全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2010, 36(7): 1108−1113 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家自然科学基金项目(30971845)和国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2009CB126007)资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 徐正进, E-mail: xuzhengjin@126.com, Tel: 024-88487183
第一作者联系方式: E-mail: huangchenghc@126.com; sk_jiang@126.com ** 共同第一作者
Received(收稿日期): 2010-02-03; Accepted(接受日期): 2010-04-20.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2010.01108
水稻中胚轴长度 QTL分析
黄 成 姜树坤** 冯玲玲 徐正进* 陈温福
沈阳农业大学 / 农业部作物生理生态遗传育种重点开放实验室 / 辽宁省北方粳稻育种重点开放实验室, 辽宁沈阳 110161
摘 要: 为分析水稻中胚轴伸长与赤霉素的关系及其遗传基础, 以沈农 265 (长中胚轴)和丽江新团黑谷(短中胚轴)的
RIL 群体为材料, 结合其连锁图谱, 对水和赤霉素溶液两种培养条件下的中胚轴长度进行 QTL 定位。结果表明, 浓
度为 1.50 μmol L−1的赤霉素可显著促进中胚轴的伸长。两种培养条件下, 共检测到控制中胚轴长度的 5个 QTL, 分
布在第 1、第 2、第 3、第 6和第 11 号染色体上, LOD值在 3.65~15.52 范围内, 单个 QTL对表型贡献率在 7%~33%
之间。其中 qML3、qML6 和 qML11 在 2 种处理条件下均被检测到, qML1 和 qML2 仅在水培条件下被检测到。与其
他研究比较发现, 主效基因 qML3可以在不同群体和不同环境下稳定表达。
关键词: 水稻; 中胚轴长度; 赤霉素; 数量性状座位
QTL Analysis for Mesocotyl Length in Rice (Oryza sativa L.)
HUANG Cheng, JIANG Shu-Kun**, FENG Ling-Ling, XU Zheng-Jin*, and 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 / Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161, China
Abstract: To understand genetic basis underlying the relationship between mesocotyl elongation and hormone (GA) in rice
(Oryza sativa L.), we genetically analyzed RILs population derived from a cross between two japonica rice cultivars, Shennong
265 (long mesocotyl) and Lijiangxintuanheigu (short mesocotyl), with its linkage map. QTLs for mesocotyl length were detected
under water and GA germination conditions. The results showed that GA at 1.50 μmol L−1 stimulated mesocotyl elongation dra-
matically. Total five QTLs for rice mesocotyl length, each accounting for 7% to 33% of the phenotypic variance (VE), were de-
tected on chromosomes 1, 2, 3, 6, and 11 under two germination conditions (environments). The LOD value of each QTL was
ranged from 3.65 to 15.52. Among the five QTLs, qML3, qML6, and qML11 were detected under both germination conditions and
qML1 and qML2 were identified only under water germination condition. In comparison with other studies revealed that major
QTL qML3 was easily re-detected in different populations and environments.
Keywords: Rice; Mesocotyl length; Gibberellin; Quantitative trait loci
胚轴是构成种子和幼苗及其形态建成过程中的
重要部分, 它连接胚根、胚芽、子叶和禾本科植物
的胚芽鞘, 通常分为上胚轴(子叶节或胚芽鞘节至胚
芽的一段)、中胚轴(禾本科植物盾片节至胚芽鞘节
的一段)和下胚轴(子叶节或禾本科的盾片节至胚根
的一段)。在水稻中, 上胚轴基本不活动, 下胚轴的
伸长也极其有限, 主要靠中胚轴的伸长将胚芽连同
伸长的胚芽鞘送至土表附近, 以便幼苗吸收空气中
氧气而进行随后的正常生长[1]。所以, 水稻中胚轴的
伸长对直播水稻萌发后的幼苗生长至关重要, 选育
具有中胚轴伸长特性的品种是直播技术推广的重要
前提。
关于长中胚轴水稻资源的筛选已有部分报道 ,
Wu等[2]从 84份水稻和 12份陆稻资源中, 筛选到 14
份长中胚轴材料(>1 cm), 其中 5份是陆稻, 9份是水
稻。王莹等[3]研究了 93 份杂草稻和 16 份栽培稻中
胚轴的伸长特性发现, 其中 7.5%的杂草稻具有较长
的中胚轴(>7.5 cm), 对于中胚轴伸长能力, 杂草稻
强于栽培稻, 籼稻又强于粳稻。林建荣等[4]研究表明,
中胚轴伸长特性受 2 对隐性基因控制, 并与株高存
在一定的连锁关系。随着以分子标记连锁图谱为基
础的 QTL分析技术的发展, 该技术已成为研究复杂
第 7期 黄 成等: 水稻中胚轴长度 QTL分析 1109


性状遗传机制的主要手段之一。Redoña和 Mackill[5]
利用 Labelle和 BlackGora的 F2群体及其对应的连锁
图谱共检测到控制中胚轴长度的 5 个 QTL, 位于第
1、第 3、第 5 和第 7 号染色体上, 并认为该性状存
在基因型与环境互作。曹立勇等[6]利用籼稻 IR64和
粳稻 Azucena 杂交的 F1代花粉离体培养获得的 DH
群体定位了控制中胚轴长度的 8 个 QTL, 分别位于
第 1、第 3、第 6、第 7、第 8和第 12号染色体上, 也
认为该性状存在基因型与环境互作。Katsuta-Seki
等[7]利用 Daorenqiao和 Surjumkhi的 F2:3家系, 在第
3、第 6 和第 11 号染色体上定位了 3 个控制中胚轴
长度的 QTL。
在影响中胚轴伸长的众多因素中, 激素是不能
忽视的重要影响因子。Nishizawa等[8]研究表明乙烯
能促进中胚轴伸长。Suge[9]证明乙烯不但促进中胚
轴伸长, 而且在高温条件下作用效果增强。陈金桂
等 [10]研究表明适量的赤霉素(GA)能够促进中胚轴
的生长, 高浓度的 GA 作用相反。曹立勇等[11]也得
到类似结果。关于激素调节中胚轴伸长的遗传机制
鲜有报道, 本研究拟检测水培和 GA 处理两个环境
下, 控制幼苗中胚轴长度的 QTL, 探讨 GA 促进水
稻幼苗中胚轴伸长的遗传基础。
1 材料与方法
1.1 材料
利用沈农 265(SN265)和云南省的地方粳稻品种
丽江新团黑谷 (LTH)为亲本进行杂交构建的包含
126 个株系的粳 -粳重组自交系群体 (recombinant
inbred lines, RILs)及其对应的包含 121 个标记的连
锁图谱为材料。QTL定位图谱包含 119个分子标记
和 2个形态学标记(紫色稃尖 C和直立穗型 EP)。该
图谱共有 12个连锁群, 覆盖水稻基因组为 1 397.50
cM, 标记平均距离为 11.55 cM[12]。
1.2 方法
按 Wu 等[2]和曹立勇等[11]的方法进行幼苗培养
与中胚轴长度测定。于种子发芽试验专用培养皿底
垫吸水纸 2层, 加水 10 mL, 每个株系挑选 30粒饱
满、干燥、无病种子整齐均匀排放在吸水纸上, 用
不透光的纸严密包裹培养皿, 置小型人工气候箱中
在适温(25~28℃)黑暗条件下培养 10 d, 设 3次重复
(每个重复 30 粒)。出箱后, 用毫米刻度尺测定每一
株系的每一株幼苗的中胚轴长度(指幼苗根部节间
到芽鞘节之间的长度)(图 1), 最后求出每个株系 3次
重复的平均中胚轴长度, 用于进一步的分析。

图 1 亲本的幼苗中胚轴
Fig. 1 Seedling mesocotyl of parents

1.3 激素处理
将赤霉素(GA)配成 8.00 μmol L−1母液, 依次稀
释成浓度为 1.00、1.25、1.50、1.75、2.00、2.25 和
2.50 μmol L−1的溶液, 以蒸馏水作对照, 按 1.2方法
培养和测量中胚轴长度。
1.4 QTL定位
利用 Qgene4.3.2软件[13]的复合区间作图法进行
QTL 定位, 选择前景控制因子方法, 参数设置为自
动。采用排列组合 1 000次的方法确定 LOD阈值。
当实际求得 LOD值大于阈值时, 就认为该区段存在
一个 QTL, 其置信区间为 LOD 峰值向下 1 个 LOD
值单位的区间。
1.5 不同群体的结果比较
在禾本科作物比较基因组学网站GRAMENE的
Markers Search网页(http://www.gramene.org/db/mar-
kers/marker_view)上搜索该 QTL 两侧标记的物理位
置(以日本晴的序列为基准)以确定该 QTL 在染色体
上的物理区间, 从而进行不同连锁图谱 QTL 的比
较。
2 结果与分析
2.1 亲本中胚轴在不同浓度GA溶液的伸长表现
以 1.00、1.25、1.50、1.75、2.00、2.25和 2.50 μmol
L−1等 7个GA浓度处理发现, 亲本中胚轴长度对GA
1110 作 物 学 报 第 36卷

处理浓度比较敏感。在较低浓度(1.00~1.50 μmol L−1)
GA处理下, 中胚轴长度明显增长; 随着浓度的升高
(1.75~2.50 μmol L−1)其长度逐渐减小。由此可见, GA
溶液对水稻中胚轴伸长生长, 在较低浓度下有促进
作用 , 在较高浓度下有抑制作用。由于浓度 1.50
μmol L−1 时双亲中胚轴长度最高, 故选用该浓度处
理 RIL群体。
2.2 中胚轴长度在 RIL群体中的表现及相关分析
沈农 265 和丽江新团黑谷的中胚轴伸长具有较
大的差异, 水培条件下, 中胚轴长度分别为 1.144
cm和 0.419 cm, 在浓度 1.50 μmol L−1的 GA处理下
为 1.678 cm和 1.192 cm (图 2), 差异达到极显著水
平; 表 1 表明, 沈农 265/丽江新团黑谷的 RIL 群体

图 2 沈农 265(SN265)和丽江新团(LTH)黑谷在不同 GA浓度下
的处理的中胚轴长度
Fig. 2 Mesocotyl length of SN265 and LTH under different
GA content
在水培条件下中胚轴平均达 0.748 cm, 最长达 2.30
cm, 最短为 0.18 cm; 在浓度 1.50 μmol L−1的 GA处
理下中胚轴平均达 1.584 cm, 最长 3.52 cm, 最短为
0.65 cm, 且变异系数较大。群体在水和 GA处理下
的中胚轴长度均呈正态分布, 并呈现出极强的超亲
分离。相关分析的结果表明, GA处理下的中胚轴长
度与水处理下的中胚轴长度高度正相关(r=0.807**)。
2.3 中胚轴长度 QTL分析
在应用 1.50 μmol L−1 GA溶液和蒸馏水对照两
种培养条件下, 共检测到控制中胚轴长度的 QTL 5
个(表 2和图 3), 分布于第 1、第 2、第 3、第 6和第
11条染色体上, 最高 LOD值变幅为 3.65~15.52, 单
个 QTL表型贡献率的变幅为 7.95%~33.36%。qML1
和 qML2 仅在对照条件下被检测到, 前者贡献率为
10.87%, 加性效应为 0.17 cm, 增效等位基因来源于
母本沈农 265; 后者贡献率为 12.03%, 加性效应为
0.23 cm, 增效等位基因来源于父本丽江新团黑谷。
qML3、qML6和 qML11在 2种处理条件下均被检测
到, 增效等位基因均来自母本, 其中, qML3 在对照
和GA处理条件下的加性效应分别为 0.29 cm和 0.41
cm, 贡献率分别为 24.97%和 33.36%, 超过所有其
他 QTL, 且其 1-LOD置信区间基本一致; qML11的
1-LOD置信区间基本无变化, LOD值、加性效应和
贡献率亦高度稳定; qML6的 1-LOD置信区间偏移较
大, 加性效应和贡献率较低, 但其 LOD 值、加性效
应和贡献率仍高度稳定。

表 1 沈农 265/丽江新团黑谷的 RIL群体在水和 GA培养下中胚轴长度的分布
Table 1 Distribution of mesocotyl length in SN265/LTH RILs population under water and GA
亲本 Parent RIL 处理
Treatment 沈农 265
SN265
丽江新团黑谷
LTH
差值
Difference
平均值±标准差
Mean±SD
变幅
Range
变异系数
CV
峰度
Kurtosis
偏度
Skewness
水Water 1.14 0.42 0.73** 0.75±0.54 2.30–0.18 71.79 0.98 1.36
赤霉素 GA 1.68 1.19 0.49** 1.58±0.68 3.52–0.65 42.61 −0.36 0.71
** P<0.01.

表 2 在 2种处理下检测到的中胚轴长度 QTL
Table 2 QTLs for mesocotyl length detected in two treatments
数量性状座位
QTL
染色体
Chromosome
处理
Treatment
标记区间
Marker interval
LOD值
LOD value
加性效应 a
Additive effect a
贡献率
PVE (%)
qML1 1 水 Water RM562–RM5 9.50 0.17 10.87
qML2 2 水 Water RM279–RM145 3.65 −0.23 12.03
水 Water RM426–RM448 8.93 0.29 24.97 qML3 3
赤霉素 GA RM426–RM514 15.52 0.41 33.36
水 Water RM253–RM402 4.95 0.17 9.28 qML6 6
赤霉素 GA RM402–RM541 5.20 0.20 7.95
水 Water PM173–RM441 8.99 0.23 18.25 qML11 11
赤霉素 GA PM173–RM441 8.07 0.27 11.76
a. 一个母本型等位基因取代父本型等位基因所产生的遗传效应。
a. Genetic effect when a paternal allele is replaced by a maternal allele. PVE: phenotypic variation explained.
第 7期 黄 成等: 水稻中胚轴长度 QTL分析 1111



图 3 沈农 265/丽江新团黑谷群体中检测到的控制中胚轴长度的 QTL
Fig. 3 QTL map of mesocotyl length in the RIL population of SN265/LTH

3 讨论
水稻幼苗中胚轴长度因品种即遗传基础的不同
而异, 也常因周围环境因素的变化而产生较大的变
异, 中胚轴长度的直接鉴定方法主要采用在黑暗条
件下种子发芽若干天后 , 测定其幼苗中胚轴的长
度[2-6]。本试验采用这一方法, 成功地进行了控制水
稻幼苗中胚轴长度的 QTL定位。在栽培稻中, 籼稻
中胚轴易伸长, 而粳稻的中胚轴几乎不伸长[1-2,8]。但
本研究发现, 粳稻沈农 265在两种培养溶液中的中
胚轴长度明显长于丽江新团黑谷, 而且 5个 QTL中
有 4个的增效等位基因来源于沈农 265。其原因: (1)
沈农 265是籼粳杂交后代 , 其部分长中胚轴基因可
能来源于籼稻; (2) 部分长中胚轴基因可能是在水
稻籼粳分化之前就存在, 始终存在于粳稻之中。但
这仅仅是推测, 仍需试验进一步证明。以上信息表
明沈农 265 可以作为直播的候选品种, 也可以作为
直播品种的亲本材料。
林建荣等 [4]研究发现, 控制中胚轴伸长的基因
很可能与控制株高、节间长度等性状的基因存在着
连锁关系。由于株高、节间长度等性状直接关系到
水稻的抗倒性, 因此在直播稻的育种中利用长中胚
轴特性的材料, 很可能一方面提高了直播稻的出苗
率, 而另一方面又增长了株高和节间长度, 降低了
抗倒伏能力。我们利用该群体进行株高和节间长的
QTL 分析(另文报道)时, 仅有个别控制中胚轴长度
的基因座与控制株高(或节间长)的基因座连锁, 但
并未检测到任何同时控制中胚轴长度和株高(或节
间长)的基因座, 说明二者有着不同的遗传基础, 这
为我们培育长中胚轴但株高合理的直播稻提供了理
论支持。
水稻幼苗中胚轴长度的遗传具有一定稳定性 ,
但也受周围环境因素的影响[5-6]。本研究中母本沈农
265 和父本丽江新团黑谷对 GA 具有较强敏感性。
在较低浓度处理下, 其中胚轴长度明显增长; 在较
高浓度的 GA 浓度处理下其长度显著减短。1.50
μmol L−1的 GA 浓度效果较好, 与吴三桥等[14]2002
年的报道(1.25 μmol L−1)较为接近。已有研究[15]表明,
GA 通过促进细胞的伸长进而调节中胚轴的长度。
本研究在 GA 处理条件下检测到 3 个 QTL, 这 3 个
基因很可能与 GA 之间通过某种联系进而调控中胚
轴的生长, 对它们进行精细定位和克隆将会为我们
了解这种机制提供直接证据。本研究由于条件所限,
仅对 GA 一种激素 7 种浓度进行了研究, 关于其他
激素对中胚轴长度的影响需进一步探讨。
与其他研究者的结果 [5-6]比较发现(图 4), 主效
1112 作 物 学 报 第 36卷

基因 qML3在不同群体、不同环境下重演性很好, 可
以作为基因克隆的首选目标。Redoña 等[5]研究发现
qML3 的加性效应值为 0.33, 贡献率为 17.0%; 曹立
勇等[6]研究发现 qML3的加性效应值为 0.21, 贡献率
为 11.3%。本研究在两个不同环境下检测 qML3 的
加性效应值分别为 0.29 和 0.41, 贡献率分别为
24.97%和 33.36%。利用分子标记技术分析定位控制
中胚轴长度的微效多基因(QTL), 并通过分子标记
辅助选择的方法对控制中胚轴长度的 QTL 进行聚
合, 再辅之以农艺性状的改良就可以把控制中胚轴
长度的基因聚合到高产水稻品种中, 培育优良直播
品种。

图 4 本文结果与已经定位控制中胚轴长度的 QTL比较
Fig. 4 Comparison of QTLs controlling mesocotyl length between reference and this study

4 结论
在水培(对照)和GA处理两种培养条件下, 共检
测到 5 个控制水稻中胚轴长度的 QTL。其中 qML1
和 qML2仅在对照条件下被检测到, qML3、qML6和
qML11 在 2 种处理条件下均被检测到。主效 QTL
qML3 在不同群体和不同环境下稳定表达, 可用于
分子标记标记辅助育种和基因克隆。
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