孙志广^,, 王宝祥, 周振玲, 方磊, 迟铭, 李景芳, 刘金波, Bello Babatunde Kazeem, 徐大勇^,*连云港市农业科学院 / 江苏省现代作物生产协同创新中心, 江苏连云港 222006

Screening of germplasm resources and QTL mapping for germinability under submerged condition in rice (Oryza sativa L.)

SUN Zhi-Guang^,, WANG Bao-Xiang, ZHOU Zhen-Ling, FANG Lei, CHI Ming, LI Jing-Fang, LIU Jin-Bo, Bello Babatunde Kazeem, XU Da-Yong^,*Lianyungang Academy of Agricultural Sciences / Jiangsu Collaborative Innovation Center for Modern Corp Production, Lianyungang 222006, Jiangsu, China

通讯作者: * 徐大勇, E-mail: xudayong3030@sina.com

收稿日期:2020-04-27接受日期:2020-07-2网络出版日期:2021-01-12

基金资助:

国家重点研发计划项目.2017YFD0100400 国家现代农业产业技术体系建设专项.CARS-01-61 江苏省农业重大品种创制.PZCZ201704 苏北科技专项.LYG-SZ201930 连云港市财政专项资金.QNJJ1801 连云港市财政专项资金.QNJJ1902 连云港市财政专项资金.QNJJ2001

Received:2020-04-27Accepted:2020-07-2Online:2021-01-12

Fund supported:

National Key Research and Development Program of China.2017YFD0100400 China Agriculture Research System.CARS-01-61 Project for Agricultural Significant New Varieties Breeding of Jiangsu Province.PZCZ201704 Special Project of Science and Technology in Northern Jiangsu Province.LYG-SZ201930 Financial Grant Support Program of Lianyungang City.QNJJ1801 Financial Grant Support Program of Lianyungang City.QNJJ1902 Financial Grant Support Program of Lianyungang City.QNJJ2001

作者简介 About authors
E-mail: zhiguangsun@126.com











摘要
萌发耐淹性种质资源的筛选、耐低氧萌发基因的挖掘和利用是选育适宜直播水稻新品种的基础。为简便、高效的评价种质资源的萌发耐淹性, 本研究对来自不同年代和地区的191份粳稻种质资源进行了萌发耐淹性鉴定, 共获得12份萌发耐淹性强的种质资源, 其中连粳15号表现出较强的低氧萌发能力。利用其与籼稻品种黄莉占构建的F_2:3分离群体, 采用模拟大田的鉴定方法, 在水稻1号、3号、9号、10号染色体上共检测到4个QTL, 即qGS1、qGS3、qGS9和qGS10。共解释表型变异的70.9%, 其中qGS1、qGS3和qGS10, 能够被重复检测到, 贡献率分别为19.2%~24.0%、12.6%~14.7%、19.1%~20.5%, 是稳定表达的QTL位点。这些种质资源和QTL的发现为耐低氧发芽水稻新品种的培育提供了重要的亲本资源、基因资源和标记资源, 同时也为选育优良直播稻品种提供了理论依据。
关键词： 水稻;萌发耐淹性;种质资源;数量性状位点

Abstract
Screening of germplasm resources, exploiting and utilization of genes conferring tolerance to hypoxia are the key to breeding new cultivars adapted to direct seeding. In order to evaluate the germinability of germplasm resources under submerged condition in a simple and efficient way, 191 japonica germplasm resources released from different years and regions were screened, 12 japonica varieties with high germinability under submerged condition were found. Among them, Lianjing 15, a japonica variety, showed stable and high tolerance to hypoxia. Using a F_2:3 population derived from Lianjing 15 and Huanglizhan (HLZ, a highly susceptible indica rice variety), four quantitative trait loci (QTL) conferring tolerance to hypoxia, namely qGS1, qGS3, qGS9, and qGS10 were identified under simulated field environment, and they explained 70.9% of the total phenotypic variation. Among them, qGS1, qGS3, and qGS10, were repeatedly detected in different years, accounting for 19.2%-24.0%, 12.6%-14.7%, and 19.1%-20.5% of the total phenotypic variation, respectively. The germplasm resources and QTL found in our study would provide innovative resources for breeding rice cultivars with high germinability under submerged condition, and would also provide a theoretical basis for breeding varieties adapted to direct seeding.
Keywords：rice;germinability under submerged condition (GS);germplasm resources;quantitative trait loci (QTL)


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本文引用格式
孙志广, 王宝祥, 周振玲, 方磊, 迟铭, 李景芳, 刘金波, Bello Babatunde Kazeem, 徐大勇. 水稻萌发耐淹性种质资源筛选及QTL定位[J]. 作物学报, 2021, 47(1): 61-70. doi:10.3724/SP.J.1006.2021.02030
SUN Zhi-Guang, WANG Bao-Xiang, ZHOU Zhen-Ling, FANG Lei, CHI Ming, LI Jing-Fang, LIU Jin-Bo, Bello Babatunde Kazeem, XU Da-Yong. Screening of germplasm resources and QTL mapping for germinability under submerged condition in rice (Oryza sativa L.)[J]. Acta Agronomica Sinica, 2021, 47(1): 61-70. doi:10.3724/SP.J.1006.2021.02030


水稻是世界上最重要的粮食作物之一, 水稻的稳产增产事关全球的粮食安全^[1,2,3]。在我国, 传统的移栽种植模式在长时间里为我国粮食增产、农民增收发挥了十分重要的作用^[4], 但是随着我国城镇化的有序推进, 农村劳动力大量减少, 插秧期间对劳动力的高需求阻碍着传统移栽模式的进行。与传统移栽模式相比, 直播稻整地用水量少, 连续淹水天数少、对灌溉水利用效率高, 而且便于机械化操作^[5,6,7]。在此背景下, 随着适宜新品种的育成和栽培技术的进步, 资源和劳动力节约型的轻简栽培方式—直播稻得到了较大的发展^[8,9]。

出苗率低是水稻直播中面临的一个主要问题, 当种子被水淹没时, 由于氧气浓度急剧降低, 种子有氧呼吸受到严重抑制, 导致出苗率显著下降^[10]。因此, 在淹水条件下, 选择出苗能力好的耐淹性水稻品种将在直播稻安全生产中起到十分重要的作用。已有研究表明, 在低氧条件下萌发的水稻种子胚芽鞘长度与耐淹成苗率呈极显著的正相关^{[11,12,13,14]}。随着分子标记技术的发展, 前人以胚芽鞘长度为指标, 利用多种遗传群体定位到多个萌发耐淹性QTL, 侯名语等^[11]以水淹胁迫下暗发芽5 d后的胚芽鞘长为指标, 评价了359份水稻品种的耐低氧发芽能力, 其中11%粳稻品种芽鞘长度超过3.0 cm, 而芽鞘长度超过3.0 cm籼稻品种仅占2%, 其认为籼粳稻在耐低氧发芽能力方面存在差异。随后其利用Kinmaze/DV85 RIL群体, 在水稻1号、2号、5号和7号染色体上共检测到5个低氧发芽相关QTL位点, 可解释表型变异为10.5%~19.6%。陈孙禄等^[15]通过对256份水稻核心种质进行萌发耐淹性评估, 认为籼粳稻的萌发耐淹性差异并不显著, 与侯名语的结果不一致, 这可能是两者所用试验材料和方法不同造成的。随后其利用R0380/RP2334回交自交系群体在水稻2号、3号、8号染色体上检测到4个QTL, 贡献率为9.37%~17.34%。Jiang等^[16]利用USSR5/N22 F₂分离群体在水稻5号和11号染色体上检测到2个萌发耐淹性QTL, 贡献率为10.99%~15.51%。然而以上试验多是在直接淹水胁迫下进行的, 为了更准确的模拟大田淹水环境下种子的低氧萌发状态, 本研究采用土壤介质下的种子萌发耐淹性鉴定方法, 以胚芽鞘长度为指标进行萌发耐淹性种质资源筛选, 并进一步构建分离群体挖掘萌发耐低氧QTL, 为培育耐淹萌发能力强的水稻新品种提供参考。

1 材料与方法

1.1 种质资源

供试材料包括192份水稻种质资源, 其中191份为粳稻品种, 来自我国江苏、安徽、河南、山东、上海等地区, 1份为籼型常规水稻黄莉占, 来自广东省。定位群体来自以连粳15号(Lianjing 15, LJ15)为父本, 黄莉占(Huanglizhan, HLZ)为母本构建的F_2:3分离群体, 该群体包含120个家系。为减少种子休眠带来的影响, 所有供试材料均在50℃高温条件下处理7 d以打破种子休眠。

1.2 试验方法

模拟大田萌发耐淹鉴定: 每品种或家系挑选健康、饱满和均一的种子90粒, 分3次重复, 在2% H₂O₂中灭菌15 min, 随后用纯水冲洗5次, 浸种48 h后, 每重复挑选20粒吸足水分的种子, 播种于含有50个方孔的秧盘中, 秧盘中盛满细土, 播种深度1 cm, 方孔规格为5.5 cm × 5.5 cm × 5.0 cm, 每个方孔底部均有直径为0.8 cm的小圆孔, 以便排水, 秧盘置于57 cm × 38 cm × 9 cm 规格的周转箱中, 随后向周转箱中注入纯水至水面距离土壤表面5 cm, 每天注水以保持此高度不变, 以萌发7 d的胚芽鞘长度(coleoptile length, CL)作为萌发耐淹性的调查指标, 每重复随机取12粒种子测量胚芽鞘长度, 精确到1 mm。随机区组排列, 剔除极大值和极小值后, 取3次胚芽鞘长度平均值作为表型值进行品种比较分析、遗传分析和QTL检测。

梯度试验: 分别设置9个不同的淹水深度对连粳15号和黄莉占进行萌发耐淹性测试, 水深分别为10、30、50、70、90、110、130、150和200 mm, 其余步骤同上。

以上试验均在温室中进行, 温度: (26±2)℃, 光∶暗 = 14∶10, 相对湿度80%左右。

1.3 遗传连锁图谱的构建及QTL分析

根据连粳15号/黄莉占F_2:3分离群体的分子数据, 利用Mapmaker/EXP version 3.0软件(http://www.softpedia.com/get/Science-CAD/MapMaker.shtml)构建分子连锁图谱, 运用Kosambi函数将重组频率转换为遗传距离(cM), 随后结合表型数据, 利用Windows QTL Cartographer version 2.5软件(http://statgen.ncsu.edu/qtlcart/WQTLCart.htm)以复合区间作图的方法进行QTL检测, 以LOD值3.0作为阈值判定QTL是否存在, 同时利用该软件进行各QTL的贡献率和加性效应值的计算。

1.4 数据分析

利用Microsoft Excel 2010进行数据整理和频数分布直方图的绘制, SPSS 18.0软件进行方差、多重比较分析和KS-检验。

2 结果与分析

2.1 萌发耐淹性种质资源筛选

以萌发7 d的胚芽鞘长为指标, 本研究对来自不同年代和地区的191份粳稻种质资源进行萌发耐淹能力测试, 结果见附表1, 191份种质资源胚芽鞘长频数分布直方图呈偏态分布的特点(图1-A), 该群体的胚芽鞘长的变化范围为0~34.6 mm, 变异系数为21.8%, 表明这些种质资源在萌发耐淹性上具有广泛的遗传多样性。群体胚芽鞘长平均值为24.1 mm, 其中胚芽鞘长度小于20 mm种质资源总共有19份, 总占比9.9%, 处于20~25 mm之间的品种最多, 有90份, 占比47.1%, 其次为25~30 mm, 有67份, 占比35.1%, 其中 >30 mm品种有12个(表1), 占比6.3%, 这些种质表现出较强的耐低氧萌发能力, 可作为亲本材料进行萌发耐低氧新品种的培育。其中连云港地区的半野生稻种质资源穞稻表现最好, 胚芽鞘长34.6 mm, 其次为连粳15号, 胚芽鞘长34.2 mm。值得注意的是, 连粳15号(连粳7032/连粳446)的亲本之一连粳446也是由穞稻与连粳3号的杂交后代中选育而来, 推测连粳15号的萌发耐淹性大多来自穞稻, 因此, 应加大力度深入挖掘野生稻种的有利基因以增强水稻品种对生物胁迫和非生物胁迫的抗性。

Table S1
附表1
附表1191份种质资源的萌发耐淹性表现
Table S1Germinability of 191 germplasm resources under submerged condition

编号 Number	品种名称 Cultivar	胚芽鞘长 Coleoptile length (mm)	编号 Number	品种名称 Cultivar	胚芽鞘长 Coleoptile length (mm)
1	早丰11号Zaofeng 11	0	97	扬农粳2号Yangnongjing 2	—
2	镇稻1号Zhendao 1	0	98	粳系103 Jingxi 103	24.6
3	早粳Zaojing	0	99	台东育30 Taidongyu 30	24.6
4	梧桐Wutong	0	100	盐粳11号Yanjing 11	24.7
5	ITA182	0	101	扬粳4038 Yangjing 4038	24.7
6	临稻10号Lindao 10	13.4	102	ZBS622	24.7
7	华粳4号Huajing 4	13.6	103	盐粳30192 Yanjing 30192	24.7
8	HP3	17.2	104	盐稻15 Yandao 15	24.8
9	丹东陆稻Dandongludao	17.7	105	小黄稻Xiaohuangdao	24.8
10	绍糯9714 Shaonuo9714	17.7	106	武运粳8号Wuyunjing 8	24.8
11	南京11号 Nanjing 11	18.5	107	ZBS665	24.8
12	淮稻13号Huaidao 13	18.7	108	泗稻10号Sidao 10	24.8
13	三光稻Sanguangdao	18.8	109	香糯8333 Xiangnuo 8333	24.9
14	盐稻10号Yandao 10	19.0	110	湖粳75 Hujing 75	25.0
15	凤凰稻Fenghuangdao	19.1	111	畚禾Benhe	25.0
16	矮粳10号 Aijing 10	19.2	112	新宁Xinning	25.2
17	旱糯谷Hannuogu	19.3	113	南粳40 Nanjing 40	25.2
18	武运粳7号Wuyunjing 7	19.5	114	临稻18 Lindao 18	25.2
19	冀粳14 Jijing 14	19.9	115	高雄育122 Gaoxiongyu 122	25.2
20	南粳36 Nanjing 36	20.1	116	农虎早Laohuzao	25.3
21	黄枝糯Huangzhinuo	20.2	117	连粳3号Lianjing 3	25.4
22	垦鉴稻10号Kenjiandao 10	20.3	118	DY158	25.4
23	台东陆稻328 Taidongludao 328	20.8	119	中粳区6号Zhongjingqu 6	25.5
24	淮稻11号Huaidao 11	20.8	120	盐粳4号Yanjing 4	25.5
25	南粳37 Nanjing 37	20.9	121	镇稻18 Zhendao 18	25.5
26	小黄早Xiaohuangzao	20.9	122	越粳618 Yuejing 618	25.6
27	Y136	20.9	123	淮糯12 Huainuo 12	25.6
28	扬粳9538 Yangjing 9538	21.0	124	镇稻88 Zhendao 88	25.6
29	扬粳687 Yangjing 687	21.1	125	秀水21 Xiushui 21	25.7
30	武育粳20号Wuyujing 20	21.2	126	南粳43 Nanjing 43	25.9
31	通科粳Tongkejing	21.2	127	C418	25.9
32	小葱稻Xiaocongdao	21.3	128	盐粳6号Yanjing 6	25.9
33	圣稻13 Shengdao 13	21.3	129	镇稻86 Zhendao 86	26.0
34	盐粳9号Yanjing 9	21.3	130	台东育66 Taidongyu 66	26.0
35	连粳8671 Lianjing8671	21.4	131	锅底黑Guodihei	26.1
36	农林8号Nonglin 8	21.5	132	中粳区5号 Zhongjingqu 5	26.1
37	武育糯16号Wuyunuo 16	21.5	133	苏粳2号Sujing 2	26.1
38	京越1号Jingyue 1	21.6	134	桂花球Guihuaqiu	26.2
39	新稻18 Xindao 18	21.7	135	连粳3号选系 Line of Lianjing 3	26.2
40	矮秆黄Aiganhuang	21.8	136	黄谷粳稻Huanggujingdao	26.2
41	香稻Xiangdao	21.9	137	连粳5号Lianjing 5	26.3
42	迟粳预1号Chijingyu 1	22.0	138	华粳3号Huajing 3	26.3
43	葫芦稻Huludao	22.1	139	桂花黄Guihuahuang	26.4
44	双城糯Shuangchengnuo	22.1	140	新粳1号Xinjing 1	26.4
45	苏州选271 Suzhouxuan 271	22.1	141	白壳糯 1 Baikenuo 1	26.5
46	武糯5系Wunuo 5	22.3	142	盐粳5号Yanjing 5	26.5
47	中粳区7 Zhongjingqu 7	22.3	143	连粳2号Lianjing 2	26.5
48	黄粘粳Huangzhanjing	22.4	144	DY162	26.6
49	苏联种Sulianzhong	22.4	145	淮稻8号Huaidao 8	26.7
50	HR539	22.6	146	临稻4号Lindao 4	26.7
51	作作稻Zuozuodao	22.7	147	淮优粳2号Huaiyoujing 2	26.8
52	早熟香Zaoshuxiang	22.7	148	连粳6号Lianjing 6	26.9
53	盐稻7号Yanjing 7	22.7	149	徐稻3号Xudao 3	27.0
54	盐粳10号Yanjing 10	22.8	150	江北糯1号Jiangbeinuo 1	27.1
55	国优5号Guoyou 5	22.8	151	Kinmaze	27.3
56	L12-3	22.9	152	郑稻18 Zhengdao 18	27.3
57	浙粳61 Zhejing 61	22.9	153	镇稻108 Zhendao 108	27.4
58	武香粳1号Wuxiangjing 1	22.9	154	剑粳6号Jianjing 6	27.4
59	盐粳30237 Yanjing 30237	22.9	155	扬辐粳8号Yangfujing 8	27.5
60	HP5	23.0	156	扬糯2号Yangnuo 2	27.5
61	红壳糯Hongkenuo	23.0	157	R0380	27.5
62	辽粳287 Liaojing 287	23.1	158	DY110	27.7
63	武育粳18号Wuyujing 18	23.3	159	扬粳1号Yangjing 1	27.8
64	南粳46 Nanjing 46	23.3	160	淮稻9号Huaidao 9	27.9
65	扬粳4227 Yangjing 4227	23.3	161	盐稻8号Yandao 8	28.0
66	L1346	23.3	162	淮稻7号Huaidao 7	28.0
67	盐粳16 Yanjing 16	23.4	163	苏香粳2号Suxiangjing 2	28.1
68	连16783 Lian 16783	23.4	164	泗稻12号Sidao 12	28.1
69	ZBS152	23.5	165	早丰9号Zaofeng 9	28.2
70	L168-3	23.5	166	盐粳2号Yanjing 2	28.6
71	浙粳66 Zhejing 66	23.5	167	武粳15 Wujing 15	28.6
72	淮稻2号Huaidao 2	23.6	168	9805.0	28.7
73	南粳44 Nanjing 44	23.6	169	徐稻5号Xudao 5	28.8
74	东道Dongdao	23.7	170	徐稻6号Xudao 6	28.9
75	HN363	23.7	171	镇稻2号Zhendao 2	28.9
76	常农粳4号Changnongjing 4	23.8	172	南粳41 Nanjing 41	29.0
77	秀水04 Xiushui 04	23.9	173	宁粳1号Ningjing 1	29.1
78	中粳区8号 Zhongjingqu 8	24.0	174	武运粳11号Wuyunjing 11	29.3
79	武育粳3号Wuyujing 3	24.0	175	临糯Linnuo	29.3
80	ZBS153	24.0	176	华粳6号Huajing 6	29.4
81	小香稻Xiaoxiangdao	24.0	177	连粳4号Lianjing 4	29.5
82	新稻10号Xindao 10	24.1	178	盐稻9号Yandao 9	29.8
83	吾别Wubie	24.1	179	镇稻99 Zhendao 99	29.8
84	矮城804 Aicheng 804	24.2	180	临稻11号Lindao 11	30.1
85	花糯Huanuo	24.2	181	淮稻6号Huaidao 6	30.4
86	奎稻Kuidao	24.2	182	华粳5号Huajing 5	30.5
87	盐稻6号Yandao 6	24.4	183	扬粳186 Yangjing 186	30.7
88	宁粳3号Ningjing 3	24.4	184	徐稻4号Xudao 4	30.9
89	武育粳7号Wuyujing 7	24.4	185	淮稻10号Huaidao 10	31.1
90	宁粳2号Ningjing 2	24.4	186	连粳7号Lianjing 7	31.1
91	武运粳21 Wuyunjing 21	24.5	187	连粳9号Lianjing 9	32.0
92	武香粳14 Wuxiangjing 14	24.5	188	盐粳7号Yanjing 7	32.2
93	盐糯12 Yannuo 12	24.5	189	南粳45 Nanjing 45	32.5
94	昆稻选7号Kundaoxuan 7	24.5	190	连粳15号Lianjing 15	34.2
95	农虎禾-3 Nonghuhe-3	24.5	191	穞稻Ludao	34.6
96	五优稻1号Wuyoudao 1	24.5

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图1

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图1种质资源萌发耐淹性评价

A: 淹水条件下, 191份粳稻种质资源萌发耐淹性表型分布直方图; B: 淹水条件下, 不同年代种质资源胚芽鞘长度比较分析。
Fig. 1Evaluation for germinability of germplasm resources under submerged condition

A: Frequency distribution of 191 japonica germplasm resources for germinability under submerged condition; B: Comparative analysis of coleoptile length of germplasm resources released from different years under submerged condition.


Table 1
表1
表112份萌发耐淹性强的种质资源
Table 1Top 12 germplasm resources with high germinability under submerged condition

编号 Number	品种名称 Cultivar	胚芽鞘长度 Coleoptile length (mm)	编号 Number	品种名称 Cultivar	胚芽鞘长度 Coleoptile length (mm)
1	穞稻 Ludao	34.6	7	淮稻10号 Huaidao 10	31.1
2	连粳15号 Lianjing 15	34.2	8	徐稻4号 Xudao 4	30.9
3	南粳45 Nanjing 45	32.5	9	扬粳186 Yangjing 186	30.7
4	盐粳7号 Yanjing 7	32.2	10	华粳5号 Huajing 5	30.5
5	连粳9号 Lianjing 9	32.0	11	淮稻6号 Huaidao 6	30.4
6	连粳7号 Lianjing 7	31.1	12	临稻11号 Lindao 11	30.1

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2.2 不同年代种质资源萌发耐淹性比较分析

根据品种审定年份将83份种质资源按照5年一个阶段划分为6组, 分别为1990年前、1991—1995年、1996—2000年、2001—2005年、2006—2010年和2010年后, 通过萌发耐淹性鉴定, 6个时间段品种的平均胚芽鞘长分别为24.8、24.7、25.3、26.7、25.4和28.8 mm (图1-B), 经过多重比较分析发现, 前5个时间段, 品种之间的胚芽鞘长没有显著性差异, 但均与2010年以后品种的胚芽鞘长达到显著性差异, 这表明育种家们已开始加强对萌发耐淹性品种的选育。

2.3 连粳15号萌发耐淹性验证

通过对191份种质资源进行筛选鉴定, 粳稻品种连粳15号在淹水胁迫下的胚芽鞘长为34.2 mm, 表现出较强的耐低氧发芽力, 为了验证该表型, 我们重新对其进行鉴定, 连粳15号胚芽鞘长为33.1 mm, 籼稻品种黄莉占胚芽鞘长为8.6 mm, 显著低于连粳15号(图2-A, B); 同时, 梯度试验表明, 在水深10 mm时, 连粳15号与黄莉占的胚芽鞘长无显著性差异, 因为此时淹水深度较浅, 2个品种的胚芽鞘均能很快伸出水面接触到氧气, 完成正常生长, 而在其他淹水处理下, 连粳15号的胚芽鞘长均显著高于黄莉占(图2-C)。因此, 连粳15号和黄莉占可作为理想的材料进行萌发耐淹性QTL检测。

图2

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图2连粳15号和黄莉占的萌发耐淹性表现

A: 在淹水条件下, 连粳15号与黄莉占胚芽鞘长表型图; B: 在淹水条件下, 连粳15号与黄莉占的平均胚芽鞘长; C: 连粳15号与黄莉占在不同淹水深度条件下的胚芽鞘长度比较分析。
Fig. 2Germinability of Lianjing15 (LJ15) and Huanglizhan (HLZ) under submerged condition

A: Phenotypic image of coleoptile length between LJ15 and HLZ under submerged condition; B: Average coleoptile length of LJ15 and HLZ under submerged condition; C: Comparative analysis of coleoptile length between LJ15 and HLZ under different water depth.

2.4 萌发耐淹性QTL检测

利用512对分布于12条水稻染色体上的SSR (simple sequence repeat, SSR)标记进行分离群体双亲间的多态性分析, 其中在连粳15号与黄莉占之间呈现良好多态性的SSR标记共有146对, 占所有检测标记的28.5%, 随后利用这些标记构建连粳15号/黄莉占F_2:3群体的分子连锁图谱, 图谱全长为1262.4 cM, 标记之间的平均遗传距离为8.6 cM, 符合QTL检测要求。

为了检测萌发耐淹性QTL, 本研究于2018年对连粳15号、黄莉占及其F_2:3群体进行萌发耐淹性鉴定, 连粳15号和黄莉占的胚芽鞘长分别为31.9 mm和5.0 mm, 两者之间存在极显著差异(图3-A), 连粳15号/黄莉占F_2:3分离群体胚芽鞘长的变化范围为0~31.5 mm, 在20~25 mm处出现1个峰值, 呈典型的正态分布特征(KS-检验, P > 0.05), 表明该群体的萌发耐淹性由多个QTL共同控制。以平均胚芽鞘长为表型值, 利用Windows QTL Cartographer 2.5软件采用复合区间作图法进行分析, 在水稻1号、3号、9号和10号染色体上各检测到1个QTL, 分别命名为qGS1、qGS3、qGS9和qGS10, 分别坐落于标记RM11307~RM7341、RM15283~RM5626、RM24085~RM24271和RM474~ RM6404之间, LOD值分别为6.7、3.6、3.3和6.1, 贡献率分别为24.0%、14.7%、11.7%和20.5%, 共解释表型变异的70.9% (表2和图4), 加性效应分析表明, 这些增强萌发耐淹性的QTL均来自粳稻品种连粳15号。

图3

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图3连粳15号/黄莉占F_2:3群体萌发耐淹性表型分布直方图

A: 2018年; B: 2019年。
Fig. 3Frequency distribution of germinability under submerged condition (GS) in an F_2:3 population derived from the cross between Lianjing 15 (LJ15) and Huangzhan (HLZ)

GS: germinability under submerged condition. A: in 2018; B: in 2019.


Table 2
表2
表2连粳15号/黄莉占F_2:3群体中检测到的萌发耐淹性QTL
Table 2QTLs for germinability under submerged condition (GS) detected in the LJ15/HLZ F_2:3 population

年份 Year	数量性状位点 QTL	染色体 Chr.	标记区间 Marker interval	LOD值 LOD scores	贡献率 PVE (%)	加性效应 Additive effect
2018	qGS1	1	RM11307-RM7341	6.7	24.0	-0.53
	qGS3	3	RM15280-RM7134	3.6	14.7	-0.43
	qGS9	9	RM24085-RM24271	3.3	11.7	-0.32
	qGS10	10	RM474-RM6404	6.1	20.5	-0.50
2019	qGS1	1	RM11307-RM7341	5.1	19.2	-0.49
	qGS3	3	RM15280-RM7134	3.0	12.6	-0.41
	qGS10	10	RM474-RM6404	5.6	19.1	-0.50

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图4

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图4连粳15号/黄莉占F_2:3群体中检测到的萌发耐淹性QTL

染色体右边是分子标记名称, 左边是遗传距离(cM)。
Fig. 4QTLs for germinability under submerged condition (GS) detected in LJ15/HLZ F_2:3 population

Marker names are given on the right of the chromosome and map distances (cM) on the left. PVE: phenotypic variation explaned.

2.5 萌发耐淹性QTL的验证

为进一步验证以上QTL的真实性, 本研究于2019年再次对120个连粳15号/黄莉占F_2:3家系及其双亲进行表型鉴定(图3-B), 结合分子连锁图谱, 利用Windows QTL Cartographer 2.5软件对以上位点进行了重新检测, 结果表明, qGS1、qGS3和qGS10均能够被重新检测到, LOD值分别为5.1、3.0和5.6, 贡献率分别为19.2%、12.6%和19.1% (表2和图4), 以上结果证明这些QTL是稳定表达真实存在的。

3 讨论

水稻直播作为一种轻简、高效、节水、省工的栽培方式, 越来越受到种植者的欢迎^[17]。然而, 在淹水胁迫下, 特别是当种子播在较深土层时, 由于氧气浓度过低导致出苗率急剧下降, 严重制约着直播稻的发展^[18]。多项研究表明, 种子萌发耐淹性存在着品种间差异^[19,20,21], 选择低氧萌发能力强的稻种是直播稻生产中提高出苗率的一个关键问题。因此, 筛选萌发耐淹性强的种质资源, 挖掘低氧耐受基因, 并解析其低氧适应机制已迫在眉睫。本研究通过对191份粳稻种质资源进行萌发耐淹性鉴定, 发现该性状的频率分布直方图呈现偏态分布特点, 说明该性状受到育种家的人工选择, 其中胚芽鞘长为20~25 mm的种质资源占比最多, 达到47.1%, 该群体变异系数为21.8%, 表明粳稻品种的萌发耐淹性存在广泛的遗传变异, 与前人研究结果一致^[12,16,22]。经过筛选, 最终获得12份萌发耐淹性强的水稻种质(胚芽鞘长>30 mm) (表1), 这些资源可作为亲本材料用来选育萌发耐低氧的水稻品种。

通过不同年代品种间的比较分析, 我们发现2010年后审定的品种平均胚芽鞘长度为28.8 mm, 相对于前期品种, 在低氧胁迫下的萌发能力显著性提高, 这表明随着耕作栽培制度的改变, 育种家们为了适应以直播稻为主的轻简栽培的需要, 已开始加强对品种的萌发耐淹性状的选择。同时我们也比较了不同种植区域种质资源的耐淹萌发能力, 发现并没有达到显著的地域性差异, 这说明在不同区域环境条件下, 萌发耐淹性是水稻在驯化扩散过程中的一个基本特性。

前人研究已经表明, 萌发耐淹性是由多基因控制的数量性状^{[14,16,23-24]}, 本研究通过资源鉴定, 发现粳稻品种连粳15号表现出较强的低氧萌发能力, 利用其与籼稻品种黄莉占的F_2:3群体共检测到4个QTL, 再次验证了该观点。孙凯等^[14]利用全基因组关联分析, 在水稻3号、4号、5号、6号、8号、10号和11号染色体上共检测到15个与胚芽鞘长度显著关联的位点, 其中位于3号染色体上的位点在本研究检测位点qGS3两端标记区间内, 这2个QTL很可能是同一个位点, 随后其通过转录组测序发现该位点区间内基因Os03g0592500对氧气处理敏感, 该基因编码一个叶绿素a-b结合蛋白, 并推测该基因对水稻种子耐淹生长具有正调控作用。王洋等^[24]利用粳稻Nipponbare与籼稻Kasalath BIL群体也在水稻3号染色体上检测到1个耐低氧发芽能力QTL, qSAT-3-B, 与qGS3的物理位置十分接近, 是否为同一个QTL尚需进一步确认。目前前人已克隆2个耐淹基因, CIPK15和Sub1, 其中, CIPK15在种子萌发阶段通过糖信号途径产生更多能量促使胚芽鞘快速生长以应对淹水胁迫^[25], 而Sub1则通过调节乙烯和赤霉素介导的反应, 抑制水稻淹水期的营养生长, 以节约能量促进去淹没后的恢复生长来达到提高水稻耐淹性的目的^[26]。通过比对分析, 这2个基因均在水稻9号染色体上着丝粒附近, 与本研究检测到的qGS9在染色体上的距离超过1700 kb, 三者为不同的基因。王洋等^[24]也在水稻9号染色体上检测到1个QTL, qSAT-9-B, 贡献率为9.5%, 与本研究检测到的qGS9有部分重叠区域, 可能为同一个QTL, 值得注意的是, qGS9未在连续的2年试验中重复检测到, 这可能是由于qGS9本身效应较小, 且受到环境影响, 表达不稳定造成。通过比对分析, 本研究检测到的位于水稻第1和10染色体上的QTL, qGS1和qGS10, 与前人报道萌发耐淹性QTL没有重叠区域, 是2个新的萌发耐淹性QTL位点, 而且这2个QTL都能被重复检测到, 2次检测中LOD值均大于5, 分别解释表型变异的19.2~24.0%, 19.1~20.5%, 是稳定表达的QTL。因此, 利用与之紧密连锁的分子标记, 通过分子标记辅助选择的手段聚合这些萌发耐淹性QTL, 将有助于加快培育耐低氧萌发水稻新品种。

4 结论

从191份粳稻中筛选获得12份萌发耐淹性强的种质资源, 并利用连粳15号/黄莉占F_2:3群体, 共检测到4个萌发耐淹性QTL, qGS1、qGS3、qGS9和qGS10, 分别位于水稻1号、3号、9号和10号染色体上, 贡献率分别为24.0%、14.7%、11.7%和20.5%, 其中qGS1和qGS10真实可靠, 且贡献率较高, 这些QTL的定位为进一步开展相关基因的图位克隆和分子辅助育种奠定基础。

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