1、分子植物育种，2023 年，第 21 卷，第 3 期，第 858-865 页Molecular Plant Breeding,2023,Vol.21,No.3,858-865研究报告Research Report全基因组关联分析定位水稻芽期中胚轴长度性状 QTL瞿媛姚威刘雄伦刘金灵*湖南农业大学农学院,国家南方粮油作物协同创新中心,作物基因工程湖南省重点实验室,长沙,410128*通信作者,摘要直播稻出苗难的问题是制约直播稻发展的重要因素之一，中胚轴的长度与直播稻大田出苗率和出苗质量密切相关。利用控制中胚轴伸长的基因培育长中胚轴品种是提高水稻直播稻出苗率和出苗质量的重要策略。为了挖掘长中胚轴水
2、稻品种资源和鉴定控制中胚轴长度的基因，本研究以来源广泛的 203 份水稻核心种质为研究材料，评价了不同类型品种芽期中胚轴长度表型变异，利用全基因组关联分析(genome wideassociation analysis,GWAS)定位了控制中胚轴长度的 QTL，并预测相关候选基因。结果表明，不同亚群材料中胚轴长度表型变异丰富，6 个亚群平均长度为 AUS 稻(AUS)温带粳稻(TEJ)中间型(ADMIX)籼稻(IND)热带粳稻(TRJ)香稻(AROMATIC)。GWAS 分析定位了 21 个中胚轴长度相关 QTL，共 48 个显著关联的SNP(Pintermediate(ADMIX)indic
3、a(IND)tropical japonica(TRJ)AROMATIC.21 QTLs with 48 significantlyassociated SNPs(P中间型(AD-MIX)籼稻(IND)热带粳稻(TRJ)。不同亚群品种间的长度变异系数均较大，变异最大的籼稻，变异系数达98.46%，其他依次为香稻(92.95%)热带粳稻(90.68%)AUS 稻(85.65%)温带粳稻(81.12%)中间型(78.40%)。1.2中胚轴长度性状全基因组关联分析为了定位控制水稻中胚轴长度调控基因，利用本研究中 199 份有详细品种来源信息的水稻品种的中胚轴长度表型，结合种质材料 44 K 的 SN
4、P 标记基因型数据，进行全基因组关联分析，定位中胚轴长度性状调控基因(图 2)。结果表明，共检测到 48 个与水稻中胚轴长度显著关联的 SNP 位点，分布在第 1、2、3、4、5、6 和 10 染色体上，表型贡献率在 5.77%9.03%之间(图 2;表 2)。其中，第 5 染色体上检测到关联 SNP 最多，为 19 个，其他染色体检测到的显著关联 SNP 数目分别为第 1 染色体 2 个，第 2 染色体6 个，第 3 染色体 11 个，第 4、10 染色体各 1 个，以及第 6 染色体 8 个。据本研究水稻群体材料 LD 衰减区间，我们以200kb物理区间定义为一个 QTL，GWAS检测的
5、48 个显著关联的 SNP 可以分为 21 个 QTL 位点(表 2)。其中，第 5 染色体 6 个，为最多，其他第 1、2、3、4、6 和10 染色体对应的 QTL数目分别为 2、3、3、1、5 和 1 个。1.3候选基因分析以水稻 日本晴 基因组信息为参考，对定位的21 个 QTL 位点内基因进行注释，共获得 812 个编码基因。根据基因功能注释，预测获得 5 个 QTL 位点间6 个可能与中胚轴长度调控相关的候选基因(表 3)。这6 个候选基因分别编码伸长因子(LOC_Os01g02720)、亚群Subpopulations中间型ADMIX香稻AROMATICAUS 稻AUS籼稻IND温
6、带粳稻TEJ热带粳稻TRJ合计Total最小长度(cm)Min length(cm)0.0300.0100.0200.0100.0800.0200.010最大长度(cm)Max length(cm)0.9000.2701.0900.9601.0801.0001.090平均长度(cm)Average length(cm)0.2500.1960.1400.1300.2800.2400.2300.2260.2800.2270.1900.1720.2400.213变异系数(%)Coefficient of variation(%)78.4092.9585.6598.4681.1290.6888.83表
7、 1 水稻种质材料中胚轴长度表型统计Table 1 Phenotype statistic of mesocotyl length for rice germplasm materials860图 1 水稻种质材料中胚轴长度群体分布注:A:203 份种质中胚轴长度分布;B:不同亚群材料水稻种质中胚轴长度分布Figure 1 Population distribution ofmesocotyl length for rice germ-plasm materialsNote:A:Mesocotyl length distribution of 203 rice accessions;B:Mes
8、ocotyl length distribution of rice germplasm with differentsubgroups生长素诱导蛋白(LOC_Os01g02870)、伸展蛋白家族蛋白前体(LOC_Os02g01190)、甘露糖-1-磷酸鸟苷酰转移酶(LOC_Os03g16150)、磷酸甘露糖变位酶(LOC_Os04g58580)和富含脯氨酸的细胞壁蛋白(LOC_Os06g06530)等与细胞壁松弛和细胞伸长相关的蛋白。2讨论中胚轴伸长长度是影响直播稻种子萌发后出苗率和出苗质量的重要性状(Alibu et al.,2012)。发掘具有较长中胚轴、顶土能力强、出苗率高的水稻种质资
9、源，克隆相关中胚轴伸长调控基因以培育中胚轴伸长特性好的品种，是有效地解决直播稻出苗难和出苗质量不高问题的重要基础和前提(李莉等,2012)。已有研究表明，不同类型的水稻品种中胚轴长度差异较大，如籼稻的中胚轴长度多长于粳稻(Lee et al.,2012)，而杂草稻的中胚轴长度要长于籼稻和粳稻(王莹等,2008,中国稻米,(3):47-50)。但目前多数研究仅集中评价少量本地区的籼粳稻栽培稻品种，缺少对世界范围内的不同国家和地区的种质资源进行评价。本研究评价了来自世界 82 个国家和地区的 203 份水稻核心种质的中胚轴长度，发现不同类型的水稻品种中胚轴长度变异十分丰富(表 1;图 1A)。其中
10、来自高纬度地区的 AUS 稻和温带粳稻中胚轴平均长度要长于中间型、籼稻和热带粳稻(表 1;图 1B)。这可能与 AUS 稻和温带粳稻在高纬度较干旱地区多用直播生产，导致选育品种中胚轴较长有关。因此，AUS稻和温带粳稻可以作为培育长中胚轴直播稻新品种的重要亲本资源。GWAS 分析是近年发展的以连锁不平衡为基础的，利用分布于全基因组高密度的 SNP 标记，通过统计学方法鉴定特定群体内目标性状遗传变异基因的重要方法(张焕欣等,2014)。与传统的利用 RIL、BIL、图 2 水稻中胚轴长度性状全基因组关联分析注:A:全基因组关联分析曼哈顿图;B:全基因组关联分析Q-Q 图Figure 2 Genom
11、e-wide association analysis of mesocotyl lengthtraits in riceNote:A:Manhattan plots of GWAS;B:Q-Q plots for GWAS全基因组关联分析定位水稻芽期中胚轴长度性状 QTLGenome-wide Association Dissection for QTLs Controlling Mesocotyl Length Trait in Rice Bud Stage861分子植物育种Molecular Plant Breeding表 2 全基因组关联分析定位的中胚轴长度 QTLTable 2 GW
12、AS mapped QTLs for rice mesocotyl length trait染色体Chromosome1122222233333333333455555555555555555556666666610位点QTLqMEL1-1qMEL1-2qMEL2-1qMEL2-2qMEL2-3qMEL3-1qMEL3-2qMEL3-3qMEL4-1qMEL5-1qMEL5-2qMEL5-3qMEL5-4qMEL5-5qMEL5-6qMEL6-1qMEL6-2qMEL6-3qMEL6-4qMEL6-5qMEL10-1关联 SNPAssociate SNPid1000841id1012326id
13、2000067id2000068id2000069id2000080id2003046id2009557id3004670id3005659id3005662id3005663id3005671id3005721id3005724id3005739id3005752id3005767id3015763id4012359id5002305id5005213id5005783id5005867id5005869id5005876id5005883id5005920id5005937id5005950id5005959wd5002088id5005973id5005976wd5002107id501
14、0626id5010627id5010663id5010676id6000375id6002372id6002385id6002539id6003498wd6002487id6012538id6012582id10006993物理位置Physical position922 41821 793 159159 404161 303161 598183 7515 745 71023 597 8658 844 93710 842 94710 845 03810 846 03610 849 03510 922 51210 924 23710 960 55810 983 54110 993 63232
15、700 92234 944 5064 309 15512 299 04514 075 19914 240 24814 240 90614 298 81414 355 47914 408 60314 440 90714 446 50014 450 79614 483 16014 538 95314 539 32714 547 12523 561 02823 561 71523 599 53623 626 856631 2653 037 5063 040 2903 160 4315 186 01318 208 31124 090 72024 125 93822 069 724P 值P value3
16、.9210-49.8910-49.7110-48.8210-48.9710-42.9710-47.9810-56.2010-47.8310-41.7310-42.0710-47.1610-49.5810-51.5710-41.3010-48.6010-43.6310-41.8310-47.0110-47.0910-42.1310-48.7010-48.0210-42.6410-44.9010-51.8010-41.9010-42.0610-41.9010-47.6210-41.8710-44.9210-41.8510-47.2410-41.9010-43.2510-43.2510-43.2110-46.1510-46.1610-42.2110-43.2210-42.5210-43.7310-41.9310-43.4410-43.3510-45.4110-4表型贡献率(%)R2(%)6.717.745.775.846.636.968.286.506.427.487.336.038.047.587.815.876.747.496.056.047.266.455.977.159.037.49