水稻耐盐相关性状的发育动态QTL分析

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水稻是世界上主要的粮食作物,也是我国种植面积最广的作物,然而,土地盐碱化的日益加剧严重影响了水稻的生产发展。实践证明,选育耐盐碱水稻品种是降低盐碱地对水稻产量的影响和发展盐碱地水稻种植的有效手段。利用分子标记技术对耐盐相关性状进行QTL定位分析,深入挖掘控制耐盐相关的QTL及其紧密连锁的分子标记,从分子水平上对水稻耐盐性进行调控,是改良水稻品种耐盐性的有效途径。本研究以优质高产水稻品种东农425和耐盐水稻品种长白10为亲本构建的F2:3和BC1F2:3群体为试验材料,构建两个遗传连锁图谱,以浓度为6ds/m的NaCl水溶液进行大田生育期灌溉,考察耐盐相关性状,包括株高、分蘖数、地上部鲜重和干重、Na~+含量、K~+含量和Na~+/K~+。株高和分蘖数从6月21日开始,每7天调查一次,共6次(T1~T6);从6月22日开始,每7天取一次样用于测定地上部鲜重、干重和离子含量,共5次(t1~t5)。以各性状处理和对照的相对值来衡量盐胁迫对水稻生长的影响,并进行上述性状的发育动态QTL定位,主要结果如下:1.亲本和群体的株高、分蘖数、茎鲜重、茎干重、叶鲜重和叶干重受盐胁迫的影响在各生长发育时期数值明显变小,增长缓慢。长白10的株高、分蘖数、茎鲜重、茎干重和叶鲜重在盐胁迫下的降低幅度小于东农425,受害相对较轻;而叶干重则无明显差别。2.盐胁迫后,水稻根系积累了大量的Na~+,长白10的积累量比东农425高,根Na~+/K~+也比东农425高。根系将多余的Na~+运输到茎和叶,从而造成地上部K~+含量下降。长白10的茎和叶在胁迫后仍可保持相对较高水平的K~+含量和较低水平的Na~+/K~+,其根系能将吸收的Na~+大量存储而限制其向地上部运输,从而减小对地上部的危害。3.盐胁迫下,株高、分蘖数、茎鲜重和干重、叶鲜重和干重互相呈极显著正相关,根Na~+/K~+与茎鲜重、茎干重、叶鲜重和叶干重呈极显著正相关,说明高水平的根Na~+/K~+有利于地上部鲜重和干重的积累。茎K~+含量与株高呈正相关,叶K~+含量与株高、分蘖数、茎鲜重、茎干重、叶鲜重和叶干重呈正相关,说明叶K~+含量的提高可促进株高和分蘖数的增加以及地上部鲜重和干重的积累。根Na~+含量与根K~+含量的相关关系不显著,茎Na~+含量与茎K~+含量、叶Na~+含量与叶K~+含量呈显著或极显著负相关,说明地上部Na~+吸收过多会抑制K~+的吸收。4.运用MapMaker/EXP3.0和Mapchart2.2作图软件,分别以F2群体(180个单株)和BC1F2群体(118个株系)为作图群体,构建了包含123个SSR标记,全长分别为1616.53和1728.05cM,平均图距为13.14cM和14.05cM的遗传连锁图谱。F2和BC1F2群体每条染色体的标记数均为6~17个,第3染色体标记密度最大。两个图谱的遗传距离分别为62.9~249.62cM和78.2~222cM,标记间平均距离为10.2~17.83cM和11.7~17.55cM。5.利用完备区间作图软件QTL ICImapping v2.2,以非条件和条件QTL定位方法,在F2:3和BC1F2:3群体的不同发育时期共检测到30个性状的186个非条件QTL和128个条件QTL,分布在水稻12条染色体上。贡献率超过20%的有qRPH11、qRPH3-1、qRPH8、qRTN5、qRSFW12、qLFW3-2、qRLFW10、qRNC8-3、qRNa/K4、qRRKC7、qSNC2-2、qRSNC7-1、qSKC2、qSNa/K12-1、qRSNa/K12-1、qRSNa/K3、qLNC1、qRLNa/K8-2。利用非条件QTL分析方法只能检测出具有从初始到检测时刻累积效应的QTL,而将非条件和条件QTL分析方法相结合则能检测出更多的QTL。6.多个QTL在不同时期同时被检测到,在两个时期同时出现的有43个,在3个时期同时出现的有6个。控制盐胁迫下分蘖数的qTN1-2在T2、T3、T4时期连续出现,控制相对分蘖数的qRTN8-1在T3、T4、T5时期连续出现,控制盐胁迫下茎鲜重的qSFW2在t1→t2、t2→t3、t4→t5时段出现,控制盐胁迫下根K~+含量的qRKC1在t1、t2、t4时期出现,控制根相对K~+含量的qRRKC8-1在t1、t3、t4时期出现,控制根相对Na~+/K~+的qRRNa/K1-1在t1、t2、t3时期连续出现。2个QTL在4个时期被同时检测到,控制相对株高的qRPH7在T3、T4、T5、T6时期连续出现,控制相对分蘖数的qRTN8-2在T1、T2、T3、T5时期同时出现。1个QTL(qRTN5)在T1、T2、T3、T5、T6时期被连续检测到。没有任何一个QTL在所有发育时期被同时检测到。7.共有33个QTL同时用非条件和条件的方法检测出,包括qPH1、qRPH7、qRPH11、qTN1-2、qSFW5、qSDW1、qLFW3-2、qLDW1、qLDW8、qLDW12、qRNC8-2、qRRNC8-1、qRRNC8-2、qRRKC8-1、qRRKC10-2、qRNa/K1-1、qRRNa/K1-1、qRRNa/K1-3、qRRNa/K8、qRRNa/K4、qSKC3、qRSKC10、qSNa/K12-1、qSNa/K8、qSNa/K7-2、qRSNa/K7-3、qRSNa/K8、qRLNa/K8-2、qRLNa/K11、qRLNa/K2和qRLNa/K7。这些QTL同时具有初始→t时刻的累积效应和t-1→t时刻的净效应,非条件QTL和条件QTL的相互作用揭示了数量性状基因在不同发育时期的表达机理。8.本研究检测到的不同性状的QTL在染色体不同区段有成簇分布的现象,集中了一些耐盐相关QTL位点,可能是因为“一因多效”或控制不同性状的不同基因连锁造成的。在这些QTL簇中还发现前人检测出的多个耐盐相关QTL位点,证明了这些QTL的集中区存在调控水稻耐盐性的关键基因。9.检测到8个在F2:3和BC1F2:3群体的同一时期同时出现的QTL。BC1F2:3群体检测的QTL数目较少,可能与群体量小有关,但其检测主效QTL的效率要优于F2:3群体。以上在不同时期、不同群体同时出现或与前人检测区间相同的QTL,能在水稻生长发育的不同时期、不同环境以及不同遗传背景下稳定表达,可能在水稻耐盐分子标记辅助选择中具有良好的应用价值。
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