全 文 :作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2009, 35(9): 1729−1737 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(30671413),国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2007AA10Z191),引进国际先进农业科学技术计划(948
计划)项目(2006-G51)资助。
*
通讯作者(Corresponding author): 徐建龙,E-mail: xujl@caas.net.cn
Received(收稿日期): 2009-02-05; Accepted(接受日期): 2009-03-20.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2009.01729
利用品质性状的回交选择导入系挖掘水稻抗纹枯病 QTL
李 芳 1 程立锐 1 许美容 1 周 政 1 张 帆 1 孙 勇 1 周永力 1
朱苓华 1 徐建龙 1,* 黎志康 1,2
1 中国农业科学院作物科学研究所 / 农作物基因资源与遗传改良国家重大科学工程, 北京 100081; 2 International Rice Research Institute,
DAPO Box 7777, Metro Manila, Philippines
摘 要: 将优质、抗纹枯病的高秆供体 Tarom Molaii和 Binam导入半矮秆 IR64和特青背景, 培育品质性状回交选择
构建的 4个导入系群体 IR64/Tarom Molaii、特青/Tarom Molaii、IR64/Binam和特青/Binam, 定位了影响水稻抗纹枯
病病级(disease scale, DS)、相对病斑高度(relative lesion height, RH)和株高(plant height, PH)的 QTL。结果表明, 4个导
入系群体的 DS 与 RH 高度正相关, 两者与 PH 呈显著负相关。导入系后代各性状均呈现超亲分离, 出现抗性明显优
于双亲的抗病个体, 其中 40%左右属半矮秆抗病类型。采用单向方差分析, 在这 4个群体中分别定位到 10、8、8和
6个影响 3个性状的 QTL, 多数基因座上降低 DS和 RH即增强抗病性同时增加株高的等位基因均来自两个供体。未
在同一供体两个不同背景下检测到影响 3 个性状的相同 QTL, 表明抗纹枯病 QTL 表达有明显的遗传背景效应。PH
与 DS及 PH与 RH被定位在同一个显著标记位点的 QTL数分别占两个性状 QTL总数的 38%和 52%, 表明水稻纹枯
病抗性与株高关系密切, 两者存在许多连锁位点。与以往相同群体品质性状 QTL 的定位结果相比, 发现品质性状
QTL与抗纹枯病 QTL大多分布在染色体的不同区域, 彼此独立遗传。对利用目标性状选择导入系定位非目标性状 QTL
的效果、影响因素及育种应用进行了探讨, 强调了目标性状选择导入系对非目标性状 QTL发掘及育种应用的重要性。
关键词: 回交选择导入系; 数量性状基因座(QTL); 水稻纹枯病抗性; 稻米品质; 株高
QTL Mining for Sheath Blight Resistance Using the Backcross Selected
Introgression Lines for Grain Quality in Rice
LI Fang1, CHENG Li-Rui1, XU Mei-Rong1, ZHOU Zheng1, ZHANG Fan1, SUN Yong1, ZHOU Yong-Li1,
ZHU Ling-Hua1, XU Jian-Long1,*, and LI Zhi-Kang1,2
1 Institute of Crop Sciences / National Key Facility for Crop Gene Resources and Genetic Improvement, Chinese Academy of Agricultural Sciences,
Beijing 100081, China; 2 International Rice Research Institute, DAPO Box 7777, Metro Manila, Philippines
Abstract: QTLs for disease scale (DS), relative lesion height (RH) and plant height (PH) were mapped using the four introgres-
sion lines selected against grain quality from the four introgression populations between two elite varieties, IR64 and Teqing as
recurrent parents and two tall varieties, Tarom Molaii and Binam with high grain quality and sheath blight resistance (SBR) as
donors. DS had high significant positive correlation with RH, and both of them were significantly negatively correlated with PH.
DS, RH and PH presented wide segregations even in the relative small (28–60) introgression populations, including some semid-
warf plants segregated with overparent SBR. Ten, eight, eight, and six QTLs for the three traits were identified in IR64/Tarom
Molaii, Teqing/Tarom molaii, IR64/Binam and Teqing/Binam, respectively by one way ANOVA analysis. The two donor alleles
at most QTLs reduced DS and RH as well as increased PH. No any a common QTL for each of the three traits was detected in the
populations of the same donor in the two different backgrounds, indicating there was a obvious genetic background effect on ex-
pression of SBR- and PH-QTLs. QTLs linked to the same marker loci between PH and DS, and PH and RH accounted for 38%
and 52% of total QTLs for the two traits, respectively, indicating SBR had tight relationship with PH and both of them shared
some linked loci. As compared with the previous QTL mapping results of grain quality in the same populations, most QTLs for
grain quality and SBR distributed in different chromosome regions and independently inherited. Efficiency, influencing factors
and its application in breeding of QTL mapping for non-target traits using introgression lines selected against the target trait were
1730 作 物 学 报 第 35卷
deeply discussed, and importance of selective introgression lines in QTL mining and breeding use was also emphasized.
Keywords: Backcross selected introgression lines (SBILs); Quantitative trait locus (QTL); Rice sheath blight resistance
(SBR); Grain quality; Plant height
由病原立枯丝核菌(Rhizoctonia solani Kühn)引起的
水稻纹枯病为世界性真菌病害 , 其危害程度仅次于稻瘟
病, 导致水稻减产和米质下降[1-3]。近年来随着氮肥用量
的增加、多蘖品种和密植高产栽培技术的采用, 水稻纹枯
病的危害逐渐加重, 已成为我国南方稻区的第一大病害。
纹枯病的病原菌具有强腐生性和宽寄主范围[3-4], 目前尚
未发现对此病原菌表现免疫的抗源 , 表现高抗的材料也
寥寥无几[5], 而且该病的发生发展受环境影响较大, 接种
调查方法不易标准化 , 这些都导致水稻抗纹枯病育种进
展缓慢。因此, 鉴定新的抗病基因及其紧密连锁的分子标
记 , 实施分子标记辅助选择育种可能是解决这一问题的
有效途径。
研究表明, 除通过转基因获得的抗源受少数主基因
控制外[6-8], 迄今鉴定出的抗源对纹枯病菌大多呈现部分
抗性, 受多基因控制。迄今为止, 利用多个研究群体共检
测到 30多个抗水稻纹枯病 QTL, 涉及水稻全部 12条染色
体[9-15], 其中, 来自水稻第 7、9、11 染色体的抗性 QTL
被不同的研究者多次检测到[9-11,14-15]。潘学彪等[16]将分别
位于第 7、第 9 和第 11 染色体上来自不同品种的抗纹枯
病 QTL (qsB7Tq、qsB9Tq和 qsB11Le)聚合到同一个品种背
景, 发现其明显的抗性聚合效应, 表明聚合多个不同抗纹
枯病的 QTL 对于提高品种抗性是可行的。另外, 左示敏
等[17]还对 qsB-11 进行了精细定位, 发现其在重发病条件
下能挽回产量损失达 10.7%。然而, 以往绝大多数的 QTL
定位是基于来自两个亲本组合的分离群体 , 其结果只是
对每一 QTL 上的两个亲本等位基因进行比较, 因而无法
确定种质资源中适用于分子育种的最佳等位基因 , 加上
育种家用于抗性改良的品种大多与 QTL 定位群体的亲本
不同。因此, 以往 QTL 定位的结果就很难直接用于分子
标记辅助抗病育种。有鉴于此, 有学者[18]提出利用回交高
世代群体定位 QTL的 AB-QTL方法, 已成为 QTL定位与
品种改良相结合的有效手段, 在许多植物 QTL 定位中发
挥了越来越重要的作用[19-21]。
本研究利用两个供体导入到两个不同遗传背景的品
质性状选择导入系群体, 定位水稻纹枯病抗性 QTL, 探
讨利用目标性状导入系定位非目标性状 QTL 的方法及效
果 , 为充分利用导入系材料定位和分子标记辅助聚合多
个性状 QTL提供依据和借鉴。
1 材料与方法
1.1 试验材料和田间种植
以国际水稻研究所 (IRRI)育成的中感纹枯病品种
IR64 和来自我国广东的中抗品种特青为受体, 分别以来
自伊朗的优质高秆抗病品种 Tarom Molaii 和 Binam 为供
体, 通过杂交和回交培育 4个 BC2F2随机导入系群体。通
过对这 4个导入系群体 BC2F3种子外观品质(精米长、宽、
长宽比), 蒸煮品质(蒸煮后米粒长、宽及长宽比), 理化品
质(胶稠度、糊化温度和直链淀粉含量)及香味的检测, 入
选每个性状的两向极端个体分别形成 4 个有关品质性状
的定位群体[22], 经逐代定向选择获得稳定的 BC2F5 品质
性状选择导入系群体用于本研究。
2007年 4月 25日于北京中国农业科学院作物科学研
究所昌平试验基地播种所有导入系及亲本材料, 5月 20日
移栽, 随机区组排列, 每株系种 1 行, 每行种 7 株, 行株
距为 20 cm×17 cm, 3次重复。大田管理同常规, 只治虫不
防病。
1.2 纹枯病抗性鉴定及表型数据采集
菌系 RH-9 是江苏省农业科学院植物保护研究所提
供的太湖稻区的强致病性菌株。在水稻分蘖末期至穗分化
初期进行嵌入接种[23]。先将细扁的木质牙签剪成 1 cm左
右长, 灭菌后加入 PDA 培养基浸泡, 接种纹枯病病菌培养
3~5 d后用于田间接种。每株系接种中间 5株, 每株选 3个
比较一致的分蘖, 用镊子将牙签嵌入自上而下第 3叶鞘内侧,
使叶鞘包茎状态不变, 并在相应的叶片上做好标记。水稻
抽穗后 30 d 左右待病情基本稳定时调查发病情况, 采用
Rush[24]制定并经扬州大学农学院改进的 0~9 病级(disease
scale, DS)标准记载, 同时测量株高(plant height, PH)和每个
接种分蘖的病斑高度和分蘖穗高度, 以病斑高度与分蘖穗
高度的比值计算相对病斑高度(relative lesion height, RH)。
1.3 导入系的标记基因型鉴定
取入选极端个体少量的 BC2F3混合种子提 DNA, 参
照 Cornell大学遗传连锁图[25], 均匀选择 150个 SSR标记
用于各群体多态性筛选, 获得 IR64/Tarom Molaii、特青
/Tarom Molaii、IR64/Binam和特青/Binam群体的 SSR多
态标记分别为 113、114、101 和 86 个, 其中 4 个群体共
同的多态标记有 36 个, 占全部标记的 22.6%。全部多态
标记在染色体上的相对位置以 Cornell 大学的遗传图谱为
参照。
1.4 数据分析与 QTL定位
以 3个分蘖的病级及相对病斑高度的平均值代表每一
植株的表型值, 每株系中间 5个单株的平均值代表该株系
值, 以每个株系 3次重复的平均值进行数据分析和 QTL定
位。利用 SAS PROC CORR[26]分析不同性状间的相关。采
用 SAS PROC GLM[26]的单向方差分析方法检测影响各性
状的 QTL, 以 P<0.005显著水平作为取舍 QTL的临界值。
当 1 个 QTL 与两个或多个标记连锁时, 以 F 值最高者作
第 9期 李 芳等: 利用品质性状的回交选择导入系挖掘水稻抗纹枯病 QTL 1731
为与 QTL连锁的标记[20]。
2 结果与分析
2.1 亲本及导入系群体的性状表现
以DS为指标的纹枯病抗性在 4个选择导入系的亲本
间都存在显著或极显著差异(表 1), 其中 Tarom Molaii 表
现为抗病(DS=2.46), Binam和特青表现中抗, IR64表现中
感(DS=3.57)。以 RH为指标的纹枯病抗性在 IR64与 Tarom
Molaii 和 IR64 与 Binam 之间存在显著差异。2 个供体亲
本的株高均极显著高于受体品种 IR64 和特青。4 个导入
系群体轮回亲本基因组的平均恢复率为 85.7%~89.8%, 表
明导入系的遗传背景基本与轮回亲本接近。DS、RH 和
PH 在 4 个导入系群体中表现出明显的双向超亲分离, 其
中 IR64/Tarom Molaii、特青/Tarom Molaii、IR64/Binam和
特青/Binam群体中抗性明显好于双亲的株系数分别为 2、
5、7和 5株, 其中约有 40%植株表现为半矮秆抗病(表 2)。
表 1 亲本及 4个 BC2F5导入系群体病级(DS)、相对病斑高度(RH)和株高(PH)的表现
Table 1 Performance of disease scale (DS), relative lesion height (RH), and plant height (PH) of the four BC2F5
introgression lines and their parents
导入系 Introgression line
群体
Population
性状
Trait
P1 P2 P1-P2 轮回亲本平均基因组比例
Average genome portion of
the recurrent parent (%)
平均值±标准差
Mean ± SD
变异系数
CV (%)
变幅
Range
DS 3.57 2.46 1.11** 87.2±6.5 3.61±0.76 20.97 2.04–5.00
RH 0.30 0.24 0.06* 0.26±0.04 14.83 0.17–0.34
IR64/Tarom Molaii
PH 89.7 113 –23.3** 94.9±10.6 11.16 84.5–136.7
DS 3.00 2.46 0.54* 89.8±3.8 3.87±1.27 32.76 1.56–7.16
RH 0.26 0.24 0.02 0.24±0.05 21.56 0.13–0.38
特青(Teqing)/
Tarom Molaii
PH 97.5 113 –15.5* 99.1±8.20 8.30 83.3–129.5
DS 3.57 2.76 0.81** 85.7±5.9 3.51±0.80 22.86 1.76–5.36
RH 0.30 0.23 0.07* 0.26±0.04 14.76 0.16–0.33
IR64/Binam
PH 89.7 123 –33.3*** 99.7±15.0 15.10 81.0–133.7
DS 3.00 2.76 0.24 89.2±3.2 4.06±1.15 22.39 2.12–6.36
RH 0.26 0.23 0.03 0.27±0.04 14.86 0.17–0.33
特青
(Teqing)/ Binam
PH 97.5 123 –25.5** 100.4±15.7 15.70 81.3–165.0
*、**和***分别表示 0.05、0.01和 0.001的概率显著水平
*, **, and *** represent significant difference at P≤ 0.05, 0.01, and 0.001 respectively.
表 2 4个 BC2F5导入系群体中抗性优于双亲的株系的株高表现
Table 2 Plant height of the lines with higher resistance than their parents selected from the four BC2F5 introgression lines
株高表现 Performance of plant height
群体
Population
群体大小
Population
size
抗病株系数
No. of resis-
tant lines
平均病级
Average
disease scale
抗病株系比例
Percentage of
resistant lines
(%)
高秆
Tall
半矮秆
Semidwarf
半矮秆比例
Percentage of
semidwarf (%)
IR64/Tarom Molaii 28 2 2.22 7.1 1 1 50
特青(Teqing)/ Tarom Molaii 45 5 2.01 11.1 3 2 40
IR64/Binam 60 7 2.32 11.7 5 2 29
特青(Teqing)/ Binam 48 5 2.43 10.4 3 2 40
2.2 性状间的相关
DS、RH和 PH在 4个导入系群体中的相关性非常一
致(表 3), DS和 RH呈极显著正相关, 表明病级越低, 相对
病斑高度越小, 植株抗病性就越强。除特青/Tarom Molaii
群体的 DS 和 PH 没有达到显著相关外, 其余组合的 DS
和 PH以及 RH和 PH之间均存在显著或极显著负相关, 表
明植株越高, 病级和相对病斑高度就越低, 植株的抗性就
越强。
2.3 QTL定位
经单向方差分析, 在 4个群体中定位到影响 3个性状
的 QTL 分别为 10、8、8 和 6 个(表 4 和图 1), 分布在除
第 4和第 9以外的 10条染色体上。
IR64/Tarom Molaii群体中检测到 2、3和 5个分别影
响 DS、RH和 PH的 QTL, 在第 3染色体的 RM22位点同
时检测到影响 3个性状的 QTL (QDs3、QRh3和 QPh3a),
在第 7染色体的 RM180位点检测到影响 RH和 PH的QTL
1732 作 物 学 报 第 35卷
表 3 4个 BC2F5导入系群体中病级(DS)、相对病斑高度(RH)和株高
(PH)的相关系数
Table 3 Correlation coefficients among disease scale (DS), relative
lesion height (RH), and plant height (PH) of the four BC2F5 intro-
gression lines
DS RH PH
DS 0.874*** –0.165
0.799*** –0.226*
RH 0.781*** –0.383*
0.594** –0.538**
PH –0.319* –0.302*
–0.352* –0.722***
*、**和***分别表示 0.05, 0.01和 0.001的概率显著水平。
对角线左下角的数据来自 IR64 背景, 上一行代表 IR64/Tarom
Molaii, 下一行代表 IR64/Binam; 对角线右上角的数据来自特青背
景, 上一行代表特青/Tarom Molaii, 下一行代表特青/Binam。
*, **, and *** represent significant difference at P≤ 0.05, 0.01, and
0.001 respectively.
Data below left corner of diagonal are from IR64 background and
the upper row data estimated from IR64/Tarom Molaii while the below
row data from IR64/Binam; Data above right corner of diagonal are
from Teqing background and the upper row data estimated from
Teqing/Tarom Molaii while the below row data from Teqing/Binam.
(QRh7 和 QPh7), 这两个位点的等位基因均来自 Tarom
Molaii, 减小 RH或 DS并增加株高, 即增强抗病性; 在第
8染色体的RM25位点检测到影响DS和RH的QTL (QDs8
和 QRh8b), Tarom Molaii的等位基因均增加 DS和 RH, 即
降低抗病性。
特青/Tarom Molaii群体中检测到 2、3和 3个分别影
响 DS、RH 和 PH 的 QTL, 第 2 染色体的 RM208 位点和
第 11 染色体的 RM224 位点均与 DS 和 RH 显著关联, 前
者降低 DS 和 RH 即增强抗病性的等位基因来自特青, 后
者则相反, 降低 DS 和 RH 即增强抗病性的等位基因来自
Tarom Molaii。在第 12染色体的 RM235同时检测到影响
RH和 PH的 2 个 QTL (QRh12和 QPh12), 该位点 Tarom
Molaii的等位基因增加 RH和 PH。
IR64/Binam群体中检测到 2、4和 2个分别影响 DS、
RH 和 PH 的 QTL, 在第 2 和第 7 染色体各检测到 1 个影
响 DS的 QTL, QDs2a基因座的 Binam等位基因增加 DS,
QDs7 基因座的 Binam 等位基因则降低 DS。在第 1 染色
体的 RM265 位点同时检测到影响 RH 和 PH 的 2 个 QTL
(QRh1和 QPh1a), 该位点降低 RH和增加 PH的等位基因
来自 Binam。此外, 在第 2、6 和 8 染色体上还检测到 3
个影响 RH 的 QTL (QRh2a、QRh6 和 QRh8a), 除 QRh8a
外另 2个基因座降低 RH的等位基因均来自 Binam。
特青/Binam群体中检测到 3、1和 2个分别影响 DS、
RH和 PH的 QTL, 在第 5染色体的 RM161位点同时检测
到影响 3个性状的 QTL (QDs5、QRh5和 QPh5), 该位点
降低 DS、RH和增加 PH的等位基因来自 Binam。在第 10
和 11 染色体上分别检测到 1 个影响 DS 的 QTL (QDs10
和 QDs11a), 这两个基因座的 Binam等位基因均增加 DS,
即降低抗病性的等位基因来自特青。
以上 4个群体中, 检测到影响株高的所有QTL, 其增
加株高的等位基因均来自供体亲本 Tarom Molaii 和
Binam。
3 讨论
3.1 抗病 QTL定位的遗传背景效应
以往采用重组自交系、DH系、F2及其衍生系等群体
定位 QTL, 由于群体中不同个体的遗传背景是随机的 ,
不可避免遗传背景对 QTL尤其是微效 QTL的定位结果产
生偏差[27-29]。本研究利用遗传背景基本一致的 IR64 和特
青背景的导入系群体, 发现同一供体在 IR64 和特青两个
不同背景下 3个性状没有检测到一个相同的QTL, 这一方
面可能与选择导入系群体偏小有关 , 在另一方面至少说
明纹枯病抗性 QTL 的检测在一定程度上受到遗传背景的
影响。我们以往利用特青背景导入系群体定位纹枯病抗性
QTL也观察到同样的现象[30]。加之纹枯病抗性 QTL的定
位结果受环境影响较大[31], 因此很难将作图群体的 QTL
定位结果直接用于育种群体的品种抗性改良。鉴于此, 对
纹枯病抗性改良必须将抗源导入到优良推广品种中 , 通
过培育高代回交导入系群体, 将纹枯病抗性 QTL 定位与
标记辅助改良结合在一起, 更有可能收到预期的效果。
3.2 纹枯病抗性与株高的关系
水稻纹枯病多始于植株基部, 菌丝体在植株表面和
体内侵染蔓延, 病害程度不仅与初始菌量有关, 更与田间
小气候及影响小气候的植株性状有关[32] 。株高和抽穗期
是影响田间小气候的重要植株性状。由于高秆植株上部通
风状况较好, 不利于发病小气候的形成, 对病害从植株下
部往上部发展不利 , 因此高秆植株的纹枯病害一般比半
矮秆品种轻。近年来, 不少学者从 QTL 定位角度探讨水
稻纹枯病抗性与株高和抽穗期的关系 , 但不同研究得出
的结果不完全一致。国广泰史等[9]、Zou等[14]和 Han等[33]
发现影响株高和抽穗期的 QTL与纹枯病抗性 QTL大多独
立分布 , 彼此间相关不显著或即便显著但相关程度并不
高, 认为虽然纹枯病的发病受株高和抽穗期影响, 但彼此
受不同遗传位点控制。Li等[15]利用 Lemont/特青重组自交
系群体鉴定出 6个影响纹枯病抗性 QTL, 其中有 5个与影
响株高的 QTL定位在同一染色体区域, 3个与抽穗期 QTL
定位在一起 , 这一结果较好地解释了群体纹枯病抗性的
47%变异由株高和抽穗期引起的现象。本研究在 4个群体
中 PH 与 DS 及 RH 的平均相关系数为–0.2655 和–0.4860
草药(表 3), 属中等程度的显著相关。从 4 个群体中检测
到影响 DS、RH和 PH的 QTL分别为 9、11和 12个, 其
中 PH 与 DS 及 PH 与 RH 定位在同一个显著标记位点的
QTL 分别为 8 个和 12 个, 分别占两个性状 QTL 总数的
38%和 52%。由此表明, 水稻纹枯病抗性与株高关系比较
密切, 两个性状存在许多连锁位点。
第 9期 李 芳等: 利用品质性状的回交选择导入系挖掘水稻抗纹枯病 QTL 1733
表 4 4个 BC2F5导入系群体中检测到影响病级(DS)、相对病斑高度(RH)和株高(PH)的 QTL
Table 4 QTLs affecting disease scale (DS), relative lesion height (RH), and plant height (PH) of the four BC2F5 introgression lines
群体
Population
性状
Trait
QTL 染色体
Chromosome
QTL的连锁标记
Marker linked with
QTL
F值
F-value
加性效应 1)
Additive effect
以往检测到影响品质性状
的 QTL 2)
QTL affecting grain quality
previously detected
DS QDs3 3 RM22 8.81 –0.45
DS QDs8 8 RM25 11.51 0.63
RH QRh3 3 RM22 8.23 –0.02
RH QRh7 7 RM180 6.73 –0.05
RH QRh8b 8 RM25 6.88 0.03
PH QPh3a 3 RM22 8.32 6.24
PH QPh3b 3 RM85 14.71 7.62
PH QPh6 6 RM204 10.06 6.43
PH QPh7 7 RM180 8.72 14.04
IR64/Tarom Mo-
laii
PH QPh11 11 RM224 38.51 21.65
DS QDs2b 2 RM208 7.82 0.56
DS QDs11b 11 RM224 7.65 –0.57
RH QRh2b 2 RM208 7.60 0.07
RH QRh11 11 RM224 7.31 –0.07
RH QRh12 12 RM235 6.85 0.05
PH QPh1b 1 RM431 20.98 15.68
PH QPh8b 8 RM264 20.98 15.68
特青(Teqing)/
Tarom Molaii
PH QPh12 12 RM235 20.54 15.70
DS QDs2a 2 RM279 8.19 0.60 QCklw2; QGc2
DS QDs7 7 RM11 7.25 –0.99
RH QRh1 1 RM265 7.65 –0.02
RH QRh2a 2 RM341 8.12 –0.05
RH QRh6 6 RM30 7.92 –0.05 QCkl6a; QAmy6c
RH QRh8a 8 RM407 8.70 0.01
PH QPh1a 1 RM265 9.39 7.34
IR64/Binam
PH QPh8a 8 RM210 6.50 12.15
DS QDs5 5 RM161 6.86 –0.81 QCkl5; QKld5; QKlr5
DS QDs10 10 RM467 12.74 0.60
DS QDs11a 11 RM187 9.64 1.05
RH QRh5 5 RM161 6.84 –0.04 QCkl5; QKld5; QKlr5
PH QPh2 2 RM236 8.91 16.71
特青(Teqing)/
Binam
PH QPh5 5 RM161 6.48 13.75
1) 加性效应为 IR64和特青的等位基因被供体 Tarom Molaii和 Binam替代后的效应。
2) 以往在 IR64/Binam和特青/Binam群体中检测到影响品质性状的 QTL[22]; CKLW:蒸煮后米粒的长宽比; GC:胶稠度; CKL:蒸煮后米
粒的长度; AMY:直链淀粉含量; KLD:蒸煮后米粒长度与蒸煮前米粒长度差; KLR:蒸煮后米粒长度与蒸煮前米粒长度比。
1) Additive effect was associated with IR64 and Teqing alleles replaced by the alleles of Tarom Molaii and Binam.
2) QTL associated with grain quality detected from the populations IR64/Binam and Teqing/Binam [22]. CKLW: cooked kernel length/width ratio,
GC: gel consistency, CKL: cooked kernel length, AMY: amylose content, KLD: difference of cooked and uncooked kernel length, KLR: ratio of
cooked and uncooked kernel length.
3.3 以不同群体定位的抗病 QTL的比较
DS和 RH是两个高度相关的抗病指标性状(表 3), 本
研究在 5 个不同染色体位点同时检测到影响这两个性状的
QTL, 包括第 3染色体的 RM22、第 5染色体的 RM161、
第 11 染色体的 RM224、第 2 染色体的 RM208 和第 8 染
色体的 RM25 (图 1), 这些位点上影响两个性状的基因作
用方向完全相同, 其中前 3个位点降低 DS和 RH, 即增强
抗性的有利等位基因来自供体 Tarom Molaii和 Binam。由
1734 作 物 学 报 第 35卷
图 1 4个群体多态标记在 IR64/Azucena 的遗传连锁图上的分布及影响病级(DS)、相对病斑高度(RH)和株高(PH)的 QTL在染色体上的分布
Fig. 1 Distribution of polymorphic markers and QTLs for disease scale(DS), relative lesion height (RH), and plant height (PH) for the four
population on the genetic map of IR64/Azucena
粗体标记表示 4个群体共同的多态标记; 框线内的 QTL为以往不同群体检测到的影响纹枯病抗性的 QTL。
Boldfaced markers stand for common markers among the four populations; QTLs inside the box are those previously identified for sheath blight
resistance from different mapping populations.
第 9期 李 芳等: 利用品质性状的回交选择导入系挖掘水稻抗纹枯病 QTL 1735
于纹枯病病级的划分受主观因素的影响较大 , 研究人员
需要有一定的经验, 否则会带来较大的测量误差, 而相对
病斑高度可以通过测量产生 , 误差相对来说要比病级划
分小得多。因此, 我们认为在水稻纹枯病抗性鉴定和抗性
评价过程中, 相对病斑高度不失为一个较理想的指标。
借助相同的 SSR 标记或比较图谱[25,34], 与以往其他
群体定位的结果进行比较, 发现第 2染色体影响DS和RH
的 QDs2b和 QRh2b、第 3染色体影响 DS和 RH的 QDs3
和 QRh3、第 8染色体影响 RH的 QRh8a分别与抗纹枯病
QSbr2a、QSbr3a和 QSbr8a定位于同一染色体区域[15]; 第
2 染色体影响 RH 的 QRh2a 及第 7 染色体影响 DS 和 RH
的 QDs7和 QRh7分别与 Rh-2、qSB-2和 qSBR-2及 Rh-7、
qSB-7和 qSBR-7定位在同一染色体区域[9,11,14]; 第 5染色
体影响DS和RH的QDs5和QRh5与显性抗病主基因 Rsb1
定在同一区域[8], 与第 5 染色体 C246~RM26 区间上的 1
个抗纹枯病 QTL 相邻[10]。在不同群体和不同环境下均检
测到上述 6个染色体区域影响纹枯病抗性QTL, 可能是水
稻纹枯病抗性基因分布的重要染色体区域 , 对标记辅助
改良品种的纹枯病抗性具有重要的应用价值。值得一提的
是 Che等[8]从转基因抗病材料“4011”的第 5染色体上鉴定
出 1 个显性主效抗病基因 Rsb1, 与本研究中影响 DS 和
RH 的微效基因定位在同一染色体区域(RM161~RM188),
这可能是同一个寄主抗病基因对同一病原菌的不同菌系
的不同抗性反应的体现 [35-37], 当然还有待进一步的试验
证实。
3.4 利用目标导入系定位非目标性状 QTL 的效果及育
种应用
回交是从种质资源向优良品种背景转移有利基因的
有效手段。近年来, 高代回交导入系群体已经成为重要农
艺性状 QTL 定位和遗传改良的主要途径。虽然回交导入
系群体在遗传背景纯化、表型的准确鉴定等方面对提高
QTL 定位的效率和精度起了很大作用, 而且具有将 QTL
发掘与品种改良结合在一起的优势 , 但传统的回交导入
系群体仍难以克服定位群体偏大而带来的基因型和表型
鉴定费用居高不下的缺陷 , 更重要的是仍无法从两个亲
本的定位群体中挖掘出某一 QTL 基因座上存在于种质资
源中的最佳等位基因。鉴于此, 将多个种质资源作供体导
入到同一个优良品种背景结合目标性状选择的选择导入
系定位策略被提出并在国内外许多育种单位实施[38-41]。选
择导入系是从一个高代回交的随机分离群体中选择目标
性状的极端个体发展成稳定的株系 , 由于株系数量少
(30~50 个), 一方面可以设置更多的重复来提高表型鉴定
的准确性, 另一方面基因型鉴定的费用也大大降低, 而且
这些极端株系本身就是标记辅助育种的极好基础材料。因
此, 选择导入系在主效 QTL 定位和标记辅助聚合育种上
已显示出较好的应用前景[40,42-43]。
如何利用一个性状的选择导入系群体来定位另一性
状的 QTL, 以最大限度地发挥导入系材料及已有的基因
型数据的作用是我们一直关心的问题。郑天清等[42]尝试
利用抗旱导入系定位纹枯病抗性 QTL, 分析抗旱与抗纹
枯病的遗传重叠。本文首次利用两个优质抗病供体导入到
两个高产品种中 , 经多个不同品质性状极端选择培育的
品质性状选择导入系群体, 定位纹枯病抗性 QTL, 从研
究结果来看, 这种方法是行之有效的。与随机定位群体相
比, 选择导入系群体要小得多, 由于品质性状与抗纹枯病
几乎是独立遗传的性状, 因此, 选择导入系群体仍表现出
双向超亲的表型变异(表 1), 这为抗病 QTL定位奠定了基
础。值得一提的是利用目标性状的选择导入系来定位非目
标性状的 QTL 时, 目标性状与非目标性状最好是彼此独
立遗传 , 否则就必须考虑目标性状选择对非目标性状带
来的相关响应 [42], 而且选择群体不能太小 , 以保证选择
群体的非目标性状仍保留一定水平的变异。
高代回交的品质性状选择导入系, 不仅综合性状与
受体品种相仿, 而且品质性状得到了很大的改善。本研究
在用 IR64/Binam和特青/Binam两个选择导入系群体定位
的 12 个品质性状共 32 个 QTL 中, 只有影响蒸煮后米粒
的长宽比、胶稠度、蒸煮后米粒的长度、直链淀粉含量、
蒸煮后米粒长度与蒸煮前米粒长度差及蒸煮后米粒长度
与蒸煮前米粒长度比这 6 个性状的 7 个 QTL 被定位在 3
个与抗病 QTL 相同的染色体区域。显然多数品质性状的
QTL 与抗纹枯病 QTL 分布在不同的染色体区域, 彼此独
立遗传。因此, 通过标记辅助选择, 从同一背景不同供体
来源的导入系后代 , 选择矮秆个体将非等位的抗病与优
质 QTL进行聚合, 或针对品质与抗病 QTL的共同区域进
行聚合, 有可能培育出高产优质抗病的新品种。
致谢:水稻纹枯病菌由扬州大学潘学彪教授提供, 实验室
王韵、贾倩、杨静、王磊、谢学文、高晓清等同学参与接
种工作, 在此一并表示感谢。
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