水稻糙米蛋白质和粗脂肪含量的QTLs分析

　　摘要：蛋白质和粗脂肪含量是评价稻米营养品质的重要指标，控制水稻（Oryza sativa L.）糙米蛋白质及脂肪含量的基因位点是数量性状，检测水稻糙米蛋白质及脂肪含量的数量性状位点（QTL）对于水稻品质遗传育种具有重要的意义。通过明恢63和优质泰国香米KDML105两个籼稻品种为亲本杂交的重组自交系（Recombinant inbred line， RIL）群体构建了包含113个简单重复序列标记（SSR）的遗传连锁图谱，对2009、2010年群体的蛋白质和粗脂肪含量进行了QTL定位。2009年检测到5个QTLs，其中蛋白质含量检测到2个QTLs，单个QTL贡献率分为别为5.44%和5.52%；粗脂肪含量检测到3个QTLs，单个QTL贡献率为5.42%～7.30%。2010年蛋白质含量检测到3个QTLs，单个QTL可解释表型变异为6.24%～20.75%；未检测到粗脂肪含量QTL。此外，还检测到14对粗脂肪含量和8对蛋白质含量的上位性QTLs。　　关键词：水稻（Oryza sativa L.）；蛋白质；粗脂肪；重组自交系；数量性状位点　　中图分类号：S511.2+1；Q943.2 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2012）21-4709-05　　QTLs Mapping of Protein Content and Crude Fat Content in Rice　　HUANG Qin，YU Bo，NASSIROU Tondi-yacouba，GAO Guan-jun，ZHANG Qing-lu，HE Yu-qing　　（National Key Laboratory of Crop Genetic Improvement， Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，China）　　Abstract： Protein content and fat content in rice are important traits for evaluation of nutrient quality which was controlled by polygenes. Recombinant inbred lines （RIL） population derived from a cross between two indica rice varieties， Minghui63 and KDML105， were used to construct a linkage map consisting of 113 simple sequence repeat （SSR） markers. Quantitative trait loci （QTLs） mapping for controlling grain fat and protein content were conducted in 2009 and 2010. 5 QTLs were identified in 2009， including 2 QTLs for grain protein content and 3 QTLs for grain fat content； the phenotypic variation explained by individual QTL ranged from 5.44%～5.52% in protein content and 5.42%～7.30% in fat content. In 2010， 3 QTLs were detected for grain protein content and the phenotypic variation explained by individual QTL ranged from 6.24%～20.75%.　　Key words： rice（Oryza sativa L.）； protein content； fat content； RIL； quantitative trait loci （QTL）　　世界上超过一半的人口都以水稻为主食，随着国民经济的发展，在产量基本稳定的前提下，水稻的品质成为主导稻米市场的主要因素。稻米营养品质包括稻米中的蛋白质、脂肪、维生素、矿质元素等，其中蛋白质和脂肪含量最为重要。稻米蛋白质易被人体消化吸收，且氨基酸配比均衡，赖氨酸含量也较高，是评价稻米营养品质的重要指标。稻米中的脂类含量虽然不高，却是组成生物细胞必不可少的物质，而且是影响米饭可口性的主要因素，在一定范围内提高脂肪含量可以改善米饭的香味、光泽度和适口性。目前对水稻品质的研究主要集中在加工品质、外观品质和蒸煮食味品质等性状上[1-3]，而关于稻米蛋白质和脂肪的遗传研究相对较少。　　Wang等[4]利用RIL群体通过氨基酸研究蛋白质，共定位到18个控制氨基酸含量的QTLs，其中3个主效QTLs分别位于第1染色体上RM315～RM104区间、第2染色体上RM322～RM521和RM556～RM80区间。Zhong等[5]利用珍汕97和德陇208构建的RIL群体对两年氨基酸数据进行QTL定位，共检测到6个QTLs，其中位于第1染色体RM493～RM562区间的qPr1和位于第7染色体的RM445～RM418区间的qPr7在两年中被重复检测到。另外，前人也对蛋白质QTL进行了定位研究[6-9]，通过比较这些QTLs，发现很多效应较大和年度间重复性较好的QTLs处于染色体相同区间，同时也有很多QTLs位置不一样，说明蛋白质基因定位结果比较准确可信，同时也说明水稻蛋白质含量的遗传较复杂。　　关于脂肪含量的遗传和QTL定位，前人利用不同的群体分别在第5、7、10染色体检测到几个主效QTLs[10-12]。Liu等[13]在3个群体中共同检测到一个主效QTL，该QTL位点位于第5染色体RM87～RM334区间，在3个群体中贡献率为10.67%～25.77%。上述研究结果表明由于水稻脂肪含量较低，测定复杂，所以检测到控制稻米脂肪含量的QTL数目较少，并且不同的研究者之间的结果差异较大。 　　本研究通过明恢63和优质泰国香稻KDML105构建的186个RIL（F7、F8）群体，结合两年蛋白质和粗脂肪含量表型数据，利用已构建的包含有113对SSR标记的遗传连锁图谱对蛋白质含量和粗脂肪含量进行QTL初步定位，为揭示控制稻米蛋白质和脂肪含量的品质性状的遗传基础和培育优质水稻新品种提供依据。　　1 材料与方法　　1.1 试验材料　　本研究利用由亲本明恢63和KDML105构建的186个F7、F8 RIL群体，于2009、2010年分别种植于华中农业大学试验农场。每个家系种植两行，每行12株。水稻子粒成熟后，每个株系混合收种，自然放置3个月后置于干燥器中待用。　　1.2 试验方法　　1.2.1 蛋白质含量的测定方法 依据作物遗传改良国家重点实验室水稻分子育种组建立的糙米蛋白质模型，用近红外光谱分析技术（NIRS）对群体蛋白质含量进行测定。　　1.2.2 粗脂肪含量的测定方法 采用索氏抽提法（残余法，GB/T 5512—1985）测定稻米的粗脂肪含量。　　1.3 QTL的检测　　根据构建好的分子标记遗传连锁图谱，利用WinQTLCart 2.5对蛋白质和粗脂肪含量进行QTL初步定位，LOD≥2.0为检测QTL的阈值。　　2 结果与分析　　2.1 图谱构建　　通过全基因组筛选明恢63和KDML105的 SSR多态性标记，共获得113个SSR标记构建了该遗传连锁图谱，组成11个连锁群，总图距1 840 cM，其中第10染色体上未找到多态性标记。　　2.2 蛋白质和粗脂肪含量　　2009年亲本明恢63和KDML105的蛋白质含量分别为99.81、103.10 mg/g，重组自交系群体平均蛋白质含量为108.34 mg/g，群体变异范围为96.89～123.09 mg/g；2010年亲本明恢63和KDML105的蛋白质含量分别为116.52、118.17 mg/g，群体平均蛋白质含量为113.28 mg/g，群体变异范围为102.30～124.62 mg/g。2009年亲本明恢63和KDML105的粗脂肪含量分别为3.13%、2.70%，群体平均粗脂肪含量为3.26%，群体变异范围为2.56%～4.04%；2010年亲本明恢63和KDML105的粗脂肪含量分别为3.45%和3.03%，群体平均粗脂肪含量为3.29%，群体变异范围分别为2.53%～3.98%（表1）。由以上数据可以看出蛋白质含量和粗脂肪含量均表现出双向超亲分离现象。　　在两年间，蛋白质含量和粗脂肪含量在群体中都呈现连续分布（图1），因此这两个性状都受多基因控制，为数量遗传性状，适合用于QTL分析。　　2.3 蛋白质与粗脂肪含量的QTL定位结果　　对糙米蛋白质含量和粗脂肪含量进行了QTL检测和基因效应分析，检测结果见表2和图2。共检测到5个水稻糙米蛋白质含量QTLs，其中2009年检测到2个QTLs，分别位于第6、11染色体上，单个QTL对群体糙米蛋白质含量表型变异的贡献率分别为5.44%和5.52%，联合贡献率为10.96%；2010年检测到3个QTLs，分别位于第3和第12染色体上，单个QTL对群体糙米蛋白质含量表型变异的贡献率为6.24%～20.75%，联合贡献率为37.92%。其中，位于第12染色体的RM20～RM28316区间的qPC-12-1效应最大，贡献率达20.75%，其加性效应值为-2.020 0，其增效等位基因来自KDML105，KDML105为高值亲本；位于第12染色体的qPC-12-2的效应次之，贡献率为10.93%，其加性效应值为-1.480 0，同样是来自KDML105的等位基因解释变异；其他QTLs的增效等位基因也均来源于KDML105。　　粗脂肪含量在2009年检测到3个QTLs，分别位于第1、7和8染色体上，单个QTL对粗脂肪含量表型变异的贡献率为5.42%～7.30%，联合贡献率为19.16%，其中位于第7染色体RM11～RM3394区间的qFC-7的效应最大，加性效应值为-0.000 7，亲本KDML105等位基因增加粗脂肪含量，对表型变异的贡献率为7.30%，但是KDML105为粗脂肪含量低值亲本。另外两个QTL的加性效应均为负值，说明增效等位基因也均来源于KDML105（表2）。2010年未检测到粗脂肪含量QTL位点。　　2.4 蛋白质和粗脂肪含量的上位性QTL分析结果　　对粗脂肪含量进行上位性QTL分析，共检测到14对与粗脂肪含量相关的上位性QTLs，联合贡献率42.00%，并且14对上位性QTLs贡献率相同（表3），其原因有待进一步探讨。总的来看，在粗脂肪含量的变异中，上位性QTLs占主导地位，主效QTLs只解释了19.16%的表型变异（表2）。　　蛋白质含量共检测到8对上位性QTLs，这些QTLs分布在第1、2、4、5、6、8、9以及11染色体上，联合贡献率为29.94%，其中第6染色体上的主效QTL（RM402～RM5963）和第11染色体上的主效QTL（RM332～RM26386）参与了上位性互作（表4）。　　3 讨论　　3.1 水稻糙米蛋白质含量的QTLs分析　　水稻蛋白质含量的测定方法较为复杂，关于水稻糙米蛋白质含量的QTL定位的报道比较少。近年来，随着近红外仪技术越来越成熟，关于用近红外仪测定水稻品质性状的报道也越来越多。谢新华等[14]在NITS定量分析单粒稻谷蛋白质含量研究中通过内部交叉验证和外部验证结果表明近红外定量分析有很高的准确度。因此，目前近红外光谱法可以较好地替代单粒稻谷常规化学方法对水稻稻米品质进行分析。　　本研究采用水稻分子遗传育种组利用203份核心种质的蛋白质含量测定结果建立的近红外仪模型（内部未发表数据）检测材料的糙米蛋白质含量，利用已构建的遗传连锁图谱，采用复合区间作图法对水稻糙米蛋白质含量进行QTL定位，共检测到5个水稻糙米蛋白质含量QTLs，分别为qPC-3、qPC-6、qPC-11、qPC-12-1和qPC-12-2，位于第3、6、11和12染色体上（表2）。qPC-6与第6染色体上的Wx基因位置相近，Tan等[15]也定位到Wx基因对蛋白质含量有较大影响。本研究所定位的qPC-3、qPC-6和qPC-11与于永红等[16]检测到的稻米蛋白质含量位于相近区域，说明了这3个位点是可信的。而qPC-12-1和qPC-12-2这两个QTLs，并没有在前人的研究中被检测到，而且效应和贡献率均较小，可能是因为蛋白质含量受环境影响较大。 　　3.2 水稻糙米粗脂肪含量的QTLs分析　　本研究共检测到3个控制粗脂肪含量的QTLs，分别为qFC-1、qFC-7和qFC-8，位于第1、7和8染色体上（表2）。其中qFC-8与于永红等[16]定位的qLc-8位置接近，其余的均属于新检测到的QTLs。粗脂肪含量检测到的QTLs对表型的贡献率均较小，并且两年没有重复检测到，说明粗脂肪为复杂的数量性状，受多基因控制，其性状的表达是通过众多基因在特定遗传背景和环境下相互作用的结果。另外有研究表明，水稻子粒不同发育时期粗脂肪含量差异较大，因此取样时间上的差异会对QTL定位结果有很大的影响。　　3.3 水稻糙米蛋白质和粗脂肪含量的上位性QTL分析　　粗脂肪含量14对上位性OTLs互作效应的总效应大于3个主效OTLs加性效应之和，说明RIL群体内上位性效应是比加性效应更重要的遗传效应。可见稻米粗脂肪含量是由主效基因和上位性效应共同作用的一类性状，同时也可能有环境效应的作用，遗传基础复杂，这也解释了检测到的QTL很少的原因。但此次检测到的14对上位性QTLs经反复检验贡献率相同，其原因有待进一步探索。　　通过对蛋白质含量两年数据联合分析表明，基因互作可以是同一染色体上不同位点间的互作，也可以是不同染色体上位点间的互作。同时互作还可以发生在QTL与QTL、QTL与非QTL、非QTL与非QTL之间，这些基因互作表明基因间的关系复杂。　　3.4 水稻糙米蛋白质和粗脂肪含量的分子遗传改良　　KDML105是品质优良且为国际著名的泰国香稻，也是泰国出口的主要香米品种。前期我们知道其主要特点是具有合适的直链淀粉含量、胶稠度和糊化温度，且适口性较好。本研究通过明恢63和KDML105构建的重组自交系群体定位了蛋白质和粗脂肪含量的QTLs，发现这两种QTLs全部来自KDML105，说明蛋白质和粗脂肪含量对KDML105其他方面的优质可能具有一定促进作用。根据这一结果，可以将本研究的QTLs通过分子标记辅助选择改良我国水稻品种，如明恢63等，可能具有较好的品质改良效果。　　参考文献：　　[1] MEI H W，LOU L J，GUO L B. 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