qPN12的效应方向相反; 与穗粒数相关的QTL 4个, 其中qGN6和qGN7具有较高的贡献率,
第7期穆平等: 低磷胁迫下水稻产量性状变化及其QTL定位1141
亲本IRAT109在该位点对穗粒数有正向作用; 与单株产量相关的QTL 4个, 分别位于2、3、6和7号染色体上, 贡献率为 4.77%~13.55%, 其中qYP3、qYP6和qYP7 的贡献率大于10%, 亲本IRAT109在qYP6和qYP7位点对单株产量有正向作用。
综上结果, 磷胁迫条件下产量及其相关性状QTL分布在除1、8、9号染色体外的其他9条染色体上, 并且一些产量相关性状的QTL成簇分布。其中3号染色体上C746附近控制千粒重的QTL qGW3与控制单株产量的QTL qYP3, 6号染色体RM276~ RM253区域控制结实率的QTL qSP6与控制单株产量QTL的qYP6, 7号染色体上OSR22~RM11区域控制有效穗数的QTL qPN7与控制单株产量的QTL qYP7存在成簇分布现象。这3个区域可作为水稻耐低磷产量性状分子育种的重要候选区域。
3讨论
当水稻生长在缺磷条件下时, 表现为根长增加, 有效穗数减少, 而且不同品种间存在明显差异[1]。本试验中, 磷胁迫下有效穗数降低主要是由于根量的降低。从研究结果看, 磷高效材料可通过较高的有效穗数来保持相对较高的产量。同时由于低磷条件下结实率也有较显著变化, 因此结合有效穗数和结实率才能选到磷高效、高产的材料。
另外, 根据本研究结果结合前期研究[6]发现水稻耐低磷与耐旱性之间有一定的相关性。本研究检测到的耐低磷QTL与前期利用同一群体旱田条件下的产量性状QTL[21]比较(图1), 6号染色体RM276~ RM253、7号染色体OSR22~RM11、10号染色体RM311~RM216及11号染色体OSR1~RM202标记区域的QTL在低磷和旱田条件下都被检测到, 说明这些QTL是在不同条件下控制产量及其相关性状的重要QTL, 也是耐低磷与耐旱相关性的遗传基础。在旱稻产量性状分子育种中可优先选择与这些QTL紧密连锁的分子标记进行标记辅助选择, 可同时对磷高效和抗旱性进行选择, 以提高选择效率。
比较本研究前人的QTL定位结果, 对有效穗数, 位于6号染色体上的QTL(qSP6)与Ming等[22]和Wissuwa等[13]定位的区域相近, 10号染色体上的QTL (qPN10)与明凤等[19]定位的位置相近, 12号染色体上的QTL(qPN12)与Wissuwa等[13]定位的位置相近。说明这3个QTL是水稻磷高效的重要QTL, 在水稻磷高效育种中可选用与这些QTL紧密连锁的分子标记进行分子标记辅助选择, 以提高选择效率。
4结论
结实率、有效穗数和单株产量对低磷胁迫的敏感性较大, 而千粒重、穗粒数的敏感性较小。3号染色体C746、6号染色体RM276~RM253、7号染色体OSR22~RM11等区域QTL存在成簇分布现象。这3个区域可作为水稻耐低磷产量性状分子育种的重要候选区域。
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