全 文 ：植物生理学通讯 第 46卷 第 3期, 2010年 3月236
水稻粒长基因 GL3的遗传分析和分子标记定位
高虹, 王嘉宇, 姜树坤, 孙健, 徐正进 *, 陈温福
沈阳农业大学水稻研究所, 辽宁省北方粳稻育种重点实验室, 农业部作物生理生态遗传育种重点开放实验室, 沈阳 110866
提要: 为了解析水稻粒长的遗传机制, 以大粒水稻品种 ‘80018-TR161-2-1’和小粒水稻品种 ‘日本小黑稻 ’及其F2代 200个
株系和 F2:3家系为材料, 分析水稻粒长的遗传学性状。结果表明, 谷粒长度的分离比在 F2及 F2:3家系中都表现为 3:1, 长粒
性状受1对隐性核基因控制, 命名为GL3。用简单重复序列(simple sequence repeat, SSR)分子标记结合群体分组混合分析的
方法, 将此种基因定位在水稻第 3号染色体上SSR标记PSM379和RM16之间, 它们的遗传距离分别为 4.0 cM和 11.2 cM。
关键词: 水稻; 粒长; 遗传分析; 基因定位
Genetic Analysis and Molecular Mapping of the Gene GL3 for Grain Length in
Rice (Oryza sativa L. var. japonica)
GAO Hong, WANG Jia-Yu, JIANG Shu-Kun, SUN Jian, XU Zheng-Jin*, CHEN Wen-Fu
Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology, Genetics and Breeding, Ministry of Agriculture, Key Laboratory of Northern Japonica
Rice Breeding of Liaoning Province, Rice Institute, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China
Abstract: Genetic mechanism for grain length trait in rice (Oryza sativa) was analyzed by using F2 population
and F2:3 family derived from the parents of large grain rice ‘80018-TR161-2-1’and small grain rice ‘small black
rice of Japan’. The results showed the distribution of both grain length in F2 population and F2:3 family expressed
the separation ratio of 3:1. The long grain trait was controlled by a single recessive nuclear gene, named GL3. By
using simple sequence repeat consorting with population group mixed analysis, the GL3 gene was mapped
between two SSR markers PSM379 and RM16 on chromosome 3, whose genetic distances were 4.0 cM and
11.2 cM, respectively.
Key words: Oryza sativa; grain length; genetic analysis; gene location
收稿 2009-12-17 修定 　2010-01-15
资助 辽宁省科技攻关项目(2 00 620 10 02 )。
* 通讯作者(E-ma il: xu zhengj in@1 26.com; T el: 02 4-
8 8 4 8 7 1 8 3 )。
粒形是评价稻米品质的指标之一(徐正进等
2004), 也是影响水稻产量的因素之一。已有研究
表明, 谷粒粒长、粒宽、粒厚、长宽比和长厚比
等粒形性状与着粒密度、粒重、穗重、结实率
和每穗粒数等产量性状密切相关, 同时也与垩白粒
率、糙米率、精米率和整精米率等品质性状有紧
密的联系(黎毛毛等 2008)。因此, 水稻粒形性状的
遗传机制和基因定位的研究对其高产优质育种有着
理论和实践的重要作用。随着分子标记技术的不
断完善, 基因的定位与克隆效率显著提高, 在水稻
12条染色体上都检测到了影响粒重的基因或数量
性状基因座(quantitative trait locus, QTL), 说明粒重
的遗传受多因素的影响和控制(姚国新和卢磊
2007)。到目前为止, 已发现了 300多个与粒重相
关的基因或QTL (http://www.gramene.org/), 但对
其精细定位或克隆的报道相对较少(Li等2004; Fan
等 2006; Xie等 2006; Zhou等 2006; Song等 2007;
Weng等 2008)。其中Zhou等(2006)曾用 ‘蜀恢 527’//
‘蜀恢527’/小粒回交组合BC2F2群体定位到一个控
制籽粒长短的基因Lk-4(t), 连锁分析表明此基因位
于水稻第 3染色体着丝粒附近。Fan等(2006)成功
地克隆到一个控制粒长和粒重的基因GS3, 该基因
位于第 3染色体上, 编码一个潜在的跨膜蛋白, 对
粒重起负调控作用, 序列分析表明, 与小粒品种相
比, 大粒品种GS3第2外显子中编码第55位半胱氨
酸的密码子 TGC突变成终止密码子 TGA, 导致蛋
白翻译提前终止。Song等(2007)克隆了一个位于
第2染色体上控制粒宽和粒重的基因GW2, 测序结
果显示, GW2蛋白作为一类新型的 RING E3泛素
连接酶参与负调控水稻颖壳的细胞分裂, 使其等位
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基因由于提前发生终止突变而失去相应的调控功
能, 并致使颖壳宽度增加导致谷粒变大。Weng等
(2008)在第5染色体上克隆到一个控制粒宽和粒重
的基因GW5, 它编译一个在细胞核区域含有144个
氨基酸的异常核蛋白质, 此基因很有可能在种子生
长期通过泛素 -蛋白酶体路径调整细胞分配而作
用。本文用 2个粒形差异较大的粳稻品种杂交获
得的F2群体及F2:3家系进行粒长遗传分析和基因的
定位, 以此为进一步精细定位乃至基因分离和分子
标记辅助选择育种提供参考。
材料与方法
材料为大粒水稻(Oryza sativa L. var. japonica)
品种‘80018-TR161-2-1’ [千粒重为(36.3700±0.0219) g]
和小粒水稻(Oryza sativa L.)品种‘日本小黑稻’ [千
粒重为(12.2100±0.0006) g]及其F2代 200个株系和
F2:3家系。2008年种植 F2群体, 行距为 30 cm, 株
距为 13.2 cm, 单株插植。2009年种植 F2:3家系,
每株系种 1行, 每行 15株。试验在沈阳农业大学
水稻研究所试验田进行, 沙壤土、肥力中等, 井水
灌溉, 采用开闭式塑料薄膜保温旱育苗, 栽培管理
完全按当地生产田。
参照韩龙植和魏兴华(2006)文中的方法, 每份
材料随机抽取成熟稻谷谷粒 50粒, 用游标卡尺(精
确到 0.01 mm)测量粒长、粒宽和粒厚, 并取其平
均值, 重复 2次。以 “粒长 /粒宽 ”公式计算每个
谷粒的长宽比, 并计算平均值。千粒重用百分之一
的电子天平称量250 粒的重量, 乘以4即为千粒重,
重复 2 次。
在抽穗末期取 ‘80018-TR161-2-1’和 ‘日本小
黑稻 ’及其杂交组合的 F2代个体的叶片。每个单
株取 1~2片叶装入自封袋中, 放置于−80 ℃超低温
冰箱中备用。采用 CTAB 法(李荣华等 2009)提取
水稻基因组DNA。PCR体系(总反应体积为15 μL)
含 1.5 μL 10×PCR缓冲液(含Mg2+)、0.5 μL 0.2
mmol·L-1dNTP、0.4 μL 1U·μL-1 Taq DNA聚合酶、
2.0 μL 2 μmol·L-1 SSR引物、2.0 μL DNA模板和 6.6
μL双蒸水。扩增程序参照姜树坤等(2007)的方法,
94 ℃预变性 5 min; 每个循环 94 ℃变性 1 min, 55
℃或 60 ℃退火 1 min, 72 ℃延伸 2 min, 共 35个循
环; 最后 72 ℃延伸 8 min; 待温度降至 4 ℃后, 取出
放在 4 ℃冰箱内备用。采用 6%变性聚丙烯酰胺凝
胶电泳及银染法染色(Panaud等1996)检测扩增产物。
从 Rice Genes Database (http://www.gramene.
org/)中, 选择均匀分布于水稻全基因组的SSR引物
489对, 委托北京赛百盛基因生物有限公司合成。
在精细定位时, 采用了酶切扩增多态性序列(cleaved
amplified polymorphic sequences, CAPS)分子标记方
法, CAPS引物参照Fan等(2009)文中的酶切扩增特
异性引物 SF28, 相应的限制性内切酶为 PstI。对
‘80018-TR161-2-1’和 ‘日本小黑稻 ’两个亲本间进
行多态性检测, 从中筛选出在亲本间有差异的引物,
检测和分析 F2群体。根据 SSR分析的结果, 用
Mapmaker/EXP Version 3.0软件(Lander等 1987)进
行分子标记连锁分析和遗传距离估算, 并构建局部
遗传连锁图。
实验结果
1 亲本谷粒粒形与F2的表型分析
亲本 ‘80018-TR161-2-1’和 ‘日本小黑稻 ’的
粒长分别为 9.23 mm和 5.45 mm, 粒宽分别为 3.75
mm和 3.08 mm, 粒厚分别为 2.21 mm和 1.88 mm,
长宽比分别为 2.46和 1.78, 千粒重分别为 36.37 g
和12.21 g, 双亲间粒形性状的差异都达到了显著或
极显著水平(表 1)。
2 粒长基因GL3的遗传分析
分析F2群体的粒长性状的遗传结果表明, 粒长
性状在该群体中呈双峰分布(图1), 短粒个体与长粒
个体的比例为3:1, 表明长粒基因由隐性基因控制。
进一步对 F2:3家系的表型进行了调查发现, 小粒、
杂合、大粒的分离比为 57:88:55, 经 λ2检测, 分离
比为 1:2:1, 证明该群体中粒长基因是由单基因控
制。
3 粒长基因GL3的分子图谱定位
用 489对微卫星标记分析亲本多态性的结果
显示, 其中有117对引物在亲本‘80018-TR161-2-1’
和‘日本小黑稻’之间表现为多态, 多态性引物所占
比例为 23.93%, 说明两亲本间 SSR标记的多态性
较高。
此外, 用群体分组混合分析法, 随机从F2群体
中选取10株粒长大于9.00 mm的个体的DNA混合
构建极端长粒池、10株粒长小于 5.98 mm的个体
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的DNA混合构建极端小粒池。用已筛选出的 117
对在大粒和小粒亲本间扩增出多态性的引物筛选大
粒和小粒粒长混池, 结果表明, 位于第 1染色体上
的 PSM368、第 2染色体上的 PSM117、第 4染色
体上的 RM564、第 8染色体上的 PSM151和第 3
染色体上RM251等8个标记及已经克隆的粒长基因
GS3的酶切特异性引物SF28在两基因混池间表现
出多态性, 表明它们可能与该粒长基因有连锁关系。
另从 F2群体中筛选粒长大于 8.5 mm的 29个
大粒长粒隐性个体(理论上它们的表型和基因型都
应该与大粒亲本相同)进行SSR扩增来确定隐性长
粒基因与以上13个标记的连锁关系, 电泳分析显示
基因型与大粒亲本相同的记为A, 与小粒亲本相同
的记为 B, 杂合的记为H。再结合 F2:3家系的表现
推断出这29个单株的基因型值的结果表明, 第1染
色体、第 2染色体、第 4染色体和第 8染色体上
的标记在这29个个体中表现出大量的交换的个体,
暗示这些标记与控制粒长的基因无连锁关系。第
3染色体上的9个标记发生交换的个体较少, 推测此
种粒长基因可能位于第 3染色体上, 用Mapmaker/
EXP Version 3.0软件计算这9个标记与粒长基因间
遗传距离, 构建连锁图(图 2)。最终将粒长基因定
位到与第3染色体上SSR标记PSM379和RM16之
间, 遗传距离分别为 4.0 cM和 11.2 cM, 与已经克
隆的粒长基因GS3的酶切特异性引物SF28的遗传
距离为 4.0 cM。
讨　　论
水稻籽粒长度的遗传机制研究较多, 但结果不
尽相同, 有人认为是单基因控制(武田和義和斉藤健
一 1 9 8 0 ) , 也有人认为是双基因或多基因控制
(McKenzie和Rutger 1983), 但大多认为属于多基因
控制和数量性状(汤文通1935; Chang和Li 1980; 泷
田正 1987, 1989; 石春海 1994; 石春海和申宗坦
1995)。本文根据大粒水稻品种 ‘80018-TR161-2-
1’和小粒水稻品种 ‘日本小黑稻 ’杂交生成的F2群
体粒长性状的测定以及基因型分析, 并结合 F2:3家
系表现型调查的结果认为, 粒长基因是由单基因控
表 1 亲本和 F2粒形性状的表型值
Table 1 Performance value of grain traits in parents and F2 populations
品系 粒长 /mm 粒宽 /mm 粒厚 /mm 长宽比 千粒重 /g
‘80018-TR161-2-1’(P1) 9.23 3.75 2.21 2.46 36.37
‘日本小黑稻 ’(P2) 5.45 3.08 1.88 1.78 12.21
P1-P2 3.78** 0.67* 0.33* 0.68** 24.16**
F2 7.12 3.44 2.12 2.07 19.84
　　P1-P2: 双亲差值; *和 **: 分别代表在 0.05和 0.01的水平有显著差异。
图 1 F2群体粒长的分布
Fig.1 Distributions of grain length in the F2 population
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制的。
近年来, 人们在不同遗传背景和环境下在水稻
第3染色体着丝粒附近都定位到控制水稻粒长 /粒
重的主效QTL (Huang等 1997; Yu等 1997; Tan等
2000; Kubo等2001; Thomson等2003; Aluko等2004;
Li等2004; Fan等2006), 表明此种QTL能够稳定性
遗传。林鸿宣等(1995)用水稻 ‘特三矮2号 ’/CB1128
和 ‘外引2号 ’/CB1128两个群体检测到5个粒长微
效QTLs, 嗣后又用籼粳杂交DH系检测到4个控制
粒长的QTL。水稻的谷粒产量与粒形性状高度相
关, 一些性状相关的QTL经常定位在染色体的相同
位点上(Li等 2004)。刑永忠等(2001)用水稻 ‘珍籼
97B’/‘明恢 63’衍生的F2:3家系和 F9重组自交系在
第3染色体上检测的控制粒长的主效QTL, 其贡献
率达 50%。Fan等(2006)用水稻 ‘明恢 63’作为轮
回亲本与 ‘和川 7’配制组合, 通过回交方法构建了
BC3F2群体, 成功的克隆到粒重基因GS3, 此基因位
于第 3染色体上 7.9 kb的片段范围内, 其候选基因
包括 5个外显子, 全长编码 232个氨基酸, 与大粒
变异基因序列比较的结果显示, 在GS3基因第2外
显子区有 1个无义突变, 此种突变引起预测蛋白 C
端的 178位氨基酸缺失, 因而粒重增加。进一步检
测其它品种的结果表明, 部分大粒种质都含有此片
段。
本文将控制粒长的基因GL3也定位到第 3染
色体上, 位于 SSR标记 PSM379和 RM16之间, 遗
传距离分别为 4.0 cM和 11.2 cM。以此与其它研
究的结果对比表明, 这一区域与Fan等(2006, 2009)
在第 3染色体上检测到的控制粒长 /粒重的基因
GS3 位于同一染色体的相同区间。由于GS3的酶
切特异性引物SF28在与本文中的隐性长粒个体的
CAPS标记分析法中检测发生了 2个染色体交换,
所以两者不是同一个基因, 有可能是等位基因。本
文中所用的群体中, 粒长基因表现为由单基因控制
的质量性状, 而在其它研究群体中多表现为数量性
状控制的QTL, 说明此种QTL或基因在不同的背景
下表型性状的变化会有一定的差异, 但都有控制水
稻千粒重的功能。由于所采用的作图群体和分子
标记不同, 所以此种粒长基因GL3是否与GS3是同
一个基因或QTL, 尚待用大群体和更多分子标记进
一步研究和确认。
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图 2 粒长基因在图谱中的位置
Fig.2 Location of the gene of grain length in the genetic map
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