全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2008, 34(7): 1137−1142 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

基金项目: 国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2006AA10Z158, 2006AA100101); 国家科技支撑计划项目(2006BAD13B01); 引进国际先
进农业科学技术计划(948计划)项目[2006-G1(B)]；山东省中青年科学家科研奖励基金项目(620632)
作者简介: 穆平(1971–), 男, 山东博兴人, 博士, 副教授。
*
通讯作者(Corresponding author): 李自超, Tel: 010-62731414; E-mail: lizichao@cau.edu.cn
Received(收稿日期): 2007-11-26; Accepted(接受日期): 2008-02-19.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2008.01137
低磷胁迫下水稻产量性状变化及其 QTL定位
穆 平 1,2 黄 超 1 李君霞 1 刘立峰 1 刘弋菊 1 李自超 1,*
(1中国农业大学农业部作物基因组学与遗传改良重点实验室 / 北京市作物遗传改良实验室, 北京 100094; 2青岛农业大学生命科学学
院, 山东青岛 266109)
摘 要: 为研究低磷胁迫对水稻产量及其构成因素 QTL表达的影响, 以耐低磷旱稻 IRAT109和磷敏感水稻越富杂交
的 116个株系的 DH群体为材料, 在低磷和正常栽培条件下, 调查了千粒重、结实率、有效穗数、穗粒数及单株产量
等性状。结果表明, 结实率、有效穗数和单株产量对低磷胁迫的敏感性较大, 而千粒重、穗粒数对低磷胁迫的敏感性
较小。利用水稻分子连锁图中 94个 RFLP标记和 71个 SSR标记, 依据以上 5性状低磷胁迫下与对照的差值进行 QTL
定位。共检测出 17个 QTL, 其中 12个对表型变异的贡献率大于 10%。3、6和 7号染色体上 3个标记区域存在 QTL
成簇分布, 这些高贡献率 QTL及成簇分布 QTL可作为水稻耐低磷产量性状分子育种的重要候选区域。
关键词: 水稻; 低磷胁迫; 产量性状; QTL
Yield Trait Variation and QTL Mapping in a DH Population of Rice under
Phosphorus Deficiency
MU Ping1,2, HUANG Chao1, LI Jun-Xia1, LIU Li-Feng 1, LIU Ui-Ju1, and LI Zi-Chao1,*
(1 Key Laboratory of Crop Genomics and Genetic Improvement, Ministry of Agriculture / Beijing Key Laboratory of Crop Genetic Improvement,
China Agricultural University, Beijing 100094; 2 College of Life Science, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, Shandong, China)
Abstract: To study the difference of QTLs for rice yield and its component traits under different phosphorus applications, a
DH (doubled haploid) population including 116 lines, derived from a cross between phosphorus deficiency tolerant rice
IRAT109 and phosphorus deficiency sensitive rice Yuefu, was evaluated for yield per plant (YP) and its components including
1000-grain weight (GW), seed-setting percentage (SP), panicle number per plant (PN), and grain number per panicle (GN) under
phosphorus deficiency and normal conditions. No significant differences were found in GW and GN but significant differ-
ences were found in SP, PN, and YP for the DH population between the two conditions. This result indicted that SP, PN, and YP
were more easily influenced by phosphorus deficiency than GW and GN. A total of seventeen QTLs were detected for plant
yield and its components under phosphorus deficiency using the constructed molecular linkage map (including 94 RFLP and 71
SSR markers and covering 1 535 cM). Among them, there were twelve QTLs with general contributions of over 10% to pheno-
typic variation. Three tightly linked QTL regions on chromosomes 3, 6, and 7 were identified. These QTLs with high general con-
tribution and tightly linked QTL regions might be useful for phosphorus deficiency tolerant and high yielding rice breeding by
molecular marker assisted selection.
Keywords: Rice; Low-phosphorus deficiency; Yield trait; QTL
磷是植物的必需营养元素。我国有半数以上的
耕地缺磷 [1], 生产中经常大量施用磷肥以保证粮食
产量。近年来, 环境保护和高效绿色农业的需要推
动磷胁迫条件下作物形态、生理生化的研究日益加
强[1-2]。Fageria 等[3]对 20 种陆稻的研究表明, 植株
干物重及含磷量不仅与土壤磷含量, 而且与基因型
的差异有关。水稻的根系、有效穗数等性状可作为
耐低磷胁迫的形态指标[4-8]。在耐低磷胁迫基因定位
1138 作 物 学 报 第 34卷

方面, Su等[9]以小麦 DH (doubled haploid) 群体为材
料, 以有效穗数、茎干重等为耐低磷指标, 定位了
39个相关 QTL(quantitative trait loci)。Zhu等[10]以根
系为指标定位了玉米耐低磷 QTL。Shimizu 等[11]、
Ni等[12]和 Wissuwa等[13-14]分别以根系、有效穗数和
结实率为指标 , 在水稻上定位了与耐低磷相关的
QTL。低磷胁迫对水稻产量有较大影响, 有的产量构
成因素, 如有效穗数本身就可作为耐低磷胁迫的指
标[6,15]。有关低磷胁迫对水稻产量及其相关性状的影
响以及相应性状 QTL的研究却鲜有报道。本文首先
研究低磷胁迫对产量及其构成因素的影响, 并进行
QTL 定位, 为水稻磷高效、高产育种和分子标记辅
助选择提供基础。
1 材料与方法
1.1 试验材料及田间种植
粳稻品种 IRAT109和越富杂交 F1代, 经花药培
养获得 DH 群体 116 个株系。其亲本 IRAT109 具有
较好的耐低磷性, 耐低磷等级为 1 级; 越富为典型
磷敏感品种, 耐低磷等级为 9级[6]。
所有 DH系及其亲本均于 2002年 5月 7日在北
京西郊中国农业大学试验站播种, 旱田种植。试验
土壤为潮褐土, 地力均匀, 含碱解氮 0.030%、速效
磷 19.19 mg kg−1(Olsen法)、速效钾 85.51 mg kg−1。
设施磷(对照)和不施磷(低磷)两个处理, 2 次重复,
随机排列。各处理均施纯氮 200 kg hm−2(以尿素形态
施入)、K2O 100 kg hm−2、P2O5 90 kg hm−2(对照区以
KH2PO4形态施入, 低磷区施入 KCl, 不施磷肥), 磷
肥和钾肥全部作为基肥施用 , 氮肥 50%作为基肥 ,
另 50%作为追肥在分蘖期施用。采用单粒点播, 每
株系种 1行, 每行 30株, 种植密度为 30 cm × 5 cm。
全生育期灌水 2~3 次, 每次灌水量约 50 mm, 总灌
溉量(包括降雨)约 500 mm。
1.2 考察指标与数据分析
成熟时每行收获除边株外 5 株, 考察千粒重、
结实率、有效穗数、穗粒数及单株产量。其中千粒
重、结实率、有效穗数、穗粒数均为每株主茎和分
蘖的平均值。采用 SPSS(11.0)软件进行数据分析。
1.3 分子标记连锁图谱的构建
利用 RFLP(restriction fragment length polymor-
phism)和 SSR(simple sequence repeat)标记, 构建该
DH 群体的分子标记连锁图谱。按 CTAB 法提取总
DNA[16]。按 McCouch等的方法进行酶切、Southern
杂交[17]。用 EcoR I、EcoR V、Hind III、Dra I、BamH
I五种限制性内切酶消化 DNA, RFLP探针由日本国
立农业资源研究所水稻基因组计划(RGP)惠赠。根据
Temnykh等[18]发表的序列合成 SSR引物。PCR扩增
反应体系为 20 μL, 包括 30 ng DNA模板, 1 U Taq
DNA聚合酶, 2 μL 10×缓冲液, 2 pmol引物。PCR扩
增程序为 94℃预变性 5 min, 94℃变性 1 min, 54~58
℃退火 1 min, 72℃延伸2 min, 30个循环, 72℃保温 10
min, 扩增产物加 10 μL变性缓冲液, 在 95℃下变性 5
min后迅速用冰冷却, 然后在 8%聚丙烯酰胺凝胶上电
泳 2 h, 用银染法进行染色。采用MAPMAKER/EXP3.0
软件构建分子标记连锁图, 165个标记的水稻连锁图覆
盖水稻基因组 1 535 cM, 标记间平均间距为 9.3 cM。
1.4 QTL定位
采用混合线性模型复合区间作图法 , 及 QTL-
Mapper 2.0 软件对 DH 群体的产量及其相关性状低
磷胁迫与对照的差值进行 QTL定位分析, 以概率值
小于 0.005作为判断 QTL存在的标准[19-20]。为了体
现胁迫与对照之间的差异, 采用该差值作为 QTL定
位的数据, 进行耐低磷 QTL定位。为进一步比较耐
低磷与耐旱性之间的关系, 将本研究检测到的耐低
磷QTL与前期利用同一群体检测到的以产量相关性
状为指标的耐旱 QTL[21]同时标注在分子标记连锁图
上, 比较耐低磷 QTL与耐旱 QTL间的关系。
2 结果与分析
2.1 DH群体及亲本的表型值
表 1 显示, 两亲本的单株产量在低磷和对照条
件下都存在极显著差异, 在低磷条件下磷高效亲本
IRAT109 的单株产量为对照的 79%, 而磷敏感亲本
越富仅为对照的 47%。从产量构成因素看, 低磷胁
迫对 IRAT109的千粒重、结实率和穗粒数影响不显
著, 对有效穗数影响达显著水平, 所以产量降低主
要是有效穗数的降低; 而越富的 4 个产量构成因素
对低磷胁迫的反应均达显著或极显著水平。
在低磷条件下, DH群体的结实率、有效穗数、
及单株产量均值均低于对照。群体各性状变异范围
均表现超亲变异, 说明产量及其相关性状在群体间
有广泛分离。其中单株产量降低程度最大。方差分
第 7期 穆 平等: 低磷胁迫下水稻产量性状变化及其 QTL定位 1139


表 1 不同磷处理的 DH群体及其亲本产量及相关性状的表现
Table 1 Phenotypic values of yield and its components traits of DH lines and the parents under different conditions
DH群体 DH lines
性状
Trait
处理
Treatment
IRAT109 F值
F-value
越富
Yuefu
F值
F-value 平均值
Mean
SD 偏度
Skweness
峰度
Kurtosis
范围
Range
F值
F-value
低磷 −P 30.10 17.50 24.14 3.20 0.06 −0.15 5.90–31.70 千粒重
GW (g) 对照 N 31.70
2.13
21.20
9.67*
24.41 3.84 −1.07 3.40 16.50–32.20 0.319

低磷 −P 0.82 0.87 0.74 0.19 −1.29 0.84 0.15–0.95 结实率
SP 对照 N 0.83
0.47
0.90
10.33*
0.79 0.17 −2.30 6.30 0.22–0.98 6.390
*

低磷 −P 4.00 2.00 2.80 5.18 1.44 3.94 1.60–8.20 有效穗数
PN 对照 N 5.60 8.47
*
3.80
7.58*
4.93 7.95 0.79 1.17 2.30–10.40
17.010**

低磷 −P 97.30 68.30 93.35 25.95 0.81 2.23 30.50–162.00 穗粒数
GN 对照 N 99.20 3.58 72.60 11.21
**
95.94 22.36 0.41 0.79 32.20–192.00
0.186

低磷 −P 8.40 3.10 5.62 14.00 1.18 3.65 0.82–13.15 单株产量
YP (g) 对照 N 10.60 10.42
**
6.60
34.67**
11.02 21.50 0.01 0.56 1.04–18.67
21.760**
* : 处理间差异显著; **: 处理间差异极显著。
* : significant at P<0.05 between the two treatments. **: significant at P<0.01 between the two treatments. GW: 1000-grain weight, SP:
seed-setting percentage, PN: panicle number per plant, GN: grain number per panicle, YP: yield per plant. −P: phosphorus deficiency; N:
phosphorus normal (control).

析表明, 结实率、有效穗数和单株产量在两种条件
下差异显著或极显著, 千粒重、穗粒数差异不显著,
说明结实率、有效穗数和单株产量对低磷胁迫较敏
感, 而千粒重、穗粒数对低磷胁迫的敏感性较小。
两种条件下各性状在群体中分离广泛, 适于 QTL定
位分析。
2.2 磷胁迫条件下产量及其构成因素 QTL分析
磷胁迫条件下 5个性状共检测到 17个 QTL, 对
表型变异的贡献率为 2.65%~20.78%, 其中 12 个
QTL对表型变异的贡献率大于 10%(表 2, 图 1)。与

表 2 磷胁迫条件下检测到的产量及其构成因素的 QTL
Table 2 QTLs associated with yield and its component traits under phosphorus deficiency condition
性状
Trait
QTL 区间
Interval
位置
Site (cM) 1)
效应
Effect 2)
LOD 贡献率
H2A (%) 3)
千粒重 GW qGW3 R2247–C746 14 −2.680 5.13 14.38

qSP5 R569–RM267 0 0.078 3.89 16.48
qSP2 RM341–RM208 14 −0.059 3.62 11.50
qSP3 RM231–RM175 12 0.045 3.13 6.79
qSP6 RM314–RM253 4 −0.042 3.33 5.86
结实率 SP
qSP11 OSR1–RM202 8 −0.066 4.91 14.32

qPN7 OSR22–RM11 0 −2.980 4.08 17.82
qPN10 RM216–C1369 4 −2.530 4.32 17.35
有效穗数 PN
qPN12 RM270–RM235 2 2.780 3.12 18.43

qGN3 G51–RM231 0 7.510 3.02 2.65
qGN4 C107–C734 2 −10.930 3.58 5.62
qGN6 OSR21–G2028 18 10.340 3.91 20.78
穗粒数 GN
qGN7 R1488–C1008 0 17.090 4.38 13.47

qYP2 RM208–RM48 0 −0.376 3.68 4.77
qYP3 C746–R3226 2 −4.650 4.14 11.43
qYP6 G2028– RM276 2 0.389 4.53 13.55
单株产量 YP
qYP7 OSR22–RM11 2 0.062 3.83 11.23
1) 左边标记到 QTL的遗传距离; 2) QTL负值表示越富等位基因降低性状值; 3) H2A表示 QTL贡献率。符号缩写同表 1。
1) The distance from the left marker to the putative QTL. 2) The negative value indicates that the Yuefu allele has a negative effect on the
trait. 3) H2A is the total contribution from additive QTL. Abbreviations as in Table 1.
1140 作 物 学 报 第 34卷



图 1 耐低磷及耐旱条件下水稻产量及其相关性状 QTL在染色体上的位置
Fig. 1 Map locations of QTLs associated with yield and its components in rice under phosphorus deficiency and drought stress conditions
Abbreviations as in Table 1.

千粒重有关的 QTL 1个, 其 LOD值为 5.13, 贡献率
达 14.38%; 与结实率相关的 QTL 5个, 其中 qSP2、
qSP5和 qSP11对表型变异的贡献率大于 10%; 与有
效穗数相关的 QTL 3 个, 其贡献率均大于 17%, 其
中 qPN10和 qPN12的效应方向相反; 与穗粒数相关
的QTL 4个, 其中 qGN6和 qGN7具有较高的贡献率,
第 7期 穆 平等: 低磷胁迫下水稻产量性状变化及其 QTL定位 1141


亲本 IRAT109 在该位点对穗粒数有正向作用; 与单
株产量相关的 QTL 4个, 分别位于 2、3、6和 7号
染色体上, 贡献率为 4.77%~13.55%, 其中 qYP3、
qYP6和 qYP7 的贡献率大于 10%, 亲本 IRAT109在
qYP6和 qYP7位点对单株产量有正向作用。
综上结果 , 磷胁迫条件下产量及其相关性状
QTL分布在除 1、8、9号染色体外的其他 9条染色
体上, 并且一些产量相关性状的 QTL成簇分布。其
中 3号染色体上 C746附近控制千粒重的 QTL qGW3
与控制单株产量的 QTL qYP3, 6 号染色体 RM276~
RM253区域控制结实率的 QTL qSP6与控制单株产
量 QTL的 qYP6, 7号染色体上 OSR22~RM11区域控
制有效穗数的 QTL qPN7 与控制单株产量的 QTL
qYP7存在成簇分布现象。这 3个区域可作为水稻耐
低磷产量性状分子育种的重要候选区域。
3 讨论
当水稻生长在缺磷条件下时, 表现为根长增加,
有效穗数减少, 而且不同品种间存在明显差异[1]。本
试验中, 磷胁迫下有效穗数降低主要是由于根量的
降低。从研究结果看, 磷高效材料可通过较高的有
效穗数来保持相对较高的产量。同时由于低磷条件
下结实率也有较显著变化, 因此结合有效穗数和结
实率才能选到磷高效、高产的材料。
另外, 根据本研究结果结合前期研究[6]发现水稻
耐低磷与耐旱性之间有一定的相关性。本研究检测到
的耐低磷 QTL 与前期利用同一群体旱田条件下的产
量性状QTL[21]比较(图1), 6号染色体RM276~ RM253、
7号染色体OSR22~RM11、10号染色体RM311~RM216
及 11号染色体OSR1~RM202标记区域的QTL在低磷
和旱田条件下都被检测到, 说明这些 QTL 是在不同
条件下控制产量及其相关性状的重要 QTL, 也是耐低
磷与耐旱相关性的遗传基础。在旱稻产量性状分子育
种中可优先选择与这些QTL紧密连锁的分子标记进
行标记辅助选择, 可同时对磷高效和抗旱性进行选
择, 以提高选择效率。
比较本研究前人的 QTL 定位结果, 对有效穗数,
位于 6 号染色体上的 QTL(qSP6)与 Ming 等[22]和
Wissuwa等[13]定位的区域相近, 10号染色体上的QTL
(qPN10)与明凤等[19]定位的位置相近, 12号染色体上
的 QTL(qPN12)与 Wissuwa 等[13]定位的位置相近。
说明这 3个 QTL是水稻磷高效的重要 QTL, 在水稻
磷高效育种中可选用与这些QTL紧密连锁的分子标
记进行分子标记辅助选择, 以提高选择效率。
4 结论
结实率、有效穗数和单株产量对低磷胁迫的敏
感性较大, 而千粒重、穗粒数的敏感性较小。3号染
色体 C746、6 号染色体 RM276~RM253、7 号染色
体 OSR22~RM11 等区域 QTL 存在成簇分布现象。
这 3 个区域可作为水稻耐低磷产量性状分子育种的
重要候选区域。
References
[1] Li Y-F(李永夫), Luo A-C(罗安程), Wang W-M(王为木), Yang
C-D(杨长登), Yang X-E(杨肖娥). An approach to the screening
index for low phosphorous tolerant rice genotype. Chin J Appl
Ecol (应用生态学报), 2005, 16(1): 119−124 (in Chinese with
English abstract)
[2] Dai G-X(戴高兴), Deng G-F(邓国富), Zhou M (周萌). Ad-
vances in low phosphorus stress on rice. Guangxi Agric Sci (广西
农业科学), 2006, 37(6): 671−675 (in Chinese)
[3] Fageria N K, Wright R J, Baligar V C. Rice cultivar evaluation
for phosphorus use efficiency. Plant Soil, 1988, 111: 105−109
[4] Shen S-Q(申时全), Zeng Y-W(曾亚文), Pu X-Y(普晓英), Du
J(杜娟), Li S-C(李绅崇). Characteristics of Yunnan province rice
landrace core collections under phosphorus deficiency. Chin J
Appl Ecol (应用生态学报), 2005, 16(8): 1569−1572 (in Chinese
with English abstract)
[5] ShenY-F(沈玉芳), Qu D(曲东), Wang B-L(王保莉), Zhang
X-C(张兴昌). Effects of phosphorus on root hydraulic conducti-
vity of crops under drought stress. Acta Agron Sin (作物学报),
2005, 31(2): 214−218 (in Chinese with English abstract)
[6] Liu Y(刘亚), Li Z-C(李自超), Mi G-H(米国华), Zhang H-L(张
洪亮), Mu P(穆平), Wang X-K(王象坤). Screen and identifica-
tion for tolerance to low-phosphorus stress of rice germplasm
(Oryza sativa L.). Acta Agron Sin (作物学报), 2005, 31(2):
238−242 (in Chinese with English abstract)
[7] Gao F-Y(高方远), Lu X-J(陆贤军), Kang H-Q(康海岐), Sun
S-X(孙淑霞), Liu G-C(刘光春), Ren G-J(任光俊). Screening
and Identification for rice (Oryza sativa L.) tolerance to Pi defi-
ciency at seedling stage. Acta Agron Sin (作物学报), 2006, 32(8):
1151−1155 (in Chinese with English abstract)
[8] Liu H-G(刘亨官), Liu Z-X(刘振兴), Liu F-X(刘放新). Screen
for tolerance to low phosphorus in rice and study on its traits. Fu-
jian J Agric Sci (福建农业科技), 1987, (6): 9−11 (in Chinese)
[9] Su J Y, Xiao Y M, Li M, Liu Q Y, Li B, Tong Y P, Jia J Z, Li
Z S. Mapping QTLs for phosphorus-deficiency tolerance at
wheat seedling stage. Plant Soil, 2006, 281: 25−36
[10] Zhu J M, Kaeppler S M, Lynch J P. Mapping of QTL con-
1142 作 物 学 报 第 34卷

trolling root hair length in maize (Zea mays L.) under phos-
phorus deficiency. Plant Soil, 2005, 270: 299−310
[11] Shimizu A, Yanagihara S, Kawasaki S, Ikehashi H. Phos-
phorus deficiency-induced root elongation and its QTL in
rice (Oryza sativa L.). Theor Appl Genet, 2004, 109: 1361−
1368
[12] Ni J J, Wu P, Senadh D, Huang N. Mapping QTLs for phos-
phorus deficiency tolerance in rice (Oryza sativa L.). Theor
Appl Genet, 1998, 97: 1361−1369
[13] Wissuwa M, Yano M, Ae N. Mapping of QTLs for phos-
phorus-deficiency tolerance in rice (Oryza sativa L.). Theor
Appl Genet, 1997, 97: 777−783
[14] Wissuwa M, Ae N. Further characterization of two QTLs that
increase phosphorus uptake of rice (Oryza sativa L.) under phos-
phorus deficiency. Plant Soil, 2001, 237: 275−286
[15] Ming F(明凤), Mi G-H(米国华), Zhang F-S(张福锁), Zheng
X-W(郑先武), Zhu L-H(朱立煌). Progress on molecular marker
for plant uptake and utilization gene under nutrient stress. Prog
Biotech (生物工程进展), 1999, 19(6): 16−21 (in Chinese with
English abstract)
[16] Rogers O S, Bendich A J. Extraction of DNA from plant tissue.
In: Plant Molecular Biology Manual, 1988. pp 1−10
[17] McCouch S R, Kochert G, Yu Z H, Wang Z Y, Khush G S,
Coffman W R, Tanksly S D. Molecular mapping of rice chromo-
somes. Theor Appl Genet, 1988, 76: 815−829
[18] Temnykh S, Park W D, Ayres N. Mapping and genome organiza-
tion of microsatellite sequences in rice (Oryza sativa L.). Theor
Appl Genet, 2000, 100: 697−712
[19] Wang D L, Zhu J, Li Z K, Paterson A H. A computer software
for mapping quantitative trait loci with main effects, epistatic ef-
fects and QTL × Environment interactions. In: User Manual for
QTL Mapper Version 1.0. Texas A & M University, College Sta-
tion, 1999. pp 1−57
[20] Wang D L, Zhu J, Li Z K, Paterson A H. Mapping QTLs with
epistatic effects and QTL × environment interactions by mixed
linear model approach. Theor Appl Genet, 1999, 99: 1255−1264
[21] Mu P(穆平), Zhang H-L(张洪亮), Jiang D-F(姜德峰), Liu
L-F(刘立峰), Li Z-C(李自超). QTL mapping and interactions
between QTL and environment for yield and its components us-
ing a DH population derived from a lowland and upland rice
cross. Sci Agric Sin (中国农业科学), 2005, 38(9): 1725−1733 (in
Chinese with English abstract)
[22] Ming F, Zheng X W, Mi G H, He P, Zhu L H, Zhang F S. Identi-
fication of quantitative trait loci affecting tolerance to low phos-
phorus in rice (Oryza sativa L.). Chin Sci Bull, 2000, 45:
520−525