基于单片段代换系的水稻穗长QTL加性及其上位性效应

穗长是影响水稻(Oryza sativa)产量的重要因子之一, 研究水稻穗长QTL间的上位性效应对于发掘水稻产量潜力具有重要意义。该研究以16个单片段代换系(single segment substitution lines, SSSLs)和15个双片段聚合系(double segment pyramiding lines, DSPLs)为材料研究了水稻穗长QTL的加性及上位性效应。以P<0.01为阈值, 共检测到6个穗长QTL和9对基因互作座位。其中2个(Pl-2和Pl-10)是尚未报道的穗长QTL。穗长QTL互作后, 一些互作对的上位性效应与单个QTL的作用方式及效应大小各不相同, 预示着基因聚合后会产生不同的互作效应。该研究结果对于通过分子聚合育种手段改良穗长具有重要意义。     

基于CSSL的水稻穗颈长度QTL的代换作图

水稻穗颈长度是影响杂交水稻制种产量提高的重要农艺性状之一。文章利用94个以籼稻品种9311为遗传背景、粳稻品种日本晴为染色体片段供体的覆盖全基因组的染色体片段置换系(Chromosome segment substi-tution lines, CSSL)为材料, 调查和分析CSSL群体及双亲的穗颈长度。结果表明: 在17个置换系中检测到8个控制水稻穗颈长度的数量性状位点(Quantitative trait loci, QTL), 分别位于第2、3、7、8、9和第11染色体; 利用代换作图法, 定位了其中的7个穗颈长度QTL; 其加性效应值介于0.10~3.20之间, 其中qPE-9和qPE-11的加性效应值较大, 平均效应值分别为3.15和2.95, 表现为主效基因特征; qPE-2-2、qPE-3-1、qPE-3-2、qPE-7和qPE-8等5个QTL被定位在小于10.0 cM的区段内。利用CSSL可以有效地鉴定水稻穗颈长度QTL, 这些QTL为分子标记辅助选育穗颈长度适中的水稻品系及其进一步的精细定位奠定了基础。     

与水稻籼粳分化有关的穗颈维管束性状基因的分子标记定位

水稻穗颈维管束数及其与穗一次枝梗数之比（V／R）是与籼粳分化有关的重要性状,采用籼粳交（圭630／02428）杂种F1花药培养获得的DH群体,对水稻穗颈维管束数,穗一次枝梗数及V／R比进行了QTL分析,检测到3个控制穗颈维管束数的QTL;其中,效应最大的qVB-8的贡献率为31．1％,加性效应值为1．96％,增效等位基因来自灿稻亲本圭630,2个控制一次枝梗数的QTL效应较小,但分别与控制穗颈维管束数的2个QTL同位,检测到影响V／R比的3个QTL,其中,效应最大的qV/R-1的贡献率为25．3％,被定位于第1染色体上,与落粒性基因sh-2紧密连锁（亦或为一因多效）。此外,还检测到4对和2对分别控制穗颈维管束数和V／R比的互作QTL。结果分析表明,水稻穗颈维管束数与穗一次枝梗数受不同的多基因系统控制,但这2个多基因系统的某些位点在基因组中具有同位性;在第1染色体上,控制V／R比,且效应最大的qV/R-1所在的染色体区段在水稻籼粳分化过程中可能具有重要作用。     

水稻生物学产量及其构成性状的QTL定位

QTL的加性效应、加性×加性上位性效应及它们与环境的互作效应是数量性状的重要遗传分量.利用IR64/Azucena的125个DH品系为群体,分析了水稻生物学产量及其两个构成性状干草产量和谷粒产量的遗传组成.用基于混合模型的复合区间作图(MCIM)方法进行QTL定位.检测到12个位点有加性主效应,27个位点涉及双位点互作,18个位点存在环境互作.结果表明水稻生物学产量和它的两个构成性状普遍存在上位性效应和QE互作效应.此外,还探讨了性状间相关的遗传基础.发现4个QTLs和一对上位性QTLs可能与生物学产量与干草产量之间的正相关有关.3个QTL可能与干草产量与谷粒产量之间的负相关有关.这些结果可能部分地解释了这3个性状相关的遗传原因.通过对水稻生物学产量及其两个构成性状所定位QTL的分析,加深了对数量性状QTL的认识.首先,QTL的上位性效应和QE互作效应是普遍存在的;其次,QTL的多效性或紧密连锁可能是遗传相关的原因,当QTL对两个性状作用的方向相同时可导致正向遗传相关,反之则为负向遗传相关,当有些QTL表现为同向作用而另一些QTL表现为反向作用时,则可削弱性状间的遗传相关性;第三,复合性状的QTL效应可分解为其组成性状的QTL效应,如果QTL对各组成性状的效应方向相反而相互抵消,可使复合性状的QTL效应不易被检测;第四,加性效应的QTL常参预构成上位性效应,而具有上位性效应的QTL并非都有加性主效应,表明忽略上位性的QTL定位方法会降低检测QTL的功效;最后,鉴别不同类型的QTL效应有利于指导育种实践,选择主效QTL适用于多环境,QE互作QTL适用于特定环境,对上位性QTL应强调选择基因组合而并非单个基因.     

稻米粒形的QTL定位及上位性和QE互作分析

利用'广陆矮4号'×'佳辐占'水稻重组自交系构建了SSR标记的遗传图谱.联合2007年和2008年获得的两组稻米粒长(GL)、粒宽(GW)、长宽比(L/W)数据应用混合线性模型方法进行QTL定位,并作加性效应、加性×加性上位互作效应以及加性QTL、上位性QTL与环境的互作效应分析.结果显示;(1)在加性效应分析中两个群体共检测到4个控制粒长的QTL,4个控制粒宽的QTL,5个控制长宽比的QTL,贡献率分别为13.81%、15.36%和 16.29%.(2)在上位互作效应分析中两个群体共检测到2对控制粒长的互作QTL,1对控制粒宽的互作QTL,3对控制长宽比的互作QTL,贡献率分别为5.77%、2.59%和7.42%.(3)环境互作检测中,发现共有13个加性QTL和4对QTL的加性×加性上位性与环境产生了互作效应.结果表明,上位性效应和加性效应都影响稻米粒形遗传,QE互作效应也对粒形有着显著的影响.     

水稻生育后期叶绿素含量的QTLs及其与环境的互作分析

利用Dular和Lemont杂交后代单粒传衍生的123个F12家系所组成的重组自交系（RILs）群体,研究水稻剑叶叶绿素含量的数量性状基因座（QTL）.分别在2005年和2006年考察该RIL群体齐穗期剑叶叶绿素含量,并进行QTL定位和上位性分析及其与环境的互作效应分析.结果表明：在4对染色体上共检测到10个控制叶绿素含量的加性QTLs,共解释了73.51%的遗传变异,单个QTL的表型贡献率为2.08%～20.14%,其中6个和环境存在显著互作;同时也检测到13对影响叶绿素含量的加性×加性上位性互作,其中6对具有显著的上位性环境互作效应.     

染色体片段导入系在作物遗传育种研究中的应用

染色体片段导入系是在轮回亲本的遗传背景上只含有一个或少量供体染色体片段的家系,可作为QTL分析的重要材料。在QTL检测时,染色体片段导入系的遗传背景清楚,可有效检测微效基因及隐蔽基因,准确地评价供体染色体片段的遗传效应,打破优良基因与不良基因的连锁,提高QTL检测的效率和准确性。另外,染色体片段导入系不仅可用于QTL精细定位和基因克隆、QTL间互作、QTL与环境互作以及杂种优势的研究,同时还可用于作物聚合育种和分子设计育种。本文对染色体片段导入系的构建及其在作物遗传育种中的应用进展进行了综述。     

利用双单倍体群体剖析水稻产量及其相关性状的遗传基础

主效QTL、上位性效应和它们与环境的互作(QE)都是数量性状的重要遗传因素。利用籼粳交珍汕97／武育粳2号F1植株上的花药进行组织培养得到的190个双单倍体群体和179个微卫星标记,通过两年两重复田间试验,采用混合线性模型方法分析了9个控制水稻产量及其相关性状的遗传效应,得到57个主效QTL,41对上位性互作,8对QTL与环境的互作和7对上位性效应与环境的互作。单个主效QTL解释这些性状1．3％～25．8％的表型方差。各性状QTL的累积表型贡献率达11．5％～66．8％。大多数性状之间具有显著的表型相关性,相关性较高的性状之间常具有较多共同或紧密连锁的QTL。结果表明,基因的多效性或紧密连锁可能是性状相关的重要遗传基础。     

穗颈维管性状与产量相关性状的遗传分析

穗颈维管性状是实现"源"合成的同化物输送至籽粒中的唯一通道。本研究利用来源于籼稻93-11(受体)和粳稻日本晴(供体)构建的染色体片段代换系群体,调查穗颈维管性状与穗部产量性状。结果表明,大部分穗颈维管性状与穗部产量性状呈显著相关;7个穗颈维管性状共检测到42个QTL,其中16个位点日本晴等位基因起增效作用;6个穗部产量性状共检测到45个QTL,其中14个位点日本晴等位基因起增效作用。综合分析穗颈维管性状与产量性状的QTL定位区间,发现有6个同时调控穗颈维管性状和穗部产量性状的QTL簇,结合已有报道与候选基因序列分析,推测一因多效基因Ghd7和IPA1可能分别调控第7染色体9 Mb和第8染色体25 Mb的QTL簇。这些结果表明了水稻穗颈维管性状和产量性状既存在不同的遗传基础,也存在共同的遗传机制。挖掘更多控制"流"的QTL与同时调控"流"和"库"的一因多效基因可为水稻聚合育种、品种改良提供十分重要的理论与实践意义。     

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。     

Genome‐wide expression quantitative trait locus studies facilitate isolation of causal genes controlling panicle structure

The morphology of rice (Oryza sativa L.) panicles is an important determinant of grain yield, and elucidation of the genetic control of panicle structure is very important for fulfilling the demand for high yield in breeding programs. In a quantitative trait locus (QTL) study using 82 backcross inbred lines (BILs) derived from Koshihikari and Habataki, 68 QTLs for 25 panicle morphological traits were identified. Gene expression profiling from inflorescence meristems of BILs was obtained. A combination of phenotypic QTL (pQTL) and expression QTL (eQTL) analysis revealed co‐localization between pQTLs and eQTLs, consistent with significant correlations between phenotypic traits and gene expression levels. By combining pQTL and eQTL data, two genes were identified as controlling panicle structure: OsMADS18 modulates the average length of the primary rachis and OsFTL1 has pleiotropic effects on the total number of secondary rachides, number of grains per panicle, plant height and the length of flag leaves. Phenotypes were confirmed in RNA interference knocked‐down plants and overexpressor lines. The combination of pQTL and eQTL analysis could facilitate identification of genes involved in rice panicle formation.     

Clustered QTL for source leaf size and yield traits in rice (Oryza sativa L.)

Improvement of plant type plays an important role in super-high yield breeding in rice (Oryza sativa L.). In the present study, a set of backcross recombinant inbred lines derived from a cross of 9311 and Zhenshan97, both elite indica hybrid parents, were developed to identify quantitative trait loci (QTL) for flag leaf size, panicle and yield traits. Forty-seven QTL for 14 traits were detected in common in the two environmental trials, of which nine genomic regions contained clustered QTL affecting plant type traits and yield traits. Four co-localized QTL on chromosomes 1, 6, 7 and 8 involving QTL for flag leaf size (flag leaf length, width and area) contained the QTL for yield traits such as panicle weight (PW) and secondary branch number (SBN), and in all cases alleles from 9311 increased source leaf size and were associated with increased sink size and yield (SBN and PW). Using a subset of overlapping substitution lines for the QTL region on chromosome 1, the QTL were validated and narrowed into a 990?kbp interval (RM3746?CRM10435) with pleiotropic effects on flag leaf size, PW, SBN and spikelet number per panicle. These QTL clusters with large effects on source leaf size and yield-related traits provide good targets for marker-assisted breeding for plant type improvement and high-yield potential in rice.     

直播条件下水稻6个穗部性状的QTL分析

在大田直播条件下,利用来源于＂Lemont/特青＂的重组自交系群体,对水稻6个穗部性状及其相互间遗传相关的分子基础进行了QTL分析,共检测到19个QTL,各性状QTL数为2～4个,单个QTL贡献率为4%～22%。共检测到3个染色体区段能同时影响多个穗部性状,其中第1染色体RM212-RM104和第2染色体RM263-RM221区段的QTL能同时影响单株产量、每穗颖花数、着粒密度和二次枝梗数中的3个或4个性状,且这2个区段的QTL对各性状的效应方向相同,增效等位基因均来自‘特青’,为各性状间表型正相关提供了重要的遗传解释。第11染色体RG1022附近的QTL对着粒密度的效应值为负,来自‘特青’的等位基因增加性状值,而对穗长的效应值为正,来自‘特青’的等位基因降低性状值,为这2个性状间表型负相关也提供了一定的遗传解释。此外,对水稻穗部性状QTL在多种环境和遗传背景下的稳定表达及其在分子标记辅助育种中的应用进行了讨论。     

QTL mapping of grain length in rice (Oryza sativa L.) using chromosome segment substitution lines

Chromosome segment substitution (CSS) lines have the potential for use in QTL fine mapping and map-based cloning. The standard t-test used in the idealized case that each CSS line has a single segment from the donor parent is not suitable for non-idealized CSS lines carrying several substituted segments from the donor parent. In this study, we present a likelihood ratio test based on stepwise regression (RSTEP-LRT) that can be used for QTL mapping in a population consisting of non-idealized CSS lines. Stepwise regression is used to select the most important segments for the trait of interest, and the likelihood ratio test is used to calculate the LOD score of each chromosome segment. This method is statistically equivalent to the standard t-test with idealized CSS lines. To further improve the power of QTL mapping, a method is proposed to decrease multicollinearity among markers (or chromosome segments). QTL mapping with an example CSS population in rice consisting of 65 non-idealized CSS lines and 82 chromosome segments indicated that a total of 18 segments on eight of the 12 rice chromosomes harboured QTLs affecting grain length under the LOD threshold of 2.5. Three major stable QTLs were detected in all eight environments. Some minor QTLs were not detected in all environments, but they could increase or decrease the grain length constantly. These minor genes are also useful in marker-assisted gene pyramiding.     

两个水稻骨干恢复系重要农艺性状的遗传基础研究

水稻骨干恢复系是指在杂交稻育种中广泛应用的一类恢复系。探明骨干恢复系的遗传基础,发掘其重要农艺性状基因/QTL,对分子标记辅助选择水稻恢复系育种具有重要应用价值。本研究以生产上广泛应用的三系骨干恢复系成恢727和两系骨干恢复系9311为亲本,培育了具有250个系的重组自交系群体。分别在2015年三亚和2016年合肥两个环境下进行了9个重要农艺性状表型和SSR分子标记基因型鉴定,用SAS9.2分析表型数据,用QTL Ici Mapping v4.1进行QTL定位分析。在三亚和合肥两个环境下共检测到39个QTL,三亚检测到16个,分布于第1、2、4、7、8、10、11和12染色体上;合肥检测24个,分布于第1、2、3、7、8、9、10和12染色体上。其中qPH1-1在三亚和合肥两个环境下都能检测到,加性效应分别为-1.75和-2.46。在检测到的39个QTL中,有24个QTL的增效等位基因来自恢复系成恢727,15个QTL的增效等位基因来自9311。共计有26个QTL曾被前人定位,13个属于尚未见文献报道的新QTL。另外,在RM279~RM521、RM336~RM3534、RM25~RM547、RM553~RM160、RM222~RM271区段内检测到5个多效性QTL位点。其中RM25~RM547位点与已经克隆的基因Ghd8位置相近。RM553~RM160位点是一个新的多效性位点,分别控制每穗实粒数、单株产量和结实率,而且效应和表型变异贡献率都较大。其余3个位点在前人的研究中分别有所报道,但其多效性则是在本研究中首次发现。在本研究新发掘到的QTL中,控制穗数的QTL qPN12-1,控制穗长的QTL qPL1-2和qPL10-1,控制总粒数的QTL qSNP2-1和qSNP10-1,控制结实率的QTL qSF3-1,控制千粒重QTL qTGW7-1和控制产量的QTL qGY1-1效应均比较大,解释的表型遗传变异比例也较高。本研究的结果将会为相关性状QTL的精细定位、克隆和育种应用奠定基础。     

Quantitative trait locus analyses of ozone-induced grain yield reduction in rice

Reduction of grain yield (total seed weight) by ozone in rice (Oryza sativa L.) is believed to be caused by ozone-induced reduction of photosynthetic activity followed by growth inhibition. Here, japonica rice cultivar Sasanishiki and indica rice cultivar Habataki showed different responses to ozone. When exposed to ozone, the leaves of Habataki exhibited no critical damage, whereas those of Sasanishiki developed lesions. Conversely, ozone exposure reduced total seed weight by 19% in Habataki, but not significantly in Sasanishiki. Chronic ozone exposure also significantly decreased culm length, number of primary rachis branch, and number of spikelets per panicle in Habataki. QTL analysis in Sasanishiki/Habataki chromosome segment substitution lines identified a single locus associated with the yield loss caused by ozone on chromosome 6 of Habataki close to marker RM3430 (107.6 cM). A QTL for reduction of primary rachis branch number and total spikelet number was found in the same position. These results indicate that a QTL on chromosome 6 has an important role in ozone-induced yield loss, and is also involved in primary rachis branch formation and total spikelet number in ozone-exposed rice.     

A Pyramid Breeding of Eight Grain-yield Related Quantitative Trait Loci Based on Marker-assistant and Phenotype Selection in Rice （Oryza sativa L.）

1000-Grain weight and spikelet number per panicle are two important components for rice grain yield.In our previous study,eight quantitative trait loci(QTLs)conferring spikelet number per panicle and 1000-grain weight were mapped through sequencing-based genotyping of 150 rice recombinant inbred lines(RILs).In this study,we validated the effects of four QTLs from Nipponbare using chromosome segment substitution lines(CSSLs),and pyramided eight grain yield related QTLs.The new lines containing the eight QTLs with positive effects showed increased panicle and spikelet size as compared with the parent variety 93-11.We further proposed a novel pyramid breeding scheme based on marker-assistant and phenotype selection(MAPS).This scheme allowed pyramiding of as many as 24 QTLs at a single hybridization without massive cross work.This study provided insights into the molecular basis of rice grain yield for direct wealth for high-yielding rice breeding.     

测序水稻品种SSR遗传连锁图谱的构建及其农艺性状基因座分析

利用测序水稻品种"Nipponbare（粳）/广陆矮4号（籼）"杂交F2群体90个单株为作图群体,构建含148个SSR标记的水稻遗传连锁图谱,覆盖基因组全长1737.81cM,标记间平均距11.90cM。利用该图谱及Excel2000和Mapmaker/QTL1.1b软件对分蘖数、穗数、穗长、主穗长、株高、剑叶长等六个农艺性状间的相互关系和基因位点进行分析,结果在LOD>2.2和P<0.005的条件下共检测到28个QTLs,它们分布在水稻所有染色体上,单个QTL对性状的分子贡献率11.1%-42.9%,其中大于20%有10个,并对选用已测序材料为亲本构建图谱来探讨水稻农艺性状的分子基础及其育种意义进行了讨论。