近等基因导入系定位水稻抗稻曲病数量性状位点的研究初报

1、浙江农业学报Acta Agriculturae Zhejiangensis14(1:1419,2002近等基因导入系定位水稻抗稻曲病数量性状位点的研究初报徐建龙1,4,薛庆中2,罗利军3,黎志康4(1浙江省农业科学院原子能利用研究所,浙江杭州310021;2浙江大学农业与生物技术学院,浙江杭州310029;3中国水稻研究所,浙江杭州310006;4Plant Breeding,Genetics and Biochemistry Division,International Rice Research Institute,Philippines摘要:在已构建的Lemont/T eqing RIL

2、s遗传连锁图谱上选择146个分子标记,鉴定了266个特青背景的近等基因导入系的图示基因型,结合两年田间稻曲病的自然鉴定结果,利用图示基因型重叠方法对抗稻曲病数量性状位点(QTL进行了初步定位。结果表明,146个标记总的遗传图距为2227.6cM,覆盖95.6%的供体基因组,相邻标记平均为15.2cM。通过性状-标记相关分析和图示基因型重叠,在第10和第12两条染色体上定位到2个抗稻曲病QTL(QFsr10和QFsr12,其增强抗性的等位基因均来自亲本Lemont,加性效应分别为3.38级和3.34级。本文还就图示基因型重叠定位QTL的特点和效果进行了讨论。关键词:水稻;近等基因导入系;数量性状

3、位点;稻曲病;分子标记中图分类号:S511.035文献标识码:A文章编号:1004-1524(200201-0014-06Preliminary report on quantitative trait loci mapping of false smut resistance using near-isogenic introgres-sion lines in rice:XU Jian-long1,4,XUE Qing-zhong2,LUO Li-jun3,LI Zhi-kang4(1Institute for Application ofAtomic Energy,Zhejiang Ac

4、ademy of Agricultural Sciences,Hangzhou310021,China;2College of Agriculture&Biotechnology of Zhejiang University,Hangzhou310029,China;3China National Rice Research Institute, Hangzhou310006,China;4Plant Breeding,Genetics and Biochemistry Division,International Rice Research Insti-tute,PhilippinesAbs

5、tract:After analyzing the graphical genotypes for266near-isogenic introgression lines(NIILsin T eqingbackground using146molecular markers selected from the constructed linkage map of Lemont/T eqing RILs,andcombined with the results of natural identification of false smut resistance in the field for

6、two years,quantitativetrait loci(QTLsunderlying false smut resistance was preliminarily mapped using graphical genotypic overlappingmethod.Results indicated that the total genetic distance of146markers was2227.6cM,which covered96.6%genome of the recurrent parent with the average distance of15.2cM fo

7、r neighboring markers.T wo QTLs,QFsr10and QFsr12,on the chromosomes10and12were mapped through trait-marker correlation analysis and graphicalgenotypic overlapping,whose positive alleles at the two loci were all derived from Lemont with the additive effectsof3.38and3.34scale respectively.The characte

8、ristic and effect of QTL mapping using graphical genotypic over-lapping method were discussed.Key words:rice;near-isogenic introgression lines(NIILs;quantitative trait loci(QTL;false smut;molecularmarker收稿日期:2001-12-01基金项目:洛克菲洛基金资助项目作者简介:徐建龙(1964-,男,浙江建德市人,博士,副研究员,从事水稻遗传育种研究。稻曲病是由子囊菌纲麦角菌科Ustilagi-no

9、idea virens(CookeT ak.引起的真菌病害。该病通常在水稻丰收年为害严重,故又称为“丰收病”1。20世纪70年代,国内各主要稻区相继出现稻曲病的为害,80年代发病面积明显增加,目前病情还有逐年扩展和加重的趋势。稻曲病可引起小穗不育,粒重降低,影响发芽力,易对临近谷粒产生不良影响,单穗每增加1个病粒,产量损失提高2%4%24,而且其有毒色素对人畜有害。选育抗病良种是防治病害发生的最有效措施之一。然而,国内外对该病的抗性遗传基础缺乏研究,这在很大程度上制约了抗病育种的开展。分析稻曲病抗性遗传规律,鉴定与抗性基因位点紧密连锁的分子标记,通过分子标记辅助选择育种加速抗病品种的培育,是提

10、高品种抗性水平的有效途径。来源于美国南部的热带粳稻品种Lemont 对稻曲病具有较强的田间抗性,而我国广东的高产籼稻品种特青则表现感病。本研究利用以感病亲本特青为轮回亲本,Lemont为供体构建的特青背景的近等基因导入系(NIILs为材料,在病区种植自然诱发抗性鉴定,进行稻曲病抗性QTL的初步定位。现将结果报道如下。1材料与方法1.1供试材料以感病品种特青为母本与抗病品种Lemont杂交,以特青为轮回亲本回交,产生266个NIILs。在NIILs培育过程中,每个世代选择具不同于轮回亲本性状的单株(如紫稃尖、光叶等用于回交或收获自交种子,按系谱法选育,对与轮回亲本性状相仿的稳定株系,随机选择1株

11、自交种子产生下一代,以期建立一套覆盖整个供体基因组而遗传背景与特青相似的NIILs。1.2抗性鉴定266个NIILs及双亲于1999和2000年雨季种植于菲律宾国际水稻所试验农场病区,每导入系种1行12株,密度为19.8cm16.5cm,每隔10个导入系插入1个感病品种特青作对照,3次重复,在孕穗期配合施过量的氮肥,进行自然诱发抗性鉴定。成熟后对稻穗进行病害调查,以每株发病最重穗的罹病粒数占该穗总粒数的百分率为指标划分6个抗感等级5,其中03级为抗病,59级为感病。1.3NIILs供体导入片段的基因型鉴定NIILs群体及双亲播种后20天,剪取新鲜幼叶46g,采用改良CTAB法提取DNA。在含4

12、67个标记的Lemont/特青RILs的遗传连锁图上6,每隔一定遗传距离选择1个标记,共计146个标记(包括109个SSR标记、34个RAPD标记和3个形态标记,用于266个NIILs的标记基因型分析。利用HYPER-GENE图示基因型分析软件,按照Young和Tanksley(19897的分析方法推断各NIIL的供体导入片段的图示基因型。1.4抗病基因的重叠定位根据两年自然诱发鉴定的结果,经显著性测验,选择抗病性与对照特青有显著差异的NIILs,利用SAS GML程序进行性状与标记的单向方差分析,检出显著影响抗病性的标记位点(显著水平P0.01。将这些位点上有供体Lemont基因导入的NII

13、Ls按各标记位点逐一排列,确定不同位点的组合类型,进行图示基因型重叠定位QTL,QTL的置信区间表示为“A-标记位点-B”,其中A代表该标记位点染色体起点一侧相同供体导入片段的长度(cM,B为另一侧相同供体导入片段的长度(cM。1.5QTL遗传主效应的估算考虑到用于NIILs基因型分析的标记还不够多,存在有些染色体区域供体导入片段鉴定不出的可能,从而造成QTL的漏检。为51徐建龙等:近等基因导入系定位水稻抗稻曲病数量性状位点的研究初报保持同一类型的相对一致性,从每种类型中选择性状值比较一致的NIILs用于估算基因效应。在各个QTL位点上,求得有供体等位基因导入的所有NIILs性状的平均值,以该

14、平均值与对照特青差值的一半作为该QTL 的加性效应。2结果与分析2.1双亲和NIILs的抗病性表现经连续两年的田间抗性鉴定,亲本Lemont表现抗病,病级为0级,特青表现感病,平均病级为7级。295个导入系中两年平均病级为5.31.5,变幅为08.2,其中有31个导入系两年的病级均在3级以下(图1,平均为0.240.5,变幅为01.33,表明这些特青背景的抗病导入系均有亲本Lemont 抗病等位基因的导入。2.2146个标记在遗传连锁图上的分布利用Lemont/特青RILs群体已构建了一个含467个标记的分子连锁图6。在此基础上,每隔一定遗传距离选择1个标记,共计146个标记用于NIILs的遗

15、传结构分析。146个标记总的遗传图距为2227.6cM,覆盖图1抗稻曲病NIIL与感病对照的比较Fig.1Comparison between NIIL resistant to false smut and the susceptible parent95.6%的供体基因组,相邻标记平均为15.2 cM(图2。虽然这些标记在遗传图谱上的分布不很均匀,局部区段标记密度偏稀,如30 cM以上的区段,在第1,3,5,6,9,10,11和12染色体上各有1个,在第7和8染色体上有2个,然而用这些标记位点还是能比较有效地分析NIIL s的供体导入片段的图示基因型。2.3抗病QTL的检测及其表型效应经对

16、31个抗病导入系的单向方差分析,检出显著影响抗病性的QTL共有2个,即QFsr10和QFsr12,分别与第10染色体上的AK10150标记和第12染色体上的RM277标记连锁。根据在这2个位点上供体等位基因的导入情况,可将抗病导入系分成2组。比较每组内各导入系的抗性表现,发现导入系之间存在一定差异,暗示各导入系带有的抗病位点的数目可能不等。为比较准确地估算这2个位点QTL的表型效应,从每组中选择性状值比较一致的导入系用作该位点QTL 的效应估算。符合上述要求的导入系共有12个,图3是这12个导入系的图示基因型。在AK10150和RM277位点将各导入系进行图示基因型重叠,确定QTL的置信区间(

17、图4,其中QFsr10的置信区间为11.95cM -AK10150-2.3cM,QFsr12的置信区间为1.95cM-RM277-15.75cM。这2个QTL的增强抗性等位基因均来自Lemont,加性效应分别为3.38级和3.34级。3讨论最早QTL定位采用的群体通常是F2或BC1等分离群体8,9,由于分离群体的遗传组成是随机的,用于QTL定位时很难排除遗传背景对QTL效应的干扰,导致定位结果可能产生一定的偏差。控制遗传背景噪音的方法之一是培育近等基因导入系。这类群体除少数供体导入片段外,绝大部分遗传背景与轮61浙江农业学报第14卷( 2002图2146个标记在Lemont/特青RILs遗传连

18、锁图上的分布Fig.2Distribution of146markers in the linkage map derived from Lemont/Teqing RILs回亲本一致10,11,从而最大程度地消除遗传背景对检测QTL尤其是对微效QTL的干扰,而且采用图示基因型重叠定位时可以使用相对较小的群体。Paterson等12、Eshed和Za-mir13利用回交导入系定位了一系列与番茄产量和加工品质有关的QTL。但迄今为止还未见有利用覆盖全基因组的近等基因导入系定位水稻QTL的报道。本研究直接应用Lemont/特青RILs的遗传图谱分析NIILs的图示基因型。理论上,由相同亲本杂交产生

19、的RILs和回交群体构建的图谱应保持一致。受作图群体大小等因素的影响,标记间的遗传距离常有差异,但这种差异对鉴定NIILs的导入片段无实质性的71 徐建龙等:近等基因导入系定位水稻抗稻曲病数量性状位点的研究初报影响,因为标记与其鉴定出的导入片段之间的对应关系是固定的。因此,没有必要重新采用回交群体作图。采用NIILs 定位QTL 的前提是要鉴定出尽可能多的影响目标性状的供体导入片段。因此,为防止小的供体导入片段被漏检,有必要采用更饱和的分子标记,以鉴定出尽可能多的供体导入片段,并在目标QTL 区域采用更多的分子标记鉴定QTL 与相邻标记位点的重组体,以实现QTL 的精细定位。本研究对利用NII

20、Ls 群体定位QTL进行了尝试,初步定位到2个影响稻曲病抗性的QTL (QFsr 10和QFsr12,为稻曲病抗性遗传与育种研究提供了有用信息。当然进一步验证和发现其它抗稻曲病的QTL ,还需要用更饱和的分子标记鉴定NIILs 的图示基因型及采用更准确的人工接种技术。有研究表明,生产上应用的水稻品种大多缺乏对稻曲病的垂直抗性,但品种间感病程度不同14,15,稻曲病抗性可能受多基因控制,且易受环境条件的影响,种植抗病品种应图3抗病株系的图示基因型Fig.3Graphical genotypes of some NIILs resistant to false smut注:每列中自左至右依次为11

21、2号染色体,下侧数字上为株系号,下为特青基因组比率,染色体的黑色部分代表特青基因组,白色为Lemont 基因组,阴影部分为基因型缺失的未知基因组。81浙江农业学报第14卷(2002 徐建龙等： 近等基因导入系定位水稻抗稻曲病数量性状位点的研究初报 19 2 王兴国， 汤洪涛， 杨勤莲， . 稻曲病粒形成过程及对 等 健粒的影响 J 植物保护， . 1989，（5）30 - 31 . 15 ： 3 黎毓干， 康必鉴， 张宝棣， . 稻曲病研究初报 等 J 广 . 东农业科学， （4）45 - 48 . 1986， ： 4 李火苟 . 稻曲病几个发病因素和损失调查分析 J . 植物保护学报， 19

22、85，（1）8 . 12 ： 5 IRRI . Standard evaluation system for rice C Manila， . Philippines： IRRI ，1996 . 6 Yu SB，Zhong DB，Sanchez A，et al . An integrated molecular linkage map and genomic regions with clustered QTLs . detected in the LT RI population A International Rice Research Institute. Abstract of the

23、 4th International Rice C Los Banos，Philippines：InternaGenetics Symposium . tional Rice Research Institute，2000 . 278 . 7 Young ND，Tanksley SD. Restriction fragment length polyJ morphism maps and the concept of graphical genotypes . Thero Appl Genet，1989， 95 - 101 . 77： 8 Edwards MD，Stuber CW，Wendel

24、 JF. Molecular-markerfacilitated investigations of quantitative-trait loci in maize： I . numbers，genomic distribution and types of gene action J Genetics， . 1987， 113 - 125 . 116： 9 Paterson AH，Lander ES，Hewitt JD，et al . Resolution of quantitative traits into Mendelian factors，using a complete link

25、age map of resistance fragment length polymorphisms J Nature，1988，335： - 726 . . 721 10 Eshed Y，Zamir D. Introgressions from Lycopersicon pennellii can improve the soluble-solids yield of tomato hybrids J Theor Appl Genet， . 1994a， 891 - 897 . 88： 11 Eshed Y，Zamir D. A genomic library of Lycopersicon pennellii in L . esculentum：A tool for fine mapping of genes J Euphytica，1994b， 175 - 179 . . 79： 12 Pate