水稻单片段替换系群体的建立及QTL定位

水稻中许多重要的农艺性状属数量性状，由多基因(QTL)控制。研究QTL的遗传特性和遗传效应对于培育高产和稳产的水稻品种具有十分重要的意义。本研究以6个优良的品种为供体亲本，以华粳籼74为轮回亲本，通过微卫星标记辅助回交选择培育了一批单片段替换系，随后利用所培育的单片段替换系进行了QTL分析和基因定位。主要结果有：1、利用258个微卫星标记对6个供体亲本和轮回亲本间的多态性进行了筛选。6个供体亲本与轮回亲本间的多态率在32．98％至60．78％之间，平均47．81％，粳型供体亲本比籼型供体亲本的多态性要高。2、随着回交代数的增加，植株所含的替换片段数逐渐减少。在BC2F1、BC3F1、BC3F2和BC3F3代，平均每个植株携带有12．50、5．98、1．69和1．46个替换片段。替换片段的平均长度也随回交和自交代数的增加而逐渐变短。在BC2F1、BC3F1、BC3F2和BC3F3代，替换片段的平均长度分别为25．43cM、22．38cM、20．78cM和18．15cM.回交世代替换片段变短的速率(11．99％)比自交世代变短速率(7．15％)要快。在BC2F1、BC3Fl、BC3F2和BC3F3代，轮回亲本基因组的恢复率分别为82．24％、92．55％、98．04％j阳98．52％。3、在BC3F2和BC3F3代，共选育出111个单片段替换系，其中独一无二的单片段替换系共42个。BC3F2代替换系中替换片段的估算长度在2．00cM到64．80cM之间，平均为21．75cM，而BC3F3代中替换片段的估算长度在6．05cM到48．90cM之间，平均为20．95cMc，12条染色体中仅第11染色体没有选择到单片段替换系。所选育的单片段替换系中替换片段的总长为2367．50cM，基因组的覆盖长度为704．50cM，覆盖率为39．25％。4、在52个单片段替换系的22个性状中共鉴定出了234个QTL。每个性状鉴定出的QTL数在3到19个之间，平均4．50个。每个替换系鉴定出的QTL在2到15个之间，平均10．64个。QTL加性效应的大小因性状和替换系不同而不同，低至-0．02(0．79％)的加性效应(如谷粒宽度)均能检测到。在RM237．RM322、RM225和RM481标记附近的各种性状中同时检测到了增效和减效的QTL。5、通过染色体替换作图，对7个单片段替换系中16个性状的QTL进行了定位。利用携带有相同替换片段的替换系进行QTL位置的确定。6、通过分析复杂性状的加性效应，对影响植高、每穗粒数和粒型的相关性状进行了分析，分析QTL之间的相关性。7、对控制抽穗期、稃尖颜色、植株高度和粒型的基因进行了定位。抽穗期基因Hd-8表现为单基因显性遗传，定位于第8染色体上，与PSMl55紧密连锁。紫色稃尖基因Pa-6表现为单基因显性遗传，定位于第6染色体上，与RM253紧密连锁。株高基因Ph-1-3定位于第1染色体上，与PSM331紧密连锁。粒型基因Rlw-8-2为首次报道，定位于第8染色体的末端，与RM447紧密连锁，长粒表现为单基因隐性遗传。本研究通过分子标记辅助选择培育了一批单片段替换系，并成功地对这批材料进行了QTL分析和基因定位，从而证实了在水稻中通过微卫星标记辅助回交选育单片段替换系和进行QTL分析的可行性。     

利用单片段代换系定位水稻粒形QTL

稻谷粒长、粒宽和长宽比是衡量稻米外观品质的重要指标，稻谷籽粒形状也是影响水稻产量的重要因素。为更好地开展粒形分子育种，对水稻粒形QTL进行了分子定位。以单片段代换系（SSSL）为材料构建分离群体，利用微卫星标记对控制水稻谷粒长和谷粒宽的2个粒形QTL进行分子定位。粒宽QTLGw-8被定位于第8染色体长臂末端微卫星标记RM502与RM447之间，遗传距离均为0．3cM。     

利用染色体单片段代换系定位水稻垩白QTL

为了鉴定和定位水稻垩白相关QTL,分析其遗传效应,利用籼稻品种广陆矮4号为受体,粳稻品种日本晴为供体构建的84个染色体单片段代换系群体为试验材料,通过单因素方差分析和Dunnett's多重比较,对代换片段上垩白相关QTL进行鉴定。以P≤0.001为阈值,共检测到36个垩白相关QTL。其中,垩白度QTL共19个,其加性效应值为-6.44~12.86,加性效应百分率为-34.04%~68.02%。垩白粒率相关QTL共17个,其加性效应值为-7.32~3.63,加性效应百分率为-8.07%~4.00%。这些QTL的鉴定为进一步精细定位并克隆相应QTL,提高稻米外观品质奠定了基础。     

基于染色体单片段代换系的水稻粒形QTL定位

水稻的粒形是影响水稻产量和品质的重要因子之一, 是由多基因控制的数量性状。染色体单片段代换系由于减少了个体间遗传背景的干扰, 已经成为鉴定复杂性状QTL的新型遗传材料。本研究以广陆矮4号为受体,日本晴为供体的119个染色体单片段代换系群体为试验材料,通过单因素方差分析和Dunnett’s多重比较,测验单片段代换系与受体亲本之间粒形的差异,鉴定了代换片段上粒形相关的QTL。以P≤0.001为阈值, 共检测到39个粒形相关的QTL。其中,粒长相关的19个,其加性效应值为0.18~1.06 mm,加性效应百分率为2.40%~14.13%;粒宽相关的14个,其加性效应值为0.09~0.31 mm,加性效应百分率为2.71%~9.15%;粒厚相关的6个,其加性效应值为0.05~0.10 mm,加性效应百分率为2.14%~4.46%。这些QTL的鉴定,为进一步精细定位并克隆相应QTL和高产、优质水稻新品种的分子标记辅助选择奠定了基础。     

基于染色体片段置换系群体检测水稻株型性状QTL

株型是由多个形态和生理性状集成的复合性状,它与水稻产量密切相关。挖掘优异株型等位基因或QTL,对水稻超高产育种具有重要意义。本研究利用籼稻昌恢121和粳稻Koshihikari构建的208个染色体片段置换系(chromosome segment substitution lines, CSSLs),在3个环境下,对控制株高、剑叶形态和分蘖数的QTL进行检测,共鉴定到35个株型性状QTL,分布于11条染色体上(除9号染色体以外),解释表型变异2.00%～22.86%。值得关注的是qPH-1-1、qFLW-6和qFLA-3均能在3个环境下被检测到,其中qFLW-6为1个新鉴定到的剑叶宽QTL。对qPH-1-1和qFLA-3位点进行鉴定,验证了这2个位点等位基因的加性效应和环境稳定性。本研究为株型性状QTL的进一步精细定位、克隆及分子辅助聚合育种奠定了基础。     

水稻染色体片段代换系对氮、磷胁迫反应差异及其QTL分析

利用来源于9311(籼稻)与日本晴(粳稻)杂交后代衍生的遗传背景为9311的染色体片段代换系群体,分析其在大田正常、低氮和低磷条件下的单株有效穗和单株产量的差异。结果表明,低磷、低氮胁迫对单株有效穗和单株产量影响较大。代换系对低磷和低氮的反应存在明显差异。在低氮(磷)水平下共检测到26个单株有效穗和单株产量片段或QTL,以及12个相对单株有效穗和相对单株产量QTL。源于日本晴的等位基因均呈减效作用。低磷和低氮下共同检测到5个导入片段影响单株有效穗或单株产量。而大部分(约81%)QTL只在单胁迫处理下被检测到。表明水稻对磷胁迫和氮胁迫的反应既存在不同的遗传基础,也存在共同的遗传机制。     

利用单片段代换系研究水稻产量相关性状QTL加性及上位性效应

产量及其相关性状如单株有效穗数、千粒重、穗实粒数、穗总粒数和结实率等是水稻重要的农艺性状,了解产量及其相关性状QTL的加性及上位性效应对以分子标记聚合育种改良水稻产量具有重要意义。本文以16个单片段代换系及15个双片段代换系分析了水稻产量相关性状QTL的加性及上位性效应。共检出影响产量及其相关性状的13个QTL,包括产量性状1个、单株有效穗数1个、千粒重4个、穗实粒数4个、穗总粒数2个和结实率1个,分布于第2、第3、第4、第7和第10染色体上。此外,检出12对双基因互作。结果显示,2个正向(或负向)产量性状QTL聚合,往往会产生负向(或正向)的上位性效应,能否产生更大(或更小)的目标性状,取决于双片段遗传效应(加性效应与上位效应代数和)绝对值与单片段最大加性效应绝对值的差。本研究结果对实施高产分子标记聚合育种方法有重要参考价值。     

越光/9311染色体片段置换系的构建及稻米黏滞性谱特征值QTL分析

研究以籼稻品种9311为受体亲本,粳稻品种越光为供体亲本构建染色体片段置换系(CSSLs)并对RVA谱特征值进行QTL定位,为稻米蒸煮食味品质的遗传改良创造理想条件。研究利用612对SSR标记对亲本(越光和9311)进行多态性筛选,使用检测出的多态性引物对染色体片段置换系株系进行鉴定。共鉴定出138个株系,并构成染色体片段置换系。该染色体片段置换系的水稻全基因组覆盖率达到89%,置换系群体中超过80%的株系携带的供体亲本染色体片段数少于5个,其中单片段置换系为51个,比例为36.95%。利用该群体共定位到位于6条不同染色体上9个区域的10个QTL,表型贡献率范围为8.85%~42.65%,其中q BDV-1、q PT-4.1、q PT-4.2和q CSV-3等4个QTL为首次报道。q HPV-2位于第2染色体上标记RM341与RM525之间,q BDV-2位于第2染色体RM341与RM1385标记之间,与该染色体上支链淀粉合成有关基因等位。本研究构建的CSSLs及定位的控制RVA谱特征值相关QTL,为稻米蒸煮食味品质的研究创造了有利条件。     

基于单片段代换系的水稻粒型QTL加性及上位性效应分析

以分子标记辅助选择的手段有目的地进行基因聚合育种,对于加快育种进程具有重要的意义。而基因的加性和上位性效应是决定基因聚合能否成功的关键。本文以16个单片段代换系(SSSL)及15个双片段代换系分析了水稻粒型性状QTL的加性及上位性效应。共检测到9个水稻粒型性状QTL,包括4个粒长QTL、1个粒宽QTL和4个籽粒长宽比QTL,分别位于第2、第3、第4、第7和第10染色体上。此外,还检测出7对双基因互作,其中3对为有显著效应的两座位间互作,1对为两座位均没有显著效应的座位间互作,3对为1个有显著效应的座位与1个没有显著效应的座位间互作。本文结果进一步揭示了同一粒长QTL与不同单片段代换系聚合时会产生不同的互作效应,只有当上位性效应与目标基因的加性效应同向时,才可以达到明显改良粒长的效果。而且,2个长粒或2个短粒QTL聚合很难再产生更长或更短的籽粒。以上结果对于通过分子标记辅助育种手段改良水稻粒型具有重要意义。     

染色体单片段代换系的构建及应用于QTL精细定位

染色体片段代换系(Chromosome Segment Substitution Lines,CSSLs),又称为代换系(Substitution lines,SLs)或导入系(Introgression lines,ILs)。只含一个代换片段的代换系,即单片段代换系(Single Segment Substitution Lines,SSSLs)是理想的代换系。单片段代换系只有代换片段与受体亲本不同,其它遗传背景与受体亲本完全一致,对代换区段中的QTL进行分析时遗传背景干扰很小,有利于QTL的分析,不少学者利用单片段代换系材料对许多QTL进行了鉴定和精细定位,并克隆了一些重要性状的QTL。本文介绍了染色体单片段代换系构建的原理和利用微卫星标记(SSR）进行单片段代换系鉴定的方法,讨论了代换系构建过程中值得注意的问题,并对用染色体单片段代换系进行QTL精细定位做了展望。     

籼稻背景的单片段代换系群体的构建

以国内、外12个水稻品种（包括8个籼稻品种和4个粳稻品种）为供体亲本，利用回交和微卫星标记辅助选择相结合的方法构建了一个以籼稻品种“华粳籼74”为遗传背景的单片段代换系（SSSL）群体。该群体由260个不同的SSSL组成，其代换片段分布在水稻的12条染色体上，长度分布于0.2～109.9 cM，平均长度为19.9 cM；代换片段的总长度为5 166.0 cM，相当于水稻基因组总长度的3.4倍，代换片段在水稻基因组上的覆盖率为83.8%。这些SSSL的代换片段包含了水稻基因组丰富的等位基因变异，将在基因（QTL）的定位、克隆、功能分析及水稻分子育种中具有重要的利用价值。     

利用Ⅱ-32B/A7444组合CSSL群体定位水稻7个穗部性状QTL

为发掘水稻穗部性状有利等位变异,构建了以籼稻保持系II-32B为遗传背景的A7444染色体片段置换系群体;利用QTL Ici Mapping 4.1软件对该群体7个穗部性状进行了QTL定位。结果 2年共检测到26个QTL。2年均检测到的13个QTL中,控制一次枝梗数的4个QTL位于第1、第6、第8和第9染色体,平均贡献率分别为15.16%、13.10%、29.74%和11.21%,平均加性效应分别为-1.40、1.01、1.11和0.77。控制二次枝梗数的2个QTL位于第6和第8染色体,平均贡献率分别为10.97%和21.39%,平均加性效应分别为5.45和6.36。控制每穗总粒数的3个QTL位于第2、第6和第8染色体,平均贡献率分别为8.65%、12.52%和31.22%,平均加性效应分别为-18.61、22.23和31.87。控制每穗实粒数的1个QTL位于第8染色体,平均贡献率为28.06%,平均加性效应30.85。控制千粒重的2个QTL位于第2染色体,平均贡献率分别为44.65%和17.51%,平均加性效应分别为2.88和-2.51。控制粒宽的1个QTL位于第10染色体,平均贡献率为21.96%,平均加性效应为0.11。第2、第6和第8染色体分别存在同时控制二次枝梗数、每穗总粒数和每穗实粒数QTL的区段。qSBN6和qSBN8所在区间与Hd1和DTH8的相同,但分别存在16处和1处碱基差异,推测为Hd1和DTH8的不同等位基因。qSBN2为新检测到的控制二次枝梗数位点。研究结果为实施分子标记聚合育种提供了有用信息。     

Construction of high‐throughput genotyped chromosome segment substitution lines in rice (Oryza sativa L.) and QTL mapping for heading date

Chromosome segment substitution lines (CSSLs) provide ideal materials for quantitative trait loci (QTLs) mapping and genetic dissection of complex traits. In this study, we developed a set of CSSL population consisting of 175 lines, which were derived between the recipient ‘Guangluai 4’ and the donor ‘Nipponbare’. Based on 260 molecular markers, we firstly constructed a physical map of core 97 lines. Then, these 97 lines were further genotyped based on resequencing data, and a resequencing‐based physical map was constructed. Compared with the molecular marker‐based physical map, the resequencing‐based physical map of 97 lines contained 367 substituted segments with 252 newly discovered segments. The total size of the 367 substituted segments was 1,074 Mb, which was 2.81 times the size of rice genome. Using the 97 CSSLs as materials, we identified nine QTLs for heading date and three of them were firstly reported. All the QTLs had positive additive effects, ranging from 9.50 to 16.50 days. These CSSLs may greatly help forge a new resource for functional genomics studies and molecular breeding in rice.     

水稻叶片保绿相关性状的QTL分析

以籼稻窄叶青8号（ZYQ8）与粳稻京系17（JX17）为亲本的DH群体为材,考察叶片保绿相关性状,并利用该群体的分子连锁图谱进行QTL分析。共检测到7个与水稻叶片保绿有关的QTL,包括与黑暗下保绿面积相关的3个QTL,位于第1、6和8染色体上,贡献率分别为11.07%、10.31%和11.21%;与黑暗下保绿程度相关的2个QTL,位于第1和12染色体     

用单片段代换系研究水稻产量和籽粒充实对花后不同土壤干旱的响应

以介入巴西陆稻IAPAR9抗性基因片段的单片段代换系(single segment substitution line, SSSL)和受体亲本华粳籼74为材料,设置正常灌水(CK)、中度干旱胁迫(MD)、重度干旱胁迫(SD) 3种土壤水分处理,分析SSSL和受体亲本籽粒灌浆特征、蔗糖及淀粉代谢中相关酶活性动态,探讨了水稻籽粒充实和产量对花后干旱胁迫响应的生理机制。结果表明,与受体亲本相比,携带抗旱基因的SSSL在MD和SD处理下其耐旱性的表现更为明显,减产幅度明显小于受体亲本。在花后7 d开始的中、重度干旱胁迫处理下,灌浆中后期SSSL叶片相对含水量、叶绿素含量和光合速率下降幅度明显小于受体亲本,其籽粒中蔗糖合酶(sucrose synthase, SS)、酸性蔗糖转化酶(acid invertase, AINV)、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADP glucose pyrophosphorylase, AGPP)﹑可溶性淀粉合酶(soluble starch synthase, SSS)﹑Q酶活性在灌浆前(中)期也明显上升,增强了SSSL籽粒灌浆中前期库活性。虽然持续的干旱胁迫使得上述酶活性在灌浆的中后期快速下降,导致同化物积累的活跃灌浆期缩短,但SSSL籽粒平均灌浆速率和最大灌浆速率明显高于受体亲本,这在一定程度上可弥补因灌浆期缩短导致的同化物积累损失,干旱胁迫下SSSL产量高于受体亲本,这一趋势在重度干旱胁迫下更为明显。     

水稻品种倒伏指数QTL分析

利用由98个株系组成的Nipponbare（粳）/ Kasalath（籼）∥Nipponbare 回交重组自交系群体,对水稻倒伏指数与株高、茎粗及单株生物量等性状进行了相关分析,并对水稻倒伏相关性状QTL进行了分子标记定位和遗传效应分析。结果表明,株高、茎粗、单株生物量3性状与倒伏指数的相关系数均达1%显著水平。利用基于性状-标记多元线性