全 文 :书水稻饲料营养含量的犙犜犔定位分析
范传广,张向前,张建国,练子贤
(华南农业大学农学院,广东 广州510642)
摘要:应用85个SSR标记,对普通野生稻与粳稻台中65为亲本建立的F2 群体进行基因检测,构建了覆盖水稻基
因组12条染色体的SSR分子标记连锁图,采用 Mapmaker/QTL1.0统计软件对决定水稻饲用营养价值的粗蛋
白、粗纤维、粗脂肪、粗灰分、硅酸和可溶性糖含量的基因座位进行了定位分析。结果定位了影响粗蛋白含量的3
个QTLs,影响粗脂肪含量的1个 QTL,影响可溶性糖含量的3个 QTLs,影响硅酸含量的2个 QTLs,这9个
QTLs分别位于第1,2,4,7,8,9,10和11染色体上。其中主效QTL4个,分别是影响粗脂肪含量的qCEE1(贡献
率56.8%),影响可溶性糖含量的qCWSC4(贡献率23.1%)和qCWSC7(贡献率25.0%),影响硅酸含量的qCS9
(贡献率15.9%),其余5个为微效QTL。没有检测到影响粗纤维含量和粗灰分含量的QTL。
关键词:水稻;饲料;营养含量;F2 群体;QTL
中图分类号:S816.11 文献标识码:A 文章编号:10045759(2010)04014207
水稻(犗狉狔狕犪狊犪狋犻狏犪)是最重要的粮食作物,其稻米或全株也可作为动物的饲料。饲料水稻的种植,可使冬闲
水田和荒废湿地达到有效利用,有效解决大米生产过剩和调整经营模式,调整种植业结构、缓减动物饲料不足,提
高土地和水肥资源的利用效率、减少资源浪费[1]。普通野生稻是野生稻中与栽培稻间亲缘最近,最容易进行基因
交流的一个种,在漫长的进化中形成了丰富的遗传多样性,保存着栽培稻不具有或已经消失的优良基因,如强的
耐寒性、高的抗病虫性、功能叶片耐衰老、强的再生性、生长速度快等优良特性[2]。广东高州普通野生稻是目前我
国面积最大,保存最完好的野生稻之一[3],是十分宝贵的野生稻资源。野生稻是水稻种质创新的重要物质基础,
对其数量性状座位(quantitativetraitlocus,QTL)进行定位在新品种选育上具有重要的理论和实践意义。随着
分子标记技术的发展,水稻基因组计划的实施,水稻分子遗传图谱的构建和统计模型的发展,使数量性状的研究
取得了突破性进展,利用高密度的遗传连锁图可以将复杂的多基因系统分解为单个孟德尔因子,使人们能够用研
究质量性状的方法来研究数量性状[4]。
自从Lander和Botstein[5]发表利用区间作图法进行 QTL分析的标志性文章以来,逐渐出现了一股研究
QTL的热潮。Yano等[6]用F2 群体定位了影响水稻抽穗期的2个主效QTLs和3个微效QTLs,它们分布于第
6、7和8三条染色体上。Yamamoto等[7]用BC1F3 群体定位了影响水稻株高的6个QTLs。Luo等[8]用不同群
体定位了水稻产量及产量构成性状的QTL。Li等[9]利用回交重组自交系群体对粒长、粒宽、粒形、垩白率、垩白
大小、垩白度和透明度7个稻米外观品质性状的QTL进行了定位分析,共定位到33个QTLs,单个性状QTL数
目在4~7个。Tan等[10]对谷粒蛋白质含量和色泽进行了QTL定位。Yang等[11]对水稻叶片叶绿素和过氧化
氢含量的QTL进行了定位分析,在第1,2,3和10染色体上分别检测出5个与叶绿素含量相关的QTL和2个影
响剑叶过氧化氢含量的QTL。可见,国内外对水稻食用相关的大多数性状已进行了QTL定位,但对于用作饲料
的水稻营养含量的QTL定位尚未见报道。牧草和草坪草各种性状的QTL定位分析,国内研究报道较少,有苜
蓿(犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪)[12]和草坪草[13]遗传图谱构建与应用的综述文献。因此,水稻饲料营养含量的QTL定位对
饲用水稻的研究与选育具有重要的理论与现实意义。
142-148
2010年8月
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
第19卷 第4期
Vol.19,No.4
收稿日期:20090730;改回日期:20091105
基金项目:国家自然基金委-广东省政府联合资助重点项目(U0631003),国家科技支撑计划项目(2006BAD04A0401)和广东省高等学校人
才引进专项基金资助。
作者简介:范传广(1983),男,湖北鄂州人,硕士。
通讯作者。Email:zhangjg@scau.edu.cn
1 材料与方法
1.1 F2 遗传群体的建立
用广东高州普通野生稻(犗.狉狌犳犻狆狅犵狅狀)与栽培稻台中65(犗.狊犪狋犻狏犪)杂交,建立一个118个单株的F2 分离
群体,F2 群体于2007年早季种植于华南农业大学农场,2月22日浸种,2月25日播种,3月23日移栽。单株种
植,种植密度为18cm×18cm,田间管理同一般大田生产。亲本设置3个重复,每重复3行,每行10株,种植密
度与F2 群体同。
1.2 营养成分的测定
在抽穗期分别收割亲本和F2 群体118个单株,切短1~2cm后70℃干燥,粉碎、过筛、制成分析用样品。粗
蛋白含量按GB/T64321994,粗脂肪含量按GB/T64331994,粗灰分含量按GB/T64381992进行测定,可溶性
糖含量用蒽酮-硫酸法测定[14],粗纤维含量采用滤袋法测定[15],样品在灼烧后的残留物质用稀盐酸溶解、过滤后
的残渣即为硅酸。
1.3 分子连锁图谱的构建
选用174对SSR(simplesequencerepeat)标记筛选两亲本的多态性,用筛选出具有多态性的标记对118个
F2 单株的DNA进行PCR(polymerasechainreaction)扩增和检测。DNA抽提参照上海植物生理研究所的TPS
抽提法稍加修改[16]。PCR扩增按照Panaud等[17]的方法稍加修改进行。根据SSR标记的特点及扩增产物的电
泳结果,将台中65亲本的SSR标记带型记为A,普通野生稻亲本的标记带型记为B,杂合子的带型记为 H,缺失
或模糊不清的记为“-”得到数据化的F2 代SSR资料。用 Mapmaker/EXPversion3.0软件[18]构建遗传连锁图
谱,用Kosambi函数[19]将重组率转换成图距单位(centiMorgan,cM)。用 Mapchart软件对营养含量进行遗传连
锁图谱绘制。
1.4 QTL定位及效应分析
用 Mapmaker/QTL1.0[20]对营养含量的QTL进行定位分析。在各染色体中每隔2cM 对QTL存在的可
能性进行扫描,确定各QTL的数目及所在染色体位置。当LOD(logarithmoftheodds)>2.0时,则认为该位置
存在一个QTL,同时软件还对各QTL的加性、显性效应和贡献率进行估算,根据贡献率大小来确定主效基因和
微效基因。QTL的命名遵循 Mclouch等[21]的原则。
2 结果与分析
2.1 亲本及F2 群体的营养含量
双亲台中65和普通野生稻在粗蛋白含量、粗纤维含量、粗脂肪含量、粗灰分含量、硅酸含量和可溶性糖含量
上均有较大差异(表1)。普通野生稻的粗蛋白和粗纤维含量高于台中65,而粗脂肪、粗灰分、可溶性糖和硅酸含
量低于台中65。F2 群体各营养含量大多数在两亲本之间分布,少数高于高亲或低于低亲,且基本符合数量性状
所具有的单峰正态分布特征(图1),满足基因定位的要求。
表1 双亲及犉2 群体的营养成分
犜犪犫犾犲1 犖狌狋狉犻犲狀狋犮狅狀狋犲狀狋狊狅犳犉2狆狅狆狌犾犪狋犻狅狀犪狀犱狋犺犲犻狉狆犪狉犲狀狋狊 % DM
性状Trait
亲本Parents
台中65
Taichung65
变异系数
VC
普通野生稻
Commonwildrice
变异系数
VC
F2群体F2population
平均值
Average
变幅
Range
偏度
Skewness
峰值
Kurtosis
粗蛋白Crudeprotein 7.93 0.06 8.84 0.04 8.28 3.38~13.33 0.22 -0.32
粗纤维Crudefiber 23.12 0.14 39.44 0.16 33.90 6.13~46.45 1.25 4.40
粗脂肪Etherextract 1.81 0.07 1.33 0.19 1.47 0.69~2.88 1.05 1.61
粗灰分Crudeash 18.15 0.07 12.20 0.09 18.17 7.44~37.35 0.48 0.36
可溶性糖 WSC 0.87 0.15 0.48 0.09 0.69 0.04~2.17 0.02 1.00
硅酸Silica 14.54 0.10 10.48 0.10 12.08 0.33~26.92 0.25 0.08
VC:Variationcoefficient,WSC:Watersolublecarbohydrate.下同Thesamebelow.
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图1 犉2 群体营养相关性状的频率分布
犉犻犵.1 犉狉犲狇狌犲狀犮狔犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀犳狅狉狀狌狋狉犻犲狀狋犮狅狀狋犲狀狋狊狅犳犉2狆狅狆狌犾犪狋犻狅狀
2.2 F2 群体营养成分的相关性分析
营养成分的相关分析表明,在F2 群体中除粗灰分含量与硅酸含量呈极显著正相关外,其他成分之间无显著
的相关性。可溶性糖含量与粗蛋白含量、粗纤维含量、粗脂肪含量、粗灰分含量和硅酸含量,粗蛋白含量与粗纤维
含量和粗脂肪含量以及粗纤维含量与粗灰分含量均呈不显著的负相关(表2)。
2.3 营养含量的QTL定位分析
对6个营养含量进行QTL复合区间作图分析,共检测到9个QTL座位。其中影响粗蛋白含量的QTL有3
个,影响粗脂肪的QTL有1个,影响可溶性糖的QTL有3个,影响硅酸的QTL有2个,没有检测到影响粗纤
维、粗灰分的QTL。表3列出了检测到的QTL在染色体上的区间、LOD值、加性、显性效应和贡献率,贡献率大
于15%的QTL对性状的表现起着重要作用,在实验中容易检测到,可以认为是主效QTL,其中粗脂肪有1个,
qCEE1的贡献率为56.8%;可溶性糖有2个,qCWSC4和qCWSC7,贡献率分别为23.1%和25.0%;硅酸有1
个,qCS9的贡献率为15.9%;粗蛋白没有检测到主效基因座位。这些影响营养含量的QTL分别位于第1,2,4,
7,8,9,10和11染色体上(图2)。
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表2 犉2 群体营养成分的相关系数
犜犪犫犾犲2 犆狅狉狉犲犾犪狋犻狅狀犮狅犲犳犳犻犮犻犲狀狋狊狅犳狀狌狋狉犻犲狀狋狊狅犳犉2狆狅狆狌犾犪狋犻狅狀
性状Trait 粗蛋白Crudeprotein 粗纤维Crudefiber 粗脂肪Etherextract 粗灰分Crudeash 可溶性糖 WSC 硅酸Silica
粗蛋白Crudeprotein
粗纤维Crudefiber -0.106
粗脂肪Etherextract -0.034 0.120
粗灰分Crudeash 0.078 -0.030 0.001
可溶性糖 WSC -0.076 -0.162 -0.050 -0.056
硅酸Silica 0.046 0.036 0.016 0.723 -0.055
注:表示1%显著水平。
Note:indicatesignificantat犘<0.01.
表3 水稻营养含量相关犙犜犔定位及其遗传参数估算
犜犪犫犾犲3 犐犱犲狀狋犻犳犻犮犪狋犻狅狀狅犳犙犜犔狊犳狅狉狀狌狋狉犻犲狀狋犮狅狀狋犲狀狋狊犪狀犱狋犺犲犻狉犵犲狀犲狋犻犮狆犪狉犪犿犲狋犲狉狊犲狊狋犻犿犪狋犲犱
性状
Trait
数量性状座位
QTL
染色体
Chromosome
标记区间
Markerinterval
遗传距离
Geneticdistance
(cM)
LOD 加性效应
Additive
effect
显性效应
Dominant
effect
贡献率
Variationexplained
(%)
粗蛋白Crudeprotein qCCP2 2 RM525~RM166 0.0 2.72 -0.647 -1.125 10.4
qCCP10 10 RM467~RM304 0.0 3.49 -0.650 -1.300 13.1
qCCP11 11 RM167~RM229 12.0 2.70 1.246 -0.643 11.0
粗脂肪Etherextract qCEE1 1 RM9~RM543 32.0 2.87 0.377 -0.522 56.8
可溶性糖 WSC qCWSC4 4 RM307~RM518 20.0 3.40 0.313 -0.287 23.1
qCWSC7 7 RM214~RM432 10.0 2.59 0.175 0.326 25.0
qCWSC8 8 RM210~RM256 0.0 2.72 0.116 -0.203 10.6
硅酸Silica qCS9 9 RM257~RM160 0.0 4.11 -2.876 -0.990 15.9
qCS11 11 RM206~RM254 11.0 2.85 -0.478 4.031 12.6
3 讨论
分子标记最直接的用途是对性状进行辅助选择(markerassistedselection,MAS),即利用目标性状基因与
分子标记之间的紧密连锁关系进行间接选择。MAS不受其他基因效应和环境因素的影响,是对目标性状在分
子水平上的一种选择,因此选择结果可靠,同时又可避免等位基因间显隐关系的干扰,一般可在育种早代完成,
从而大大缩短育种周期,受到育种家们的广泛关注。然而,存在着诸多因素可影响QTL检测的效率,如群体的
种类、大小、种植时间,分子标记的数量(或标记间的平均距离)以及LOD值的选择等[2224]。因此不同群体或相
同群体在不同年份对相同性状定位的QTL数量、位置及效应可能有所不同。
目前QTL研究所用的群体主要有 F2群体、双单倍体(doubledhaploid,DH)群体、回交自交系群体(back
crossinbredlines,BIL)和重组自交系群体(recombinantinbredlines,RIL)。群体大小F2 为108~186株、DH群
体为110~176株,而BIL为98~194株。从理论上讲,群体越大,等位基因分离越彻底,检测QTL的能力越强。
但实际研究中发现F2 群体大小为200和300株时对QTL的检出结果差异不大,DH群体大小在100和150株
时对QTL检出结果差异不大[25]。由于群体较小,一些效应较小的QTL难以检测到,但要构建一个有400~500
个个体的F2 群体或一个200多个个体的DH群体工作量极大。因此,一般所用的标记数多在89~141株。标记
间隔为5和21cM对估计QTL的位置和效应并没有显著差异,依靠增加标记数也是不实际的。本研究所用F2
群体大小为118个,这个群体应该是大小合适的群体。有多态的标记为85个,标记间平均距离约为20cM,标记
的数量也基本合适。
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图2 水稻营养含量的犙犜犔在染色体上的位置
犉犻犵.2 犔狅犮犪狋犻狅狀狅犳犙犜犔狊犳狅狉狀狌狋狉犻犲狀狋犮狅狀狋犲狀狋狊犻狀犵犲狀犲狋犻犮犿犪狆
CCP:粗蛋白含量Contentofcrudeprotein;CEE:粗脂肪含量Contentofetherextract;CWSC:可溶性糖含量
Contentofwatersolublecarbohydrate;CS:硅酸含量Silica;Dist.:距离Distance;Marker:标记
本研究表明,在水稻各饲用营养成分之间,除粗灰分与硅酸含量呈极显著正相关外,其他成分之间均无显著
的相关性,除控制粗蛋白和硅酸含量的QTL位于同一染色体(11号染色体)的不同区域,其余检测到的QTL均
位于不同染色体上。由此推断,水稻主要饲用营养成分无相关性的原因是没有基因连锁或一因多效,这样就克服
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了品种选育时基因紧密连锁,难以选择到有利QTL的矛盾。对已经定位到的营养含量QTLs,应用分子标记辅
助选择,不仅可以通过对分子标记的选择达到对目的基因的直接选择,而且能有效打破与不利的微效基因位点的
紧密连锁关系,从而加快育种进程。本研究是目前第1次利用野生稻和栽培稻杂交构建群体进行饲用相关性状
的定位,研究结果将有助于提高饲料稻品种的育种效率。
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FANChuanguang,ZHANGXiangqian,ZHANGJianguo,LIANZixian
(ColegeofAgriculture,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Ageneticlinkagemapof85SSRmarkerswasconstructedbasedonanF2populationderivedfroma
crossbetweenacultivatedrice“Taichung65”(犗狉狔狕犪狊犪狋犻狏犪)(♀)andacommonwildrice(犗.狉狌犳犻狆狅犵狅狀)
(♂).Themarkersinthelinkagemapweredistributedon12ricechromosomes.Thestatisticsoftwareof
Mapmaker/QTL1.0wasusedtodetectQTLsforcrudeprotein,crudefiber,etherextract,crudeash,silica,
andwatersolublecarbohydratecontents.Therewere3QTLsforcrudeprotein,1QTLforetherextract,2
QTLsforsilica,and3QTLsforwatersolublecarbohydrate.Theywereidentifiedonchromosomes1,2,4,7,
8,9,10and11.Intervalmappingidentified4majorQTLsand5minorQTLs.MajorQTLswereqCEE1(ex
plained56.8%ofvariation)fortheetherextractcontent,qCWSC4(explained23.1%ofvariation)andqC
WSC7(explained25.0%ofvariation)forWSCcontentandqCS9(explained15.9%ofvariation)forsilica
content.QTLsforcrudefiberandcrudeashcontentswerenotdetected.
犓犲狔狑狅狉犱狊:rice;forage;nutrients;F2population;QTL
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