水稻叶片水势的QTL定位与候选基因分析

为探究叶片水势(LWP)相关基因在水稻(Oryza sativa)抗旱中的作用及其遗传机制, 以热研2号(Nekken2)和华占(HZ)为亲本以及构建的120个重组自交系(RILs)群体为实验材料, 对水稻分蘖期叶片水势进行检测, 并利用前期基于高通量测序构建的分子遗传连锁图谱进行数量性状基因座(QTL)分析。结果表明, 共检测到5个与水稻分蘖期叶片水势相关的QTLs, 分别位于第2、3、4、11和12号染色体上, LOD值均达2.5以上, 其中位于4号染色体物理距离24 066 261- 30 847 136 bp内QTL的LOD值高达5.15。对这些QTL区间内与水势相关的候选基因进行定量分析, 发现LOC_Os02g56630、LOC_Os02g57720、LOC_Os02g57580、LOC_Os04g43730、LOC_Os04g46490、LOC_Os04g44570和LOC_Os04g44060这7个基因在双亲间表达量差异显著。位于4号染色体QTL区间内LOC_Os04g46490基因的表达在两亲本间存在显著差异。对基因LOC_Os04g46490进行测序分析, 发现该基因在两亲本间共存在6处差异, 从而导致氨基酸序列的改变。通过QTL挖掘及相关基因表达分析, 发现这些基因与水稻叶片水势调控相关, 可能间接影响水稻的抗旱性。检测到的QTL位点对水势相关基因精细定位和克隆具有重要参考价值, 有助于进一步理解水稻叶片水势的遗传基础, 并为培育耐旱水稻新品种提供有利的基因资源。     

水稻籽粒镉积累QTL定位及候选基因分析

水稻(Oryza sativa)是全世界重要的经济作物之一, 稻田镉(Cd)污染和镉积累问题严重威胁世界水稻的产量和品质以及人类健康, 如何降低水稻中镉积累已成为热点问题。以籼稻品种华占(HZ)为父本、粳稻品种热研2号(Nekken2)为母本, 连续自交多代后得到120个重组自交系群体, 对其镉积累进行检测和分析, 同时利用遗传图谱进行QTL作图。结果共检测到7个QTLs, 分别位于水稻第2、3、9和12号染色体上, 其中1个LOD值高达4.97。对这些QTL区间内与耐金属离子胁迫相关的候选基因进行定量分析, 发现LOC_Os02g50240、LOC_Os02g52780、LOC_Os09g31200、LOC_Os09g35030和LOC_Os09g37949这5个基因在双亲间的表达量差异显著, 结合亲本对不同金属离子的浓度积累数据, 推测LOC_ Os02g50240、LOC_Os09g31200及LOC_Os09g35030的高表达可能极大地提高了水稻对镉离子的吸收和胁迫耐受能力。通过QTL挖掘和分析, 发现这些基因与水稻籽粒的镉积累有关, 可能影响水稻耐镉胁迫的能力。研究结果为进一步筛选和培育耐镉胁迫的水稻品种创造了条件, 为阐明水稻镉积累的分子调控机制奠定了基础。     

水稻籽粒维生素E QTL挖掘及候选基因分析

维生素E (V_E)是稻米营养品质的重要指标。水稻(Oryza sativa)是我国种植最广泛的粮食作物, 增加其籽粒的V_E含量是实现国民营养强化的一条便捷有效的途径。该研究以籼稻华占(HZ)为父本, 粳稻热研2号(Nekken2)为母本, 构建120个重组自交系(RILs)群体。采用高效液相色谱法(HPLC)对RILs群体的V_E各组分含量进行测定, 并基于构建的高密度分子遗传图谱进行QTL定位, 谱系分析后挖掘到122个V_E总量和分量相关QTLs, 分布在12条染色体上。其中qT3α/to2-1的LOD值高达10.32, qT3α2-1的LOD值高达9.91, 另有多个控制各异构体含量的主效QTLs, 且区间内包含OsGGR1、OsGGR2、OsTC及OsγTMT等V_E生物合成基因。通过qRT-PCR检测亲本中V_E合成基因的表达量, 发现在华占中候选基因的表达量均极显著高于热研2号, 推测这些基因的高表达是华占生育酚及生育三烯酚含量高于热研2号的原因。研究挖掘到的QTL数目较多, LOD值也较大, 为进一步筛选和培育高V_E含量的水稻新品种奠定了分子基础, 同时为揭示水稻V_E生物合成的分子调控机制提供了重要基因资源。     

水稻黄绿叶调控基因YGL18的克隆与功能解析

叶色突变体往往伴随着叶绿素含量变化及叶绿体结构异常, 是研究叶绿体发育与光合作用相关基因功能的重要材料。该研究通过甲基磺酸乙酯(EMS)诱变籼稻(Oryza sativa subsp. indica)品种华占(HZ)获得黄绿叶突变体, 将其命名为ygl18 (yellow-green leaf 18)。与野生型相比, 黄绿叶突变体ygl18自三叶期起叶片开始变黄且程度不断加深, 同时伴随着光合速率与叶绿素含量下降, 且结实率、千粒重及有效穗数均显著降低。透射电镜观察结果显示, ygl18的叶绿体结构紊乱, 基质片层疏松, 发育受到抑制, 与叶片出现黄绿色表型一致。遗传分析表明, ygl18突变性状受1对隐性等位核基因控制, 这对等位基因位于水稻第3号染色体长臂标记InDel2和InDel3之间115.2 kb范围内。进一步研究发现该突变体表型是编码铁氧还蛋白FdC2的基因LOC_Os03g48040的5'UTR发生突变所致。通过CRISPR转基因实验验证了该基因对表型的控制作用。研究结果揭示了叶色调控网络的遗传基础, 可为今后选育高光效水稻品种提供新线索。     

水稻籽粒砷、铜、铁、汞、锌含量QTL挖掘及候选基因分析

水稻是关键的粮食作物,金属污染是影响水稻产量和品质的重要因素.挖掘与水稻籽粒金属含量积累相关的数量性状基因座(quantitative trait locus, QTL),并分析其候选基因,再通过遗传育种手段提高水稻耐金属离子胁迫的能力,可有效减少土壤金属污染所造成的损失.本研究以粳稻品种热研(Nekken)为母本,籼稻品种华占(HZ)为父本,杂交获得F1代后,连续自交多代,得到的120个重组自交系(recombination inbred line, RIL)群体为实验材料.在相同且适宜的条件下培养,常规管理,在成熟期对各株系水稻籽粒内的金属离子含量进行测定.利用该RIL群体构建遗传图谱,对水稻耐金属离子胁迫的QTL进行定位分析,结果共检测到9个水稻金属离子含量QTL.其中包含1个与Cu、Hg积累相关的多效QTL; 3个与As积累相关的QTLs; 2个与Fe积累相关的QTLs,其中一个的likelihood of odd(LOD)值高达5.53; 2个与Zn积累相关的QTLs,其中一个的LOD值高达7.29.对这些QTLs区间内与耐金属离子胁迫相关的候选基因进行定量分析发现, LOC_Os01g14440, LOC_Os01g18584, LOC_Os01g20160, LOC_Os04g34600这4个基因在双亲间的表达量差异显著,结合亲本对不同金属离子的浓度积累数据结果,本团队推测, LOC_Os01g14440, LOC_Os01g18584, LOC_Os01g20160的高表达可能会极大提高水稻对Zn离子胁迫的吸收和耐受能力,而LOC_Os04g34600的高表达可能增加水稻对Fe胁迫的吸收和耐受能力.通过本次QTL的挖掘和分析发现,这些基因与水稻籽粒的金属离子积累有关,可能会影响水稻耐金属离子胁迫的能力,为进一步培育和筛选耐金属离子胁迫的水稻品种创造了条件.     

水稻蒸煮品质相关QTL定位及候选基因分析

挖掘与稻米蒸煮品质相关的数量性状基因座(quantitative trait locus, QTL)，分析候选基因，并通过遗传育种手段改良稻米蒸煮品质相关性状，可有效提升稻米的口感。以籼稻华占(Huazhan, HZ)、粳稻热研2号(Nekken2)及由其构建的120个重组自交系(recombinant inbred lines, RILs)群体为实验材料，测定成熟期稻米的糊化温度(gelatinization temperature, GT)、胶稠度(gel consistency, GC)和直链淀粉含量(amylose content, AC)。结合高密度分子遗传图谱进行QTL定位，共检测到26个与稻米蒸煮品质相关的QTLs (糊化温度相关位点1个、胶稠度相关位点13个、直链淀粉含量相关位点12个)，其中最高奇数的可能性(likelihood of odd, LOD)值达30.24。通过实时荧光定量PCR (quantitative real-time polymerase chain reaction, qRT-PCR)分析定位区间内候选基因的表达量，发现6个基因在双亲间的表达量差异显著，推测LOC_Os04g20270和LOC_Os11g40100的高表达可能会极大地提高稻米的胶稠度，而LOC_Os01g04920和LOC_Os02g17500的高表达以及LOC_Os03g02650和LOC_Os05g25840的低表达有助于降低直链淀粉含量。这些结果为培育优质水稻新品种奠定了分子基础，并为揭示稻米蒸煮品质的分子调控机制提供了重要的遗传资源。     

水稻耐储藏特性三年动态鉴定与QTL分析

种子耐储藏特性是粮食作物的特殊农艺性状之一, 耐储藏性能对种子生产和种质资源保存有重要意义。以粳型超级稻龙稻5 (LD5)和高产籼稻中优早8 (ZYZ8)杂交衍生的重组自交系(RILs)群体(共180个株系)为实验材料, 自然高温高湿条件下放置1年、2年和3年后, 对不同储藏时段种子发芽率进行比较, 并利用223个分子标记的遗传图谱进行动态QTL鉴定。结果表明, 不同储藏时段龙稻5的发芽率均显著低于中优早8, 株系间耐储性存在较大差异; 不同储藏时段发芽率显著相关, 相邻存储时段发芽率关系紧密。共检测到17个耐储性相关的QTLs, 3个老化时段分别检测到5、4和3个, 检测到5个动态条件QTLs, 单一QTL解释5.60%-32.76%的表型变异, 加性效应在-16.78%-16.95%范围内。主效QTL簇qSSC2、qSSC6、qSSC7和qSSC8能调控不同储藏时段的发芽率, qSSC6具有明显降低发芽率的效应。共检测到26对上位性互作位点, 主效QTL qSS1和qSS4参与上位性互作, 这表明上位性互作是调控耐储藏性状的重要遗传组成。研究结果为水稻(Oryza sativa)耐储性相关QTL的精细定位奠定基础, 同时丰富了耐储性分子标记辅助选择育种的基因资源。     

水稻耐储藏特性三年动态鉴定与QTL分析

种子耐储藏特性是粮食作物的特殊农艺性状之一, 耐储藏性能对种子生产和种质资源保存有重要意义。以粳型超级稻龙稻5 (LD5)和高产籼稻中优早8 (ZYZ8)杂交衍生的重组自交系(RILs)群体(共180个株系)为实验材料, 自然高温高湿条件下放置1年、2年和3年后, 对不同储藏时段种子发芽率进行比较, 并利用223个分子标记的遗传图谱进行动态QTL鉴定。结果表明, 不同储藏时段龙稻5的发芽率均显著低于中优早8, 株系间耐储性存在较大差异; 不同储藏时段发芽率显著相关, 相邻存储时段发芽率关系紧密。共检测到17个耐储性相关的QTLs, 3个老化时段分别检测到5、4和3个, 检测到5个动态条件QTLs, 单一QTL解释5.60%-32.76%的表型变异, 加性效应在-16.78%-16.95%范围内。主效QTL簇qSSC2、qSSC6、qSSC7和qSSC8能调控不同储藏时段的发芽率, qSSC6具有明显降低发芽率的效应。共检测到26对上位性互作位点, 主效QTL qSS1和qSS4参与上位性互作, 这表明上位性互作是调控耐储藏性状的重要遗传组成。研究结果为水稻(Oryza sativa)耐储性相关QTL的精细定位奠定基础, 同时丰富了耐储性分子标记辅助选择育种的基因资源。     

基于CSSL的水稻抽穗期QTL定位及遗传分析

抽穗期是水稻(Oryza sativa)品种的重要农艺性状之一, 适宜的抽穗期是获得理想产量的前提。鉴定和定位水稻抽穗期基因/QTL, 分析其遗传效应对改良水稻抽穗期至关重要。以籼稻品种9311(Oryza sativa ssp. indica ‘Yangdao 6’)为受体,粳稻品种日本晴(Oryza sativa ssp. japonica ‘Nipponbare’)为供体构建的94个染色体片段置换系群体为材料, 以P≤0.01为阈值, 对置换片段上的抽穗期QTL进行了鉴定。采用代换作图法共定位了4个控制水稻抽穗期的QTL, 分别位于第3、第4、第5和第8染色体; QTL的加性效应值变化范围为–6.4 – –2.7, 加性效应百分率变化范围为–6.4%– –2.7%; qHD-3和qHD-8加性效应值较大, 表现主效基因特征。为了进一步定位qHD-3和qHD-8, 在目标区域加密16对SSR引物, qHD-3和qHD-8分别被界定在第3染色体RM3166–RM16206之间及第8染色体RM4085-RM8271之间, 其遗传距离分别为13.9 cM和6.4 cM。研究结果为利用分子标记辅助选择改良水稻抽穗期奠定了基础。     

水稻剑叶形态QTL定位及候选基因分析

叶片是水稻的重要器官,是进行光合作用的主要场所,而叶长、叶宽、叶面积等剑叶形态相关性状能够直接影响叶片的光合效率.研究水稻剑叶形态相关性状的QTL(quantitative trait loci)位点,并通过遗传育种的手段对水稻剑叶形态进行改良,可以为培育理想株型的水稻提供理论依据.本研究以籼稻品种华占(HZ)为父本,粳稻品种热研2号(Nekken2)为母本,杂交获得F1代后,连续自交多代得到120个重组自交系(recombinant inbred lines, RIL)群体,将其作为实验材料.在相同且适宜的条件下培养后,对水稻分蘖期和成熟期剑叶叶长、叶宽、叶面积等性状进行考察分析,同时利用该RIL群体构建遗传图谱,对水稻分蘖期和成熟期剑叶叶长、叶宽、叶面积性状的QTL进行定位分析,共检测到35个剑叶形态相关性状的QTL.其中包含6个与剑叶叶长相关的QTL(分蘖期5个、成熟期1个),其中一个的LOD值高达6.92; 8个与剑叶叶宽相关的QTL(只在分蘖期检测到),其中一个的LOD值高达4.51; 21个与剑叶叶面积相关的QTL(分蘖期12个、成熟期9个),其中两个的LOD值分别高达6.37和4.06.对这些QTL区间内与剑叶叶长、叶宽、叶面积相关的候选基因进行定量分析,发现LOC_Os02g52040, LOC_Os03g46610, LOC_Os04g52230, LOC_Os04g44150, LOC_Os04g52479, LOC_Os09g37400, LOC_Os12g42020这7个基因在双亲间的表达量差异显著,结合亲本剑叶叶长、叶宽、叶面积的数据结果,推测LOC_Os04g52230, LOC_Os04g44150, LOC_Os09g37400, LOC_Os12g42020的高表达可能会促进水稻剑叶的增宽增长,叶面积增大,而LOC_Os02g52040, LOC_Os03g46610, LOC_Os04g52479的高表达可能抑制水稻剑叶的生长.本研究通过QTL分析,挖掘了调控水稻剑叶叶长、叶宽及叶面积的QTL位点,为培育株型优良的水稻新品种提供了参考.     

Global analysis of CCT family knockout mutants identifies four genes involved in regulating heading date in rice

Many genes encoding CCT domain‐containing proteins regulate flowering time. In rice (Oryza sativa), 41 such genes have been identified, but only a few have been shown to regulate heading date. Here, to test whether and how additional CCT family genes regulate heading date in rice, we classified these genes into five groups based on their diurnal expression patterns. The expression patterns of genes in the same subfamily or in close phylogenetic clades tended to be similar. We generated knockout mutants of the entire gene family via CRISPR/Cas9. The heading dates of knockout mutants of only 4 of 14 genes previously shown to regulate heading date were altered, pointing to functional redundancy of CCT family genes in regulating this trait. Analysis of mutants of four other genes showed that OsCCT22, OsCCT38, and OsCCT41 suppress heading under long‐day conditions and promote heading under short‐day conditions. OsCCT03 promotes heading under both conditions and upregulates the expression of Hd1 and Ehd1, a phenomenon not previously reported for other such genes. To date, at least 18 CCT domain‐containing genes involved in regulating heading have been identified, providing diverse, flexible gene combinations for generating rice varieties with a given heading date.     

水稻矮化基因WLD1的图位克隆

水稻(Oryza sativa)矮化是与光合效率及产量等密切相关的重要农艺性状。发掘更多的水稻矮秆资源,不仅能够进一步加深对水稻株高分子遗传机制的认识,而且还能为水稻新品种培育提供新的种质资源。在水稻T-DNA插入突变体库中筛选到1个矮化、宽叶小粒突变体(wld1)。经图位克隆将WLD1基因定位在第5号染色体长臂,位于分子标记In Del37与InDel48之间,基因编号为LOC_Os05g32270,属于AP2转录因子家族。该基因第6外显子处胸腺嘧啶缺失,造成转录提前终止。石蜡切片观察结果显示,茎部第2节间横向细胞数目增加,而纵向细胞数目未变。RT-PCR检测结果表明,LOC_Os05g32270在突变体wld1中不表达,造成功能缺失。该基因与已报道的水稻OsSMOS1(SMALL ORGAN SIZE1)为等位基因。水稻突变体wld1的矮秆遗传效应可直接应用于育种中。该研究结果进一步明确了突变体wld1的表型特征与遗传基础,为解析其参与的信号途径提供参考。     

QTLs for heading date and plant height under multiple environments in rice

Both heading date and plant height are important traits related to grain yield in rice. In this study, a recombinant inbred lines (RILs) population was used to map quantitative trait loci (QTLs) for both traits under 3 long-day (LD) environments and 1 short-day (SD) environment. A total of eight QTLs for heading date and three QTLs for plant height were detected by composite interval mapping under LD conditions. Additional one QTL for heading date and three QTLs for plant height were identified by Two-QTL model under LD conditions. Among them, major QTLs qHd7.1, qHd7.2 and qHd8 for heading date, and qPh1 and qPh7.1 for plant height were commonly detected. qHd7.1 and qHd7.2 were mapped to small regions of less than 1 cM. Genome position comparison of previously cloned genes with QTLs detected in this study revealed that qHd5 and qPh3.1 were two novel QTLs. The alleles of these QTLs increasing trait values were dispersed in both parents, which well explained the transgressive segregation observed in this population. In addition, the interaction between qHd7.1 and qHd8 was detected under all LD conditions. Multiple-QTL model analysis revealed that all QTLs and their interactions explained over 80% of heading date variation and 50% of plant height variation. Two heading date QTLs were detected under SD condition. Of them, qHd10 were commonly identified under LD condition. The difference in QTL detection between LD and SD conditions indicated most heading date QTLs are sensitive to photoperiod. These findings will benefit breeding design for heading date and plant height in rice.     

上位性和QTL×环境互作对水稻(Oryza sativa L.)抽穗期的影响

水稻抽穗期是重要的农艺性状之一,对水稻品种的地理分布和适应性起到关键性作用。适宜的抽穗期是获得高产的前提。因此确定水稻抽穗期的遗传基础在育种计划中具有重要的意义。本研究用一套来源于亲本IR64/Azucena的双单倍体(DH)群体在两个种植季节的试验资料,用基于混合线性模型的复合区间作图方法,对水稻抽穗期QTL的加性、上位性及其与环境互作效应进行了研究。结果表明共有14个QTL影响水稻抽穗期,它们分布在除第5和第9条染色体外的10条染色体上,有8个位点携带单位点效应,5对位点携带双位点互作效应,2个单位点和1对双位点存在与环境的互作,所有效应值介于1.179～2.549天之间,相应的贡献率为1.04%～4.84%。基于所估算的QTL效应值,本研究预测了两个亲本和两个极端型品系的遗传效应值,并讨论了影响遗传效应值与实际观测值偏差的可能原因,以及研究群体所具有的遗传潜力。对水稻抽穗期QTL的定位结果与前人研究基本一致,并进一步证实了上位性和QE互作效应是水稻抽穗期的重要遗传基础。     

Detection of epistatic interactions of three QTLs for heading date in rice using single segment substitution lines

A library consisting of 1123 single segment substitution lines (SSSLs) in the same genetic back-ground of an elite rice variety Huajingxian74 (HJX74) was evaluated for heading date. From this library, two SSSLs, W23-03-8-9-1 and W15-03-1-31, with substitution segments on chromosome 3 and 2, respectively, were found to have significantly different heading date from the recipient HJX74. For genetic dissection and epistatic interaction of quantitative trait loci (QTLs) for heading date in two SSSLs, three secondary SSSLs with smaller substitution segments and genic pyramiding lines (GPLs) were developed from an F₂ segregating population of a cross between the two donor SSSLs, W23-03-8-9-1 and W15-03-1-31, using marker-assisted selection (MAS). The QTL analysis revealed that QTL for heading date detected in SSSL W23-03-08-9-1 was genetically dissected into two QTLs, qHD3-1 and qHD3-2, by overlapping mapping. At the same time, one QTL, qHD2-1 in the donor SSSL W15-03-1-31 was also identified. Analysis of GPLs for heading date showed epistatic interactions between qHD3-1 and qHD3-2, between qHD3-1 and qHD2-1, and between qHD3-2 and qHD2-1. These QTLs and epistatic interactions were confirmed in three cropping seasons under different natural daylength conditions, and their physiological functions for heading date were performed.