利用雙向導入系和重組自交系解析水稻加工品質的遺傳基礎

周海平 周 慧 馬國華 王成豹 張永鑫 徐秀如 邱先進 徐建龍

(1 溫州市農業科學研究院/浙南作物育種重點實驗室，浙江 溫州 325000；2 長江大學農學院，湖北 荊州 434025；3 中國農業科學院作物科學研究所，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]。稻米品質包括加工品質、外觀品質、蒸煮食味品質和營養品質，其中加工品質直接決定了稻米的商品價值。水稻加工品質包括糙米率、精米率和整精米率。人們食用的部分是水稻加工產品(包括糙米、精米和整精米)，提高水稻加工品質可增加加工產品的產量，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，水稻加工品質是水稻產量的最終體現，直接關系到稻米加工企業的利潤和農民的種糧收益[2]。

水稻加工品質的3個指標均為典型的數量性狀，受多基因控制，同時受環境影響。近年來，遺傳學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的數量性狀位點(quantitative trait locus，QTL)，這些QTL分布于水稻12條染色體上[2-14]。加工品質性狀為種子性狀，受到胚、胚乳和細胞質基因型的共同影響，因此水稻加工品質的遺傳基礎十分復雜，迄今大部分水稻加工品質的遺傳研究停留在QTL層面，只精細定位和克隆了影響水稻加工品質的2個基因：Ren等[15]利用臺中本地1號和春江06構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精細定位到39.5 kb區間，區間內包含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個液泡膜質子轉運焦磷酸酶；近等基因系考察發現Chalk5同時影響整精米率。

水稻加工品質除了受遺傳因素影響外，還受到環境影響，其中水稻灌漿期間的溫度和光照是影響加工品質最重要的環境因素。另外，QTL的表達也容易受遺傳背景的影響，例如Qiu等[13]利用272份秈稻種質資源在5個環境下定位到16個影響水稻加工品質的主效QTL，其中未檢測到在多個環境下穩定表達的QTL。Nelson等[9]利用以Cypress為共同親本構建的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，水稻加工品質主效QTL容易受遺傳背景和環境下影響[2]，這也給分子育種改良水稻加工品質帶來了巨大挑戰。

盡管目前有關水稻加工品質的QTL定位報道較多，但大效應的QTL仍然很少，而且加工品質的遺傳基礎及其受環境和遺傳背景的影響機制剖析不夠。鑒于此，本研究利用粳稻品種秀水09和秈稻品種IR2061構建了2套雙向導入系和1套重組自交系群體，在溫州和三亞兩個環境下考察了3套群體的加工品質，結合基因型信息定位影響水稻加工品質的主效QTL和上位性QTL，鑒定在不同環境和不同遺傳背景下穩定表達的主效QTL，以期為分子育種改良水稻加工品質提供基因資源。

1 材料與方法

1.1 導入系和重組自交系構建

本研究利用來自秀水09和IR2061構建的2套雙向導入系和1套重組自交系及雙親為材料[17]，秀水09是浙江省嘉興市農業科學研究院選育的高產粳稻品種，IR2061是國際水稻研究所選育的抗旱秈稻品種。其中秀水09背景導入系(XS09-ILs)包含132個家系，IR2061背景導入系(IR2061-ILs)包含110個家系，F7重組自交系包含157個家系。

1.2 材料種植與性狀考察

雙向導入系和重組自交系2020年6月15日播種于浙江省溫州市農業科學研究院試驗基地，25 d秧齡移栽。同年11月25日將IR2061背景導入系和重組自交系播種于海南省三亞市中國農業科學院作物科學研究所試驗農場，25 d秧齡移栽。兩個環境下所有材料均采用隨機區組設計，每個家系設置2次重復，每隔50個家系種植雙親作為對照。每個重復內，每個家系種植3行，每行10株。大田管理同當地常規大田管理，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。

首先準確稱取精選稻谷50 g，利用礱谷機(JLGJ-45，浙江省臺州市新恩精密糧儀有限公司)去掉谷殼，并準確稱取糙米的重量。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(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)。每次重復內每個家系測量2次，取2次的平均值，即為該重復內該家系的表型值，取2次重復的平均值作為該家系的表型值用于數據分析。

1.3 基因型分析和遺傳連鎖圖構建

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

1.4 數據分析

利用Statistica5.5軟件[1]分析加工品質性狀的描述統計和不同性狀間的相關性分析，利用IciMapping4.2軟件[18]定位主效QTL和上位性QTL，并進行QTL與環境互作分析，主效QTL定位閾值設定為2.5，上位性QTL定位閾值設定為5.0。

2 結果與分析

2.1 遺傳連鎖圖譜

利用重組自交系構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，標記間的平均距離為11.10 cM。秀水09背景導入系的平均背景回復率為90.15%，變幅為79.86%～98.61%；IR2061背景導入系的背景回復率平均為85.82%，變幅為54.14%～96.55%(圖1)。

2.2 親本及群體的加工品質表現

在溫州和三亞兩個環境下，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。雙向導入系和重組自交系群體的加工品質均表現為連續變異，且出現超親分離，表明糙米率、精米率和整精米率均為典型的數量性狀。其中雙向導入系的加工品質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境下的變異系數均小于10%，而整精米率的變異系數均大于10%，表明整精米率更易受環境影響。

表1 兩個環境下親本、雙向導入系和重組自交系的加工品質表現Table 1 Performance of milling quality traits of the parents, reciprocal introgression lines and recombinant inbred lines in two environments /%

圖1 雙向導入系中IR2061基因組成分的分布Fig.1 Frequency distribution of IR2061 genome in the reciprocal introgression lines

3個群體的加工品質不同性狀間的相關性見表2。除秀水09背景導入系在溫州環境下和重組自交系在三亞環境下的糙米率和整精米率無顯著相關關系，糙米率、精米率和整精米率均表現為顯著或極顯著正相關，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系數最高，糙米率和整精米率的相關系數最小，表明糙米率和精米率之間的相關性最強，糙米率和整精米率的相關性最弱。

2.3 加工品質主效QTL定位及其與環境互作

利用雙向導入系和重組自交系群體共定位到29個影響水稻加工品質的主效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，其他來源于秀水09的QTL等位基因提高加工品質。第3號染色體RM231～RM489區間和第9號染色體RM257～RM278區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區間存在同時影響糙米率和整精米率的QTL。

表2 兩環境下糙米率、精米率和整精米率之間的相關性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僅在溫州環境下檢測到，qHMRR1、qHMRR3.2、qHMRR5、qHMRR8、qHMRR9和qHMRR11僅在三亞環境下檢測到。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。第8號染色體RM80～RM458區間存在同時影響3個加工品質性狀的QTL，且在兩個環境下同時影響糙米率和精米率；第11號染色體RM457～RM254區間存在同時影響精米率和整精米率的QTL。qBRR8、qMRR8.2和qHMRR2存在環境互作，具體表現為與溫州環境互作降低加工品質，與三亞環境互作提高加工品質。

表3 雙向導入系和重組自交系定位到的影響水稻加工品質的主效QTL及其與環境的互作效應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背景導入系溫州環境下的加工品質；D～F為IR2061背景導入系兩環境下的加工品質；H～I為重組自交系兩環境下的加工品質。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 represent the milling quality traits of Recombinant Inbred Line population across two environments.圖2 三套群體兩環境下加工品質性狀的頻率分布圖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僅在溫州環境下定位到，其余3個QTL僅在三亞環境下表達。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。位于第7號染色體的RM432～RM11區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均與環境存在互作，具體表現為與溫州環境互作提高加工品質，與三亞環境互作降低加工品質。

2.4 加工品質上位性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個隨機位點的互作，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。未定位到在兩個環境下同時表達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

加工品質是典型的數量性狀，受多基因控制，同時受環境影響大。研究發現，大多數QTL的表達均受遺傳背景的影響。例如，Qiu等[1]利用秈稻三系恢復系明恢63和粳稻品種02428構建的雙向導入系定位到62個影響水稻外觀品質的主效QTL，僅有9個QTL在2個遺傳背景下穩定表達。此外，利用相同群體定位的24個影響產量相關性狀的QTL中[19]，僅16.7%的QTL在2個遺傳背景下被重復檢測到；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個遺傳背景下穩定表達[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號為受體構建了兩套導入系，共檢測到18和23個與苗期耐鹽性、35個與粒型和產量相關的主效QTL，其中兩套導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檢測到。本研究利用粳稻品種秀水09和秈稻品種IR2061構建的雙向導入系和重組自交系共定位到29個影響水稻加工品質的主效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定表達，占主效QTL的15.38%。此外，未檢測到在三套群體中均穩定表達的主效QTL。該結果與前人研究結果一致，表明水稻加工品質QTL檢測受遺傳背景影響極大。因此，將主效QTL應用于分子育種改良水稻加工品質時，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定表達的主效QTL，或最好利用分子育種群體進行QTL定位，將QTL與性狀的分子改良相融合，以提高復雜性狀分子改良的效率。

同樣地，前人發現加工品質性狀也極易受環境影響。Qiu等[13]在4個環境下考察了272份秈稻種質資源的加工品質，結果發現糙米率、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的主效QTL，但上述QTL都僅在一個環境下被定位到。胡霞等[25]利用測258和IR75862構建的導入系在兩個環境下定位到15個影響水稻加工品質的主效QTL，其中僅4個QTL在兩個環境下穩定表達，還有7個QTL與環境有互作效應。在本研究利用IR2061背景導入系和重組自交系定位到的21個影響水稻加工品質的主效QTL中，位于第8號染色體RM80～RM458區間的qBRR8和qMRR8.2在兩個環境下穩定表達，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%)與環境有互作效應。因此，應用于水稻加工品質分子育種時，應選擇在多個環境下穩定表達且無環境互作效應的QTL。總之，需針對性狀本身的特點，同時考慮影響該性狀的主效QTL及其與環境的互作效應，從而使標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構建的雙向導入系和重組自交系共定位到29個影響水稻加工品質的主效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境下定位到的相同或相近的加工品質性狀QTL，可能是影響加工品質的重要QTL，有待進一步精細定位和克隆。

此外，本研究定位到12個影響水稻加工品質的新的主效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。后續可針對上述QTL構建分離群體進行驗證和精細定位，為改良水稻加工品質的遺傳基礎提供更多有利基因。

提高加工品質不僅可以間接提高糧食產量，而且可以提高水稻的品質。解析水稻加工品質的遺傳基礎，利用分子育種將重要加工品質QTL導入到優良品種中，能有效地提高優良品種的加工品質，且保持優良品種的其他性狀。本研究利用粳稻品種秀水09和秈稻品種IR2061構建的兩套雙向導入系和一套重組自交系群體定位了29個影響水稻加工品質的主效QTL，其中秀水09等位基因的大部分QTL能提高加工品質。有6個QTL(qBRR7.1、qMRR6、qHMRR5、qHMRR7.1、qHMRR9和qHMRR11)在兩個遺傳背景下穩定表達，2個QTL(qBRR8和qMRR8.2)在兩個環境下被重復檢測到，說明這些QTL受遺傳背景和環境影響較小。此外，本研究還發現第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個區段均能提高加工品質。其中第8號染色體RM80～RM458在兩個環境下穩定表達，第9號染色體RM257～RM278不與環境互作。在IR2061背景導入系中，有17份和11份導入系在溫州和三亞環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份導入系在兩個環境下的整精米率超過55%，且背景回復率均超過85%。這5份導入系中，有2份導入系分別導入了第8號染色體RM80～RM458和第9號染色體RM257～RM278的秀水09片段，這兩份導入系在兩個環境的整精米率平均為60.01%和58.65%；1份導入系聚合了上述2個片段，在兩個環境的整精米率平均為65.67%，表明導入這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，且片段對提高整精米率具有累加效應。因此，通過分子標記輔助選擇導入或聚合這些QTL區段、來自粳稻秀水09的有利等位基因，改良秈稻的加工品質，可以取得理想的效果。

4 結論

本研究利用秀水09和IR2061為親本構建的雙向導入系和重組自交系共定位到29個影響水稻加工品質的主效QTL和20對上位性QTL，其中10個主效QTL與環境互作，6個QTL在兩個遺傳背景下穩定表達，2個QTL在兩個環境下被重復定位到，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境影響小的主效QTL，能夠為分子育種改良水稻加工品質提供有利的基因資源。