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摘 要：水稻穗部性状与产量直接相关，筛选控制水稻穗部性状的基因对于水稻育种具有重要意义。本研究以日本晴为母本，染色体片段代换系Z1347为父本构建 F2群体，用SSR标记对穗长、二次枝梗数等穗部性状进行了QTL定位。结果表明：Z1347的穗长和二次枝梗数均显著高于日本晴，但两者的一次枝梗数无差异;SSR标记检测出5个QTL，其分布于水稻第1、6、7和 11染色体上，其中与穗长相关的qPL1、qPL6、qPL7和qPL11等4個QTL，分别与RM5389、RM2126、RM6063和RM457连锁，与二次枝梗数相关的QTL （qNSB7）与RM6063连锁。5个QTL中，qPL11和qNSB7可能为新的位点，可在后续试验中加强其遗传效应的研究，为进一步的分子辅助育种提供参考。
关键词：QTL;染色体片段代换系;穗部性状;水稻
Abstract：Rice panicle traits are directly related to yield. Screening out the genes that control rice panicle traits are important for analyzing the molecular mechanisms and breeding of their cultivars. In this study， Nipponbare and the chromosome fragment substitution line Z1347 were used as the female parent and male parent to construct the F2 population. QTL mapping of panicle traits of panicle length， number of primary branches and number of secondary branches were performed using SSR markers. The results showed that the number of panicle length and secondary branches of Z1347 were significantly higher than that of Nipponbare. However， there was no difference in the number of primary branches between two cultivars. SSR markers detected 5 QTLs which were distributed on chromosomes 1， 6， 7， and 11. Among them， 4QTLs （qPL1， qPL6， qPL7， and qPL11）related to the panicle length were linked to RM5389， RM2126， RM6063 and RM457， respectively. The QTL of qNSB7 related to the secondary branch number was linked to RM6063. Among the 5 QTLs， qPL11 and qNSB7 might be new location， which can be used to strengthen the research of their genetic effects in subsequent experiments and provide references for further molecular-assisted design breeding.
Keywords：quantitative trait locus; chromosome segment substitution lines; panicle trait; Oryza sativa.
水稻是全球最重要的粮食作物之一[1]，提高产量是水稻育种的重要目标。水稻产量经历了由高秆到矮秆，由常规稻到杂交稻的两次飞跃。但自上世纪九十年代以来，水稻产量提高缓慢。随着分子生物学技术的飞速发展，分子育种越来越受到人们重视，已成为研究作物育种的重要方法，是提高产量的重要途径。水稻穗部性状包括穗长、一次枝梗数、二次枝梗数以及穗粒数和千粒重等，决定了产量的高低。穗部性状属数量遗传性状，由多个基因控制，其相关基因的鉴定和分离是水稻分子设计育种的前提和基础。因此，发掘水稻穗部相关基因，对于相关分子机制的解析及其品种选育具有重要意义[2]。前人检测出不少水稻穗部性状QTL，主要包括穗长、一次枝梗数和二次枝梗数[3-6]，定位结果存在较大差异。定位分别使用F2[4-6]、重组自交系[7]、DH[8]和回交[9]等群体。据作者统计，穗长定位于水稻第1～12染色体上，其中第4、6染色体上最多;一次枝梗数QTL定位于第1～8、10～12染色体上等，其中第4、8染色体上最多;二次枝梗数QTL定位于第1～4、6～7、9、11～12染色体上，其中第1、6染色体上较多。我国利用水稻染色体片段代换系（CSSL）进行QTL定位的研究比较多，特别是穗部性状。朱文银等[10]定位了落粒性QTL，张晨昕等[11]定位出株高、有效穗数和穗长QTL，崔国庆等[12]鉴定出穗长、一次枝梗数和二次枝梗数QTL，邓世峰[13]鉴定出穗长QTL，冯飞翀[14]鉴定出穗长、株高和千粒重QTL等。CSSL群体内整个基因组仅在代换片段中不同，通常只有一个或几个不同，其与受体亲本间存在差异，即遗传背景上的代换片段，进行QTL定位时，QTL定位结果在消除其背景干扰的前提下更精确。本研究以日本晴为母本，Z1347为父本构建含有310个单株的F2群体，用SSR标记对部分穗部性状进行QTL定位，为挖掘水稻穗部相关基因，开展理想株型的分子育种提供参考。 1 材料与方法
1.1 材料
QTL定位F2群体是以日本晴为母本、染色体片段代换系Z1347为父本构建。Z1347是利用日本晴为受体亲本、西恢18号为供体亲本，增加经分子标记双重选择获得。
1.2 试验方法
1.2.1 材料种植
2016年在重庆，以日本晴为母本，Z1347为父本杂交，收获F1并于秋季在海南种植，在收获F2种子后，2017年3月在重庆播種亲本及F2群体。4月移栽，行株距分别为26.7cm和16.7cm，单本定植，采用常规大田管理。成熟后，随机收获亲本各10株以及310个F2单株，风干后考察穗长、一次枝梗数、二次枝梗数等田间农艺性状。测定穗长、一次枝梗数、二次枝梗数时用每株全部有效穗的平均值，其中日本晴和Z1347农艺性状数据使用Excel和SPSS软件进行亲本性状方差和F2群体性状分布分析。
1.2.2 QTL定位
运用CTAB法提取亲本以及310个F2单株的DNA，然后进行PCR扩增和非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳和银染染色[15]。与日本晴带型一致的带型标记为“-1”，与Z1347带型一致的标记为“1”，具有双亲的带型标记为“0”，缺失带型标记为“.”。将310个F2单株的各性状平均值及标记值一起用于QTL定位。在SAS统计软件上，利用HPMIXED程序的限制性最大似然（REML）法（略加修改）定位QTL，以P<0.05为阈值，决定一个QTL是否与代换片段上的某标记连锁[12]。
2 结果与分析
2.1 亲本穗部性状表型差异
群体亲本Z1347的穗长和二次枝梗数显著高于日本晴，但二者一次枝梗数无差异。
2.2 F2群体穗部性状分布
穗长、一次枝梗数和二次枝梗数3个穗部性状在F2群体中均呈正态分布，表明它们都是数量性状，见图1。本研究选择的亲本日本晴与Z1347在穗长和二次枝梗数上有显著差异。此外，Z1347与受体日本晴存在16个代换片段的差异，其他部分与受体日本晴一致，因此，以受体日本晴为母本与染色体片段代换系Z1347为父本杂交所构建的F2群体可减少个体间的遗传背景干扰，能够满足QTL作图群体在数量性状方面的要求。
2.3 QTL定位分析
选用代换片段中的SSR标记，对穗部性状进行QTL定位。QTL的命名方法为在q后面加上性状英文字母缩写，再加上QTL所定位的染色体，若用以染色体上存在2个以上的位点，按顺序表以1、2等。
QTL结果如图2、表2所示，有5个QTL影响穗部性状。其中有4个影响穗长的QTL，分别是qPL1、qPL6、qPL7和qPL11，它们分别位于第1、6、7和11染色体，均为主效QTL，分别与RM5389、RM2126、RM6063和RM457连锁，估计效应分别是-0.49、-0.50、1.37和0.58，贡献率分别为4.70%、5.03%、37.32%和6.76%，从估计效应和贡献率看，qPL7是一个主效QTL。
有一个影响二次枝梗数的QTL，即qNSB7，位于第7染色体，为主效QTL，连锁标记为RM6063，估计效应为5.23，贡献率为19.88%。
3 结论与讨论
穗部性状是十分复杂且重要的数量性状[16]。代换系Z1347与日本晴在穗长和二次枝梗数上具有显著差异，而在一次枝梗数上无显著差异，3个穗部性状在F2群体中均呈正态分布，这与大多数研究结果一致[17-18]。
在该研究中，共定位出5个穗长和二次枝梗数QTL。与以往的研究结果相比，发现qPL1、qPL6与刘颖[19]检测出的qPL1-2、qPL6-1的定位区间接近，且qPL1（-0.49）与qPL1-2（-0.66）的贡献率也接近，基因相同;qPL7与李静[20]定位到的qPL7.1区间相近。本研究中的穗长qPL7与二次枝梗数qNSB7均位于第7染色体上，均与RM6063连锁。两个QTL的贡献率都比较大，存在QTL的多效性。穗长和二次枝梗数QTL的贡献率比较大这一结果，与刘欣等人[21]的研究结论一致。
本研究共定位到5个穗部性状QTLs，并且qPL11和qNSB7的基因位置均未见报道，可能为新的位点，可在后续试验中加强其遗传效应的研究，为分子辅助育种提供参考。
参 考 文 献：
[1] ASHIKARI M， SAKAKIBARA H， LIN S， et al. Cytokinin oxidase regulates rice grain production[J].Science，2005，309（5735）：741-745.
[2] 韩保林，顾朝剑，张洪凯，等.水稻穗部性状的QTL定位及上位性分析[J].分子植物育种，2017，15（6）：2218-2227.
[3] 沈希宏，曹立勇，陈深广，等.超级杂交稻协优9308重组自交系群体的穗部性状QTL分析[J].中国水稻科学，2009（4）：354-362.
[4] 吴亚辉，陶星星，肖武名，等.水稻穗部性状的QTL分析[J].作物学报，2014，40（2）：214-221.
[5] 汪欲鹏，段里成，龙启樟，等.大穗型水稻穗部性状的QTL定位[J].南方农业学报，2016，47（9）：1445-1449.
[6] DUAN M， SUN Z， SHU L，et al. Genetic analysis of an elite super-hybrid rice parent using high-density SNP markers[J].Rice，2013，6（1）：1-15.
[7] CUI K， PENG S， XING Y，et al. Genetic analysis of the panicle traits related to yield sink size of rice[J].Acta genetica sinica，2002，29（2）：144-152. [8] TENG S， QIAN Q， ZENG D，et al.QTL analysis of rice peduncle vascular bundle system and panicle traits[J].Acta botanica sinica，2001，44（3）：301-306.
[9] 程桂平，冯九焕，梁国华，等.栽培稻与普通野生稻BC2F2群体产量相关性状的QTL分析[J].中国水稻科学，2006（5）：553-556.
[10] 朱文银，杨德卫，林静，等.利用染色体片段置换系定位水稻落粒性主效QTL[J].植物学通报，2008，25（4）：443-448.
[11] 张晨昕，邱先进，董华林，等.野生稻染色体片段代换系构建及其效应分析[J].分子植物育种，2010，8（6）：1113-1119.
[12] 崔国庆，何光华，赵芳明，等.水稻高秆染色体片段代换系Z1377的鉴定及重要农艺性状QTL定位[J].作物学报，2018，44（10）：1477-1484.
[13] 鄧世峰.以华占为背景的水稻染色体片段代换系的构建及重要农艺性状的QTL分析[D].扬州：扬州大学，2017.
[14] 冯飞翀.基于染色体片段代换系进行水稻重要性状QTL定位分析[D].合肥：安徽农业大学，2016.
[15] 赵久云.水稻窄叶突变体的基因定位[D].贵阳：贵州大学，2017.
[16] 陈明亮，熊焕金，胡兰香，等.水稻产量相关数量性状基因研究进展[J].江西农业学报，2014，24（12）：16-20.
[17] 王智权，刘喜，江玲，等.控制水稻穗形相关性状的QTL定位[J].江苏农业学报，2011，27（1）：5-12.
[18] 周丽慧，张亚东，朱镇，等.利用染色体片段置换系群体检测水稻产量相关性状QTL[J].江苏农业学报，2015，31（1）：1-9.
[19] 刘颖，叶生鑫，彭强，等.水稻穗长和有效穗数的QTL定位分析[J].江苏农业科学，2016，44（4）：86-89.
[20] 李静.基于CSSL的水稻抽穗期和穗长QTL定位及遗传分析[D].北京：中国农业科学院，2016.
[21] 刘欣，王君，曾伟，等.水稻4种农艺性状QTL的初步定位分析[J].基因组学与应用生物学，2014，33（3）：604-609.
关键词：QTL;染色体片段代换系;穗部性状;水稻
Abstract：Rice panicle traits are directly related to yield. Screening out the genes that control rice panicle traits are important for analyzing the molecular mechanisms and breeding of their cultivars. In this study， Nipponbare and the chromosome fragment substitution line Z1347 were used as the female parent and male parent to construct the F2 population. QTL mapping of panicle traits of panicle length， number of primary branches and number of secondary branches were performed using SSR markers. The results showed that the number of panicle length and secondary branches of Z1347 were significantly higher than that of Nipponbare. However， there was no difference in the number of primary branches between two cultivars. SSR markers detected 5 QTLs which were distributed on chromosomes 1， 6， 7， and 11. Among them， 4QTLs （qPL1， qPL6， qPL7， and qPL11）related to the panicle length were linked to RM5389， RM2126， RM6063 and RM457， respectively. The QTL of qNSB7 related to the secondary branch number was linked to RM6063. Among the 5 QTLs， qPL11 and qNSB7 might be new location， which can be used to strengthen the research of their genetic effects in subsequent experiments and provide references for further molecular-assisted design breeding.
Keywords：quantitative trait locus; chromosome segment substitution lines; panicle trait; Oryza sativa.
水稻是全球最重要的粮食作物之一[1]，提高产量是水稻育种的重要目标。水稻产量经历了由高秆到矮秆，由常规稻到杂交稻的两次飞跃。但自上世纪九十年代以来，水稻产量提高缓慢。随着分子生物学技术的飞速发展，分子育种越来越受到人们重视，已成为研究作物育种的重要方法，是提高产量的重要途径。水稻穗部性状包括穗长、一次枝梗数、二次枝梗数以及穗粒数和千粒重等，决定了产量的高低。穗部性状属数量遗传性状，由多个基因控制，其相关基因的鉴定和分离是水稻分子设计育种的前提和基础。因此，发掘水稻穗部相关基因，对于相关分子机制的解析及其品种选育具有重要意义[2]。前人检测出不少水稻穗部性状QTL，主要包括穗长、一次枝梗数和二次枝梗数[3-6]，定位结果存在较大差异。定位分别使用F2[4-6]、重组自交系[7]、DH[8]和回交[9]等群体。据作者统计，穗长定位于水稻第1～12染色体上，其中第4、6染色体上最多;一次枝梗数QTL定位于第1～8、10～12染色体上等，其中第4、8染色体上最多;二次枝梗数QTL定位于第1～4、6～7、9、11～12染色体上，其中第1、6染色体上较多。我国利用水稻染色体片段代换系（CSSL）进行QTL定位的研究比较多，特别是穗部性状。朱文银等[10]定位了落粒性QTL，张晨昕等[11]定位出株高、有效穗数和穗长QTL，崔国庆等[12]鉴定出穗长、一次枝梗数和二次枝梗数QTL，邓世峰[13]鉴定出穗长QTL，冯飞翀[14]鉴定出穗长、株高和千粒重QTL等。CSSL群体内整个基因组仅在代换片段中不同，通常只有一个或几个不同，其与受体亲本间存在差异，即遗传背景上的代换片段，进行QTL定位时，QTL定位结果在消除其背景干扰的前提下更精确。本研究以日本晴为母本，Z1347为父本构建含有310个单株的F2群体，用SSR标记对部分穗部性状进行QTL定位，为挖掘水稻穗部相关基因，开展理想株型的分子育种提供参考。 1 材料与方法
1.1 材料
QTL定位F2群体是以日本晴为母本、染色体片段代换系Z1347为父本构建。Z1347是利用日本晴为受体亲本、西恢18号为供体亲本，增加经分子标记双重选择获得。
1.2 试验方法
1.2.1 材料种植
2016年在重庆，以日本晴为母本，Z1347为父本杂交，收获F1并于秋季在海南种植，在收获F2种子后，2017年3月在重庆播種亲本及F2群体。4月移栽，行株距分别为26.7cm和16.7cm，单本定植，采用常规大田管理。成熟后，随机收获亲本各10株以及310个F2单株，风干后考察穗长、一次枝梗数、二次枝梗数等田间农艺性状。测定穗长、一次枝梗数、二次枝梗数时用每株全部有效穗的平均值，其中日本晴和Z1347农艺性状数据使用Excel和SPSS软件进行亲本性状方差和F2群体性状分布分析。
1.2.2 QTL定位
运用CTAB法提取亲本以及310个F2单株的DNA，然后进行PCR扩增和非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳和银染染色[15]。与日本晴带型一致的带型标记为“-1”，与Z1347带型一致的标记为“1”，具有双亲的带型标记为“0”，缺失带型标记为“.”。将310个F2单株的各性状平均值及标记值一起用于QTL定位。在SAS统计软件上，利用HPMIXED程序的限制性最大似然（REML）法（略加修改）定位QTL，以P<0.05为阈值，决定一个QTL是否与代换片段上的某标记连锁[12]。
2 结果与分析
2.1 亲本穗部性状表型差异
群体亲本Z1347的穗长和二次枝梗数显著高于日本晴，但二者一次枝梗数无差异。
2.2 F2群体穗部性状分布
穗长、一次枝梗数和二次枝梗数3个穗部性状在F2群体中均呈正态分布，表明它们都是数量性状，见图1。本研究选择的亲本日本晴与Z1347在穗长和二次枝梗数上有显著差异。此外，Z1347与受体日本晴存在16个代换片段的差异，其他部分与受体日本晴一致，因此，以受体日本晴为母本与染色体片段代换系Z1347为父本杂交所构建的F2群体可减少个体间的遗传背景干扰，能够满足QTL作图群体在数量性状方面的要求。
2.3 QTL定位分析
选用代换片段中的SSR标记，对穗部性状进行QTL定位。QTL的命名方法为在q后面加上性状英文字母缩写，再加上QTL所定位的染色体，若用以染色体上存在2个以上的位点，按顺序表以1、2等。
QTL结果如图2、表2所示，有5个QTL影响穗部性状。其中有4个影响穗长的QTL，分别是qPL1、qPL6、qPL7和qPL11，它们分别位于第1、6、7和11染色体，均为主效QTL，分别与RM5389、RM2126、RM6063和RM457连锁，估计效应分别是-0.49、-0.50、1.37和0.58，贡献率分别为4.70%、5.03%、37.32%和6.76%，从估计效应和贡献率看，qPL7是一个主效QTL。
有一个影响二次枝梗数的QTL，即qNSB7，位于第7染色体，为主效QTL，连锁标记为RM6063，估计效应为5.23，贡献率为19.88%。
3 结论与讨论
穗部性状是十分复杂且重要的数量性状[16]。代换系Z1347与日本晴在穗长和二次枝梗数上具有显著差异，而在一次枝梗数上无显著差异，3个穗部性状在F2群体中均呈正态分布，这与大多数研究结果一致[17-18]。
在该研究中，共定位出5个穗长和二次枝梗数QTL。与以往的研究结果相比，发现qPL1、qPL6与刘颖[19]检测出的qPL1-2、qPL6-1的定位区间接近，且qPL1（-0.49）与qPL1-2（-0.66）的贡献率也接近，基因相同;qPL7与李静[20]定位到的qPL7.1区间相近。本研究中的穗长qPL7与二次枝梗数qNSB7均位于第7染色体上，均与RM6063连锁。两个QTL的贡献率都比较大，存在QTL的多效性。穗长和二次枝梗数QTL的贡献率比较大这一结果，与刘欣等人[21]的研究结论一致。
本研究共定位到5个穗部性状QTLs，并且qPL11和qNSB7的基因位置均未见报道，可能为新的位点，可在后续试验中加强其遗传效应的研究，为分子辅助育种提供参考。
参 考 文 献：
[1] ASHIKARI M， SAKAKIBARA H， LIN S， et al. Cytokinin oxidase regulates rice grain production[J].Science，2005，309（5735）：741-745.
[2] 韩保林，顾朝剑，张洪凯，等.水稻穗部性状的QTL定位及上位性分析[J].分子植物育种，2017，15（6）：2218-2227.
[3] 沈希宏，曹立勇，陈深广，等.超级杂交稻协优9308重组自交系群体的穗部性状QTL分析[J].中国水稻科学，2009（4）：354-362.
[4] 吴亚辉，陶星星，肖武名，等.水稻穗部性状的QTL分析[J].作物学报，2014，40（2）：214-221.
[5] 汪欲鹏，段里成，龙启樟，等.大穗型水稻穗部性状的QTL定位[J].南方农业学报，2016，47（9）：1445-1449.
[6] DUAN M， SUN Z， SHU L，et al. Genetic analysis of an elite super-hybrid rice parent using high-density SNP markers[J].Rice，2013，6（1）：1-15.
[7] CUI K， PENG S， XING Y，et al. Genetic analysis of the panicle traits related to yield sink size of rice[J].Acta genetica sinica，2002，29（2）：144-152. [8] TENG S， QIAN Q， ZENG D，et al.QTL analysis of rice peduncle vascular bundle system and panicle traits[J].Acta botanica sinica，2001，44（3）：301-306.
[9] 程桂平，冯九焕，梁国华，等.栽培稻与普通野生稻BC2F2群体产量相关性状的QTL分析[J].中国水稻科学，2006（5）：553-556.
[10] 朱文银，杨德卫，林静，等.利用染色体片段置换系定位水稻落粒性主效QTL[J].植物学通报，2008，25（4）：443-448.
[11] 张晨昕，邱先进，董华林，等.野生稻染色体片段代换系构建及其效应分析[J].分子植物育种，2010，8（6）：1113-1119.
[12] 崔国庆，何光华，赵芳明，等.水稻高秆染色体片段代换系Z1377的鉴定及重要农艺性状QTL定位[J].作物学报，2018，44（10）：1477-1484.
[13] 鄧世峰.以华占为背景的水稻染色体片段代换系的构建及重要农艺性状的QTL分析[D].扬州：扬州大学，2017.
[14] 冯飞翀.基于染色体片段代换系进行水稻重要性状QTL定位分析[D].合肥：安徽农业大学，2016.
[15] 赵久云.水稻窄叶突变体的基因定位[D].贵阳：贵州大学，2017.
[16] 陈明亮，熊焕金，胡兰香，等.水稻产量相关数量性状基因研究进展[J].江西农业学报，2014，24（12）：16-20.
[17] 王智权，刘喜，江玲，等.控制水稻穗形相关性状的QTL定位[J].江苏农业学报，2011，27（1）：5-12.
[18] 周丽慧，张亚东，朱镇，等.利用染色体片段置换系群体检测水稻产量相关性状QTL[J].江苏农业学报，2015，31（1）：1-9.
[19] 刘颖，叶生鑫，彭强，等.水稻穗长和有效穗数的QTL定位分析[J].江苏农业科学，2016，44（4）：86-89.
[20] 李静.基于CSSL的水稻抽穗期和穗长QTL定位及遗传分析[D].北京：中国农业科学院，2016.
[21] 刘欣，王君，曾伟，等.水稻4种农艺性状QTL的初步定位分析[J].基因组学与应用生物学，2014，33（3）：604-609.