基于單片段代換系的水稻抽穗期QTL上位性互作分析

劉書旖等

摘要：抽穗期是水稻（Oryza sativa）重要的農(nóng)藝性狀，它決定著水稻品種的地區(qū)和季節(jié)適應(yīng)性。本試驗(yàn)利用以華粳秈74為受體親本發(fā)展的帶有抽穗期基因的15個(gè)單片段代換系為試驗(yàn)材料，通過兩兩雜交，篩選出15個(gè)不同親本組合的雙片段聚合系，結(jié)合分子標(biāo)記輔助選擇進(jìn)行水稻抽穗期QTL鑒定，并研究QTL的聚合及其互作關(guān)系。

關(guān)鍵詞：水稻；抽穗期基因；單片段代換系；基因聚合系；互作分析

中圖分類號：S511.035.3文獻(xiàn)標(biāo)識號：A文章編號：1001-4942（2015）03-0001-05

Epistasis Interaction Analysis of QTL for Heading

Date in Rice using Single Segment Substitution Lines

Liu Shuyi1，Zhang Hua2，Liu Xu2，Xuan Ning2，Yang Yongyi2，Li Jun2，Li Guangxian2，Yao Fangyin2*

（1.Shandong Normal University，Jinan 250014，China；

2. Bio-Tech Research Center，Shandong Academy of Agricultural Sciences，Jinan 250100，China）

AbstractHeading date is an important agronomic trait in rice（Oryza sativa），which decides the variety adaptability of cultivation areas and seasons. Taking 15 single segment substitution lines which developed from Huajingxian 74 and carryed heading date gene as materials，after crossing them in pairs，15 double segment pyramiding lines were selected to identify the quantitative trait loci（QTL） for heading date by marker-assisted selections，and the pyramiding and interacting effects of QTL were also studied.

Key wordsRice；Heading date gene；Single segment substitution lines；Genic pyramiding lines；Interaction analysis

抽穗期（Heading date， HD）決定著水稻品種的地區(qū)和季節(jié)適應(yīng)性，是水稻最重要的農(nóng)藝性狀之一，對品種的高產(chǎn)穩(wěn)定起著不可忽視的作用。水稻早熟基因的發(fā)現(xiàn)不僅解決了早熟與豐產(chǎn)難以兼顧的問題，而且對克服秈粳亞種間F超親遲熟有著重要作用[1]。因此，對水稻抽穗期基因定位、克隆、互作分析等方面的研究，對于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。抽穗期長短主要由品種的感光性（Photoperiod sensitivity， PS）、感溫性（Temperature sensitivity， TS）和基本營養(yǎng)生長性（Basic vegetative growth， BVG）決定[2]。抽穗期的遺傳由主效基因和微效基因共同控制，分析方法以分子標(biāo)記和統(tǒng)計(jì)分析方法為基礎(chǔ)[3]。近年來，水稻抽穗期QTL定位、克隆等研究取得了重大進(jìn)展，在多個(gè)群體中定位了大量水稻抽穗期QTL[4]。目前，國內(nèi)外定位了700多個(gè)抽穗期QTL（http//www.gramene.org/qtl/index.html），分布在水稻12條染色體上，其中第3、6、7染色體上較多，尤其是第3染色體上共定位了102個(gè)QTLs，而第10染色體上最少，只有22個(gè)。存在于不同位點(diǎn)上的QTL被檢測到的概率取決于自身的效應(yīng)大小，效應(yīng)較大的QTL被檢測到的概率較大[5]。

染色體單片段代換系（Single segment substitution lines， SSSLs）是采用連續(xù)回交的方法，結(jié)合分子標(biāo)記輔助選擇，將供體親本的染色體片段導(dǎo)入輪回親本建立起來的一套近等基因系。單片段代換系只有代換片段與受體親本不同，其它遺傳背景與受體親本完全一致，對代換區(qū)段中的QTL進(jìn)行分析時(shí)遺傳背景干擾很小，因此，單片段代換系是進(jìn)行上位性研究理想的試驗(yàn)材料。不少學(xué)者利用單片段代換系材料對QTL進(jìn)行了鑒定和精細(xì)定位，并克隆了一些重要性狀的QTL[6]。水稻抽穗期受主效基因與微效多基因控制，基因之間存在互作[7～9]。以染色體單片段代換系為試驗(yàn)材料，通過兩兩雜交與連續(xù)自交，構(gòu)建雙片段純合體株系，可以進(jìn)行水稻抽穗期QTL的上位性互作分析。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用15個(gè)單片段代換系均以華粳秈74為受體親本，代換片段來源于不同的供體，具體情況見表1。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1雙片段純合體篩選利用不同的單片段代換系配制雜交組合，將選育出的雜合雙片段聚合系在自然條件下進(jìn)行自交。根據(jù)華粳秈74與單片段代換系所在區(qū)間的引物多態(tài)性，進(jìn)行SSR檢測，根據(jù)基因型，篩選出已聚合為雙片段純合體的株系，為下一步試驗(yàn)做準(zhǔn)備。

1.2.2雙片段純合體代換片段長度的檢測采集篩選出的雙片段純合體嫩葉，采用TPS粗提法提取DNA。用代換片段區(qū)間上的多態(tài)性引物，以兩親本與華粳秈74為對照，檢測雙片段純合體中兩個(gè)代換片段的長度。endprint

1.3田間試驗(yàn)

將華粳秈74、選出的雙片段純合體及其親本于2014年4月28日播種，6月1日插秧。6月下旬開始進(jìn)行抽穗期調(diào)查，記錄單株抽穗期，以每株主穗抽出1 cm作為該株始穗的標(biāo)準(zhǔn)，以播種到始穗的天數(shù)作為抽穗期，每隔2～3天調(diào)查一次。

2結(jié)果與分析

2.1QTL的鑒定

根據(jù)抽穗期的數(shù)據(jù)可以確定單片段代換系上QTL的存在。若t檢驗(yàn)得出的閾值P≤10-6，則代換系抽穗期與華粳秈74存在顯著差異，認(rèn)為單片段代換系上有不同于華粳秈74效應(yīng)的QTL存在[10]。

加性效應(yīng)值=（純合SSSL的表型值-對照的表型值）/2

通過t檢測可知，15個(gè)單片段代換系上均存在有不同于華粳秈74效應(yīng)的QTL，并分別將其命名（表2）。

2.2雙片段純合體的篩選

2013年，通過對300個(gè)不同親本組合的雙片段雜合體株系自交獲得的后代進(jìn)行分子檢測，共篩選出20個(gè)不同親本組合的雙片段純合體株系。2014年種下篩選出的20個(gè)雙片段純合體株系，每個(gè)株系包括40個(gè)單株，取葉后提取DNA，對雙片段純合體中的兩個(gè)代換片段長度進(jìn)行檢測。

2.3雙片段純合體代換片段長度的檢測

利用代換片段內(nèi)具有多態(tài)性的引物，對20個(gè)不同親本組合的雙片段純合體代換片段長度進(jìn)行檢測。以2014年群體SY108為例，結(jié)果見表3。

由試驗(yàn)可得，SY108群體單株1～10含有與親本W(wǎng)Y35長度一致的代換片段，同理可驗(yàn)證，單株1～10含有與親本W(wǎng)Y32長度一致的代換片段。兩個(gè)代換片段均與親本代換片段長度相同的雙片段純合體株系共15個(gè)。

2.4QTL的互作分析

對篩選出的15個(gè)雙片段純合體株系進(jìn)行抽穗期QTL互作分析。華粳秈74的抽穗期天數(shù)為119±1.01。

株系SY004（WY6/WY9聚合系）抽穗天數(shù)是119±0.67，與華粳秈74相當(dāng)，而W22-03-10-9-11（t）上的QTL對其產(chǎn)生負(fù)加性效應(yīng)，W06-15-18-3-11上的QTL對其產(chǎn)生正加性效應(yīng)，W22-03-10-9-11（t）表現(xiàn)為早熟，W06-15-18-3-11表現(xiàn)為較晚熟，因此，qHD8-1對qHD3-1表現(xiàn)上位性。

株系SY016（WY11/WY17聚合系）抽穗天數(shù)是123±0.44，比華粳秈74晚抽穗，而W05-①-11-02-07-6和W5-36-61-9-4-13-8上的QTL均對其產(chǎn)生正加性效應(yīng)，W05-①-11-02-07-6表現(xiàn)為較晚熟，W5-36-61-9-4-13-8表現(xiàn)為晚熟，因此，qHD3-2對qHD8-2表現(xiàn)上位性。

株系SY027（WY17/WY18聚合系）抽穗天數(shù)是127±0.38，比華粳秈74晚抽穗，W06-15-18-3-11和W05-①-11-02-07-6上的QTL均對其產(chǎn)生正加性效應(yīng)，W06-15-18-3-11表現(xiàn)為晚熟，W05-①-11-02-07-6表現(xiàn)為較晚熟，因此，qHD3-2對qHD8-4表現(xiàn)上位性。

株系SY051（WY16/WY24聚合系）抽穗天數(shù)是112±0.89，比華粳秈74早抽穗，而W02-15-7-3上的QTL對其產(chǎn)生正加性效應(yīng)，W08-16-3-2上的QTL對其產(chǎn)生負(fù)加性效應(yīng)，說明qHD3-3對qHD8-3表現(xiàn)上位性。

株系SY053（WY18/WY24聚合系）抽穗天數(shù)是115±0.56，比華粳秈74早抽穗，而W06-15-18-3-11上的QTL對其產(chǎn)生正加性效應(yīng)，W08-16-3-2上的QTL對其產(chǎn)生負(fù)加性效應(yīng)，說明qHD3-3對qHD8-4表現(xiàn)上位性。

株系SY062（WY24/WY33聚合系）的抽穗天數(shù)是95±1.02，比華粳秈74早抽穗，而W08-16-3-2和W18-18-08-05-07上的QTL均對其產(chǎn)生負(fù)加性效應(yīng)，W08-16-3-2表現(xiàn)為較早熟，W18-18-08-05-07表現(xiàn)為早熟，因此，qHD1-1對qHD3-3表現(xiàn)上位性。

株系SY069（WY24/WY34聚合系）抽穗天數(shù)是95±0.89，比華粳秈74早抽穗，而W08-16-3-2和W22-03-10-9-11上的QTL均對其產(chǎn)生負(fù)加性效應(yīng)，W08-16-3-2表現(xiàn)為較早熟，W22-03-10-9-11表現(xiàn)為早熟，因此，qHD3-4對qHD3-3表現(xiàn)上位性。

株系SY070（WY24/WY65聚合系）抽穗天數(shù)是109±0.69，比華粳秈74早抽穗，而W08-16-3-2上的QTL對其產(chǎn)生負(fù)加性效應(yīng)，W22-9-5-2-4-9-3上的QTL對其產(chǎn)生正加性效應(yīng)，說明qHD3-3對qHD10-1表現(xiàn)上位性。

株系SY083（WY16/WY32聚合系）抽穗期天數(shù)是110±0.87，比華粳秈74早抽穗，而W02-15-7-3上的QTL對其產(chǎn)生正加性效應(yīng)，W13-30-49-02-11-8上的QTL對其產(chǎn)生負(fù)加性效應(yīng)，說明qHD11-1對qHD8-3表現(xiàn)上位性。

株系SY092（WY6/WY33聚合系）抽穗期天數(shù)是105±1.05，比華粳秈74早抽穗，而W22-03-10-9-11（t）與W18-18-08-05-07上的QTL均對其產(chǎn)生負(fù)加性效應(yīng)，兩親本與聚合系抽穗期天數(shù)相同，因此，qHD3-1與qHD1-1沒有疊加效應(yīng)。

株系SY097（WY24/WY33聚合系）的抽穗天數(shù)是95±0.89，比華粳秈74早抽穗，而W08-16-3-2和W18-18-08-05-07上的QTL均對其產(chǎn)生負(fù)加性效應(yīng)，W08-16-3-2表現(xiàn)為較早熟，W18-18-08-05-07表現(xiàn)為早熟，因此，qHD1-1對qHD3-3表現(xiàn)上位性。

株系SY106（WY34/WY60聚合系）抽穗期天數(shù)是105±1.21，比華粳秈74早抽穗，而W22-03-10-9-11上的QTL對其產(chǎn)生負(fù)加性效應(yīng)，W15-3-1-38上的QTL對其產(chǎn)生正加性效應(yīng)，說明qHD3-4對qHD8-5表現(xiàn)上位性。endprint

株系SY108（WY32/WY35聚合系）抽穗期天數(shù)是95±0.98，比華粳秈74早抽穗，而W13-30-49-02-11-8上的QTL對其產(chǎn)生負(fù)加性效應(yīng)，W23-03-08-9-1上的QTL對其產(chǎn)生正加性效應(yīng)，說明qHD11-1對qHD3-5表現(xiàn)上位性。

株系SY118（WY35/WY61聚合系）抽穗天數(shù)是132±0.36，比華粳秈74晚抽穗，而W23-03-08-9-1和W17-10-5-5-35-9-2上的QTL均對其產(chǎn)生正加性效應(yīng)，W23-03-08-9-1和W17-10-5-5-35-9-2均表現(xiàn)為晚熟，聚合系表現(xiàn)為更晚熟，因此，qHD3-5和qHD6-1對抽穗期有疊加效果。

株系SY137（WY18/WY75聚合系）抽穗期天數(shù)是107±0.57，比華粳秈74早抽穗，而W06-15-18-3-11上的QTL對其產(chǎn)生正加性效應(yīng)，W23-03-08-9-1上的QTL對其產(chǎn)生負(fù)加性效應(yīng)，說明qHD3-6對qHD8-4表現(xiàn)上位性。

3結(jié)論

水稻具有高效的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)和高密度的遺傳圖譜和物理圖譜[11，12]。本試驗(yàn)以田間調(diào)查數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室分子標(biāo)記為基礎(chǔ)，從300組雙片段雜合體株系中篩選出20個(gè)不同親本組合的雙片段純合體，并對雙片段純合體中兩個(gè)代換片段長度進(jìn)行檢測，與親本代換片段長度相同的有15個(gè)。經(jīng)上位性分析，得出雙片段純合體中兩個(gè)相應(yīng)QTL的上位性互作關(guān)系。該試驗(yàn)通過對水稻抽穗期QTL的互作分析，為其精細(xì)定位、分子標(biāo)記輔助選擇育種、基因克隆和轉(zhuǎn)移、數(shù)量性狀有利基因聚合等奠定基礎(chǔ)。

致謝：本試驗(yàn)是在山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究中心姚方印研究員實(shí)驗(yàn)室完成的。首先感謝姚方印老師、李廣賢博士、張華博士、楊永義博士、柳絮助理研究員的悉心指導(dǎo)，同時(shí)感謝山東師范大學(xué)的支持，以及實(shí)驗(yàn)室同學(xué)們的關(guān)心幫助。

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