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水稻微效千粒重QTLqTGW1.1的分解、精细定位和检测功效分析

张宏伟  
【摘要】:作物的大多数农艺性状是由多基因控制的复杂性状,并受环境影响。长期以来,水稻产量相关性状的数量性状位点(Quantitative trait locus,QTL)精细定位和克隆都以主效QTL为主,而微效QTL最近才得到关注。前期我们应用籼稻组合珍汕97(ZS97)///ZS97//ZS97/密阳46(MY46)衍生的近等基因系(Near isogenic line,NIL),在水稻第1染色体长臂上约12.0 Mb的区间内分解出2个互斥连锁的微效千粒重QTL,其中qTGW1.1位于约3.7 Mb的区间内,qTGW1.2位于约4.5 Mb的区间内。本研究发现qTGW1.1区间还可进一步分解为2个微效QTL。针对该位点效应较小,可能存在检测功效低的问题,本研究开展了应用NIL群体进行qTGW1.1a统计功效的分析,探索提高微效QTL检测能力的方法。主要结果如下:1 qTGW1.1的分解、验证精细定位根据qTGW1.1的初步定位结果,从ZS973/MY46的高代群体中筛选出1个在标记RM11448和RM1231间呈杂合的BC2F8单株,自交衍生至BC_2F_(10),从中筛选出4个单株,其杂合区间呈重叠排列,并覆盖了qTGW1.1的整个可能区间。4个单株自交后代分别衍生出4套NILs(BC2F11:12),称为Z1、Z2、Z3和Z4,种植在生态条件差异较大的2个地点。QTL分析结果显示,qTGW1.1区间存在2个不同的千粒重QTL,遵循前期命名,分别称为qTGW1.1a和qTGW1.1b。其中,qTGW1.1a定位于约120.4 kb的Wn28447-RM11543区间,ZS97等位基因分别增加千粒重、粒长和粒宽0.10 g、0.009 mm和0.004 mm,贡献率分别为14.83%、6.02%和4.03%;qTGW1.1b界定于约521.8 kb的RM11554-RM11569区间,MY46等位基因分别增加千粒重和粒长0.06 g和0.017 mm,贡献率分别为7.33%和18.27%。因此,在大小约835.2 kb的Wn28447-RM11569区间内分解出2个相邻QTL,qTGW1.1a显著地影响所有3个性状,对粒重的影响大于粒长和粒宽,qTGW1.1b显著地影响粒重和粒长,对粒长的影响大于粒重。然后,筛选出染色体区间分别覆盖qTGW1.1a或qTGW1.1b的5个BC2F13杂合单株,自交产生5个NIL-F2群体,于2015年夏种植在浙江杭州。其中2个群体检测到显著的粒重作用,增效等位基因均来自ZS97,加性效应为0.14 g-0.19 g,贡献率为4.15%-6.89%;另外3个群体检测到显著的粒重或粒长作用,增效等位基因均来自MY46,加性效应分别为0.11 g-0.12 g和0.019 mm-0.021 mm,贡献率分别为3.19%-5.91%和4.04%-5.38%。这些结果进一步验证了qTGW1.1a和qTGW1.1b的效应。上述研究将qTGW1.1a界定在120.4 kb的区间内,其定位精度和加性效应均较qTGW1.1b高,因此选定该QTL进一步验证和定位。从原BC2F8剩余杂合体后代筛选出3个BC2F12杂合单株,衍生3套新的NILs(BC2F13:14),于2015年夏种植在浙江杭州。3套NILs的分离区间覆盖qTGW1.1a所处的Wn28447-RM11543区间,而不包括qTGW1.1b所处的RM11554-RM11569区间。所有NILs中均检测到显著的千粒重QTL,增效等位基因均来自ZS97,加性效应为0.07 g-0.08 g,贡献率为5.85%-9.91%,因此将qTGW1.1a界定在3套NILs的共有分离区间RM11532-Wn28497。结合4套NILs(BC2F11:12)将qTGW1.1a界定在标记Wn28447和RM11543之间的试验结果,并比较2个试验的QTL区间,可将qTGW1.1a定位在Wn28447-Wn28497约49.4 kb的区间内。该区间共包含6个预测基因,其中LOC_Os01g49470和LOC_Os01g49529的编码序列各存在1处单碱基核苷酸多态性导致编码的氨基酸发生改变,其余预测基因的编码序列并未发现导致编码蛋白提前终止或者氨基酸残基发生改变的变异。2 qTGW1.1a的检测功效分析从前期研究中表现出qTGW1.1a分离的1套NILs(BC_2F_(10):11)中挑选千粒重极端高、低的ZS97纯合基因型和MY46纯合基因型株系相互杂交构建6个NIL-F2群体。按照亲本千粒重高、低可将6个NIL-F2群体分为3种类型的组合,分别为低ZS97×低MY46、低ZS97×高MY46和高ZS97×高MY46。3种组合的千粒重平均值和分布范围均比较相似,未表现出明显的类别间差异。由此可见,几个亲本材料的遗传背景不存在千粒重QTL的等位差异,说明前期研究中同1套NIL中相同基因型材料间的千粒重差异是由随机误差造成的。对6个NIL-F2群体的千粒重、粒长和粒宽进行QTL分析发现,分别有3个、2个和1个群体检测到显著的QTL效应,因此3个性状的实际统计功效分别为50.0%、33.3%和16.7%,表明微效QTL qTGW1.1a的实际统计功效较低。基于6个NIL-F2群体各性状基因型效应、基因型内的表型标准差和总样本量的平均值,应用G*Power 3.1计算qTGW1.1a千粒重、粒长和粒宽的理论统计功效,分别为65.8%、62.1%和13.3%。3个性状的实际统计功效与理论统计功效接近,但有一定程度的降低,因此,进行试验设计时应采用比理论估算值高些的样本量。从原BC2F8剩余杂合体后代中筛选出在qTGW1.1a区间呈杂合的1个BC_2F_(10)单株,从其自交产生的BC2F11群体中挑选出在目标区间呈ZS97纯合基因型和MY46纯合基因型的单株各2个,各单株自交种子共同构成1套NILs(BC2F11:12)。该NILs种植2个重复,每个重复含10个小区,每个小区内4个株系随机排列。2种基因型材料间千粒重、粒长和粒宽的相对高低在不同小区内表现较一致,10个小区中分别有8个、8个和7个小区的ZS97型株系比MY46型株系具有相对更高的表型值,表明采用2基因型材料随机相邻种植的方法有利于鉴定微效QTL的作用。对该NILs的表型变异进行分解。相同株系不同小区间的变异反映的是相同材料种植在同一个重复中不同位置引起的变异,实际上是随机误差的直接体现。该变异对千粒重、粒长和粒宽的表型贡献分别为36.89%、48.02%和42.10%,随机误差对相应性状的表型贡献分别为43.68%、37.69%和35.79%,两者的贡献率的值相当,共同解释了大部分的表型变异。与此形成鲜明对比的是,不同基因型间的差异对千粒重、粒长和粒宽的贡献率分别为5.65%、11.71%和6.70%,比随机误差低很多,从而解释了如qTGW1.1a这种效应级别的微效QTL,即使在同质NIL背景下也难以表现出双峰分布的原因。


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