南京12koshhikariril群體淀粉rva譜特征值的加性和表達穩(wěn)定性分析

南京12koshhikariril群體淀粉rva譜特征值的加性和表達穩(wěn)定性分析

水稻的直接淀粉含量一直是決定大米口感質(zhì)量的最重要因素，但隨著研究的深入，稻田污泥的粘度譜也可以反映大米的口感。稻米淀粉黏滯性譜(RVA譜)是指米粉漿在加熱、高溫和冷卻過程中黏度隨溫度變化而形成的曲線,對應(yīng)的特征值有:峰值黏度(peakpasteviscosity,PKV)、最低黏度(troughpasteviscosity,TPV)、最終黏度(finalpasteviscosity,FPV)、崩解值(breakdownviscosity,BDV)、消減值(setbackviscosity,SBV)、峰值時間(peaktime,PKT)和糊化溫度(pastingtemperature,PT)。RVA譜特征值是水稻品質(zhì)育種的另一重要理化指標。目前,國內(nèi)外有關(guān)稻米淀粉RVA譜特征值QTL定位的研究僅有少數(shù)報道。Bao等利用4個初級分離群體,檢測到61個QTL與RVA譜特征值相關(guān),分布在水稻9條染色體上,但這4個研究都是單一環(huán)境試驗,無法分析QTL表達穩(wěn)定性,也沒有分析RVA譜特征值上位性QTL。Gravois、Gravois等和Wan等認為稻米淀粉RVA譜表現(xiàn)為典型的質(zhì)量-數(shù)量性狀,其遺傳變異主要受遺傳主效應(yīng)控制,同時還受到基因型與環(huán)境互作效應(yīng)的影響等。這在一定程度上限制了RVA譜在優(yōu)質(zhì)水稻品種選育上的應(yīng)用。Koshihikari(越光)是日本福井縣農(nóng)業(yè)試驗場于20世紀50年代育成的早熟優(yōu)質(zhì)粳稻品種,是世界著名的佳味品種。南京11系中國農(nóng)業(yè)科學院江蘇分院1967年育成的高產(chǎn)中秈稻品種,直鏈淀粉含量高,適口性不佳。本研究利用南京11×Koshihikari重組自交系群體(recombinantinbredlines,RILs),于2006年和2007年在南京共同檢測稻米淀粉PKV、TPV、FPV、BDV、SBV、PKT和PT相關(guān)加性和上位性效應(yīng)QTL,分析QTL表達穩(wěn)定性,期望以Koshihikari為優(yōu)質(zhì)源,改良高產(chǎn)但品質(zhì)欠佳的水稻品種,為優(yōu)質(zhì)水稻蒸煮食味品質(zhì)分子標記輔助育種奠定基礎(chǔ)。1材料和方法1.1試驗材料試驗材料是以南京11為母本,Koshihikari為父本進行雜交,通過單粒傳法獲得的包含140個家系的重組自交系群體(F2:10)。1.2聚丙烯酰胺凝膠電泳在分蘗盛期取葉片,DNA提取參照Dellaporta等的方法稍加修改。根據(jù)Temnykh等和McCouch等的方法。PCR產(chǎn)物用10%聚丙烯酰胺凝膠電泳,銀染顯帶參考Panaud等的方法。按照MAPMAKER3.0軟件的要求,將與南京11相同的帶型賦值為“A”,與Koshihikari相同的帶型賦值為“B”,雜合型的、特殊的或缺失的帶型賦值為“-”。用“group”命令對所有標記進行分組(LOD>3),采用Kosambi函數(shù)將重組率轉(zhuǎn)換成遺傳距離(centiMorgan,cM),用“map”命令構(gòu)建包括12條染色體的SSR標記連鎖圖譜。1.3小區(qū)及其家系設(shè)置試驗材料于2006年、2007年正季在江蘇省農(nóng)業(yè)科學院實驗農(nóng)場(南京,32°N)種植。南京11、Koshihikari及其群體設(shè)置3個重復,分別種植3個小區(qū),各小區(qū)每個家系順序排列,各種2行,每行10株,田間管理同大田生產(chǎn)。至完全成熟時,為去除邊際效應(yīng),每小區(qū)各家系取中間16株混收,正常晾曬至含水量為14.0%,常溫貯藏3個月后,出糙米、精米,磨米粉備用。1.4加標回收和轉(zhuǎn)速稻米淀粉RVA譜采用澳大利亞NEWPORT公司生產(chǎn)的黏度速測儀測定,用NewportWindowsSoftware配套軟件進行數(shù)據(jù)分析。根據(jù)澳大利亞NEWPORT公司提供的操作規(guī)程,米粉樣品(80目)量為3.00g,加入蒸餾水量為25.0mL。具體加熱過程如下:50℃時開始,以15℃/min的速率上升到93℃(5min),93℃下保持2.5min,再以15℃/min的速率下降到50℃(3.5min),50℃下保持1.5min。攪拌器以160r/min的速率轉(zhuǎn)動。每個樣品重復測定2次,取重復的平均值為性狀表型值(單位用cP表示,1RVU=12cP)。每家系重復3次,取3次重復的性狀表型值的平均值為該家系的表型值進行QTL分析。1.5環(huán)境互作效應(yīng)分析利用QTLnetwork軟件檢測稻米淀粉RVA譜特征值PKV、TPV、FPV、BDV、SBV、PKT和PT的QTL加性和上位性效應(yīng),并分析QTL×環(huán)境互作效應(yīng)。以P≤0.001作為閾值來判斷QTL是否存在,QTL加性效應(yīng)和上位性互作效應(yīng)分析以P≤0.001顯著水平進行檢測。QTL命名遵循McCouch等的原則。2結(jié)果與分析2.1飽和分子連鎖圖譜利用包含140個家系的南京11/Koshihikari重組自交系(F2:10)群體構(gòu)建了一張包含153個SSR標記,全長為1896.2cM,平均圖距為12.3cM的飽和分子連鎖圖譜,每條染色體標記數(shù)為9~16個,遺傳距離為98.8~234.9cM,標記間平均距離為9.42~15.66cM(表1)。其中第6染色體的標記數(shù)最多,第1染色體覆蓋距離最長,第9染色體的標記密度最大,標記間的距離及順序與已發(fā)表的分子圖譜有較好的一致性,可滿足QTL定位的要求。2.2理論黏度、崩解值和活力南京11×KoshihikariRIL群體和兩親本稻米淀粉RVA譜7個特征值在2006年和2007年的南京兩個環(huán)境中的表型變異見表2、圖1和圖2。南京11的稻米淀粉峰值黏度和崩解值顯著低于Koshihikari,但其最低黏度、最終黏度、消減值、峰值時間和糊化溫度卻明顯高于Koshihikari;7個RVA譜性狀的表型值在2006年和2007年除最終黏度和消減值呈雙峰分布之外,其他性狀呈現(xiàn)連續(xù)分布,并存在雙向超親分離現(xiàn)象,最終黏度的雙峰比例分別為17∶11和37∶24,消減值的雙峰比例兩年均約為9∶7,說明消減值可能主要受2對具有互補作用的基因控制,其他性狀受多基因共同控制。2.3qbdv-6、ssv-5和有效qpt-5的比較利用南京11×KoshihikariRIL群體在兩個環(huán)境中共檢測到8個加性效應(yīng)QTL與RVA譜6項特征值有關(guān),分別位于水稻第5、6和8染色體上,貢獻率為3.48%~73.65%(表3和圖3)。在兩個環(huán)境中都能被重復檢測到的QTL有6個,即qTPV-6、qFPV-6、qBDV-6、qSBV-6、qPKT-6和qPT-6,分別與稻米淀粉最低黏度、最終黏度、崩解值、消減值、峰值時間和糊化溫度有關(guān),平均貢獻率分別為46.4%、31.1%、60.3%、71.9%、38.5%和12.4%。其中,qBDV-6在兩個環(huán)境中穩(wěn)定表達,貢獻率分別為32.62%和29.64%,而qSBV-8和qPT-5僅在1個環(huán)境中檢測到,貢獻率分別為3.48%和13.40%,這3個QTL的加性效應(yīng)來源于表2南京11、Koshihikari及其RIL群體的淀粉RVA譜特征值在兩個環(huán)境中的表型變異Table2.PhenotypicvariationofstarchRVAcharacteristicsamongNanjing11,KoshihikariandtheirRILpopulationintwoenvironments.PKV,Peakpasteviscosity;TVP,Troughpasteviscosity;FPV,Finalpasteviscosity;BDV,Breakdownviscosity;SBV,Setbackviscosity;PKT,Peaktime;PT,Pastingtemperature.1)加性效應(yīng)的正值和負值,分別表示增效等位基因來自南京11和Koshihikari。1)Additiveeffect:PositiveornegativevaluesindicatethatpositiveallelesarefromNanjing11orKoshihikari,respectively.Koshihikari。另外5個QTL為qTPV-6、qFPV-6、qSBV-6、qPKT-6和qPT-6,其加性效應(yīng)來源于南京11。此外,在兩個環(huán)境下均沒有檢測到與峰值黏度相關(guān)的QTL,這可能是環(huán)境或基因互作造成的。2.4u2004日本染色體rva譜值的上位性對兩個環(huán)境中的RVA譜特征值進行聯(lián)合分析,共檢測到5對RVA譜特征值上位性QTL(表4)。除第1染色體上的2對控制峰值時間的上位性QTL外,其余RVA譜相關(guān)上位性QTL都發(fā)生在不同染色體之間。控制最終黏度的上位性效應(yīng)QTL共有2對,分別發(fā)生在水稻第3染色體RM232-RM282和第12染色體RM4-RM270之間,第6染色體RM461-RM528和第11染色體RM224-RM3117之間。這兩對具有上位性效應(yīng)的QTL對表型的貢獻率分別為4.17%和4.72%,與環(huán)境互作對表型的貢獻率分別為0.10%和0.05%;在第3染色體RM232-RM282和第9染色體RM219-RM1328之間檢測到1對控制峰值黏度的上位性效應(yīng)QTL,對表型的貢獻率為7.69%,與環(huán)境互作對表型的貢獻率為0.01%;在第1染色體RM259-RM579和RM466-RM5、RM581-RM312和RM5-RM488之間檢測到2對控制峰值時間的上位性效應(yīng)QTL,對表型的貢獻率分別為4.69%和2.98%,與環(huán)境互作對表型的貢獻率分別為0.00%和0.12%?？傊?稻米淀粉RVA譜特征值上位性QTL數(shù)量較多,但貢獻率較低,平均為4.85%;大部分具有上位性效應(yīng)的QTL與環(huán)境互作的效應(yīng)較小,貢獻率的范圍為0.00%~0.12%;這些數(shù)目眾多、效應(yīng)較小、發(fā)生在不同染色體之間或同一染色體不同區(qū)間之間的上位性QTL,增加了稻米淀粉RVA譜特征值性狀的遺傳復雜性。3基于質(zhì)量基因型的稻米rva譜培育優(yōu)質(zhì)水稻品種一直為育種家追求的目標。已有研究表明,稻米直鏈淀粉含量對米飯適口性起著決定作用,但直鏈淀粉含量相似的品種米飯適口性有時并不一致。因此,發(fā)現(xiàn)并利用除直鏈淀粉含量之外能反映米飯適口性的其他理化指標,對提高選育優(yōu)良食味水稻品種的效率很重要?，F(xiàn)有研究表明,稻米淀粉RVA譜特征值峰值黏度與稻米的食味品質(zhì)呈正相關(guān),最終黏度與稻米的食味品質(zhì)呈負相關(guān)。此外,崩解值和消減值也能鑒定直鏈淀粉含量相似品種米飯適口性的優(yōu)劣:崩解值大而消減值小的水稻品種食味較好,米飯軟而不黏,口感好;相反,崩解值低但消減值高的品種食味差,米飯硬而糙。綜合考慮這些指標,可預測稻米的食味品質(zhì),為水稻育種提供指導。越光(Koshihikari)是日本著名的適口性優(yōu)良的優(yōu)質(zhì)粳稻品種。本研究中Koshihikari的峰值黏度在兩個環(huán)境下明顯比南京11要高,而最終黏度卻比南京11低,說明Koshihikari的食味品質(zhì)明顯好于南京11。本研究在第6染色體相同位置上檢測到控制崩解值和消減值的QTLqBDV-6和qSBV-6,平均貢獻率分別為31.13%和71.95%。這兩個QTL的加性效應(yīng)相反,來自Koshihikari的等位基因可增加崩解值(BDV),降低消減值(SBV)。因此,來自Koshihikari的等位基因可提高稻米的食味品質(zhì),在優(yōu)良食味品質(zhì)育種中有著重要利用價值。稻米RVA譜特征值表現(xiàn)為典型的質(zhì)量-數(shù)量性狀,其遺傳變異主要受遺傳主效應(yīng)控制,同時還受到基因型與環(huán)境互作效應(yīng)的影響。本研究發(fā)現(xiàn)8個加性效應(yīng)QTL與稻米RVA譜6項特征值有關(guān),貢獻率介于3.48%~73.65%。其中,6個具有加性效應(yīng)的QTL在兩個環(huán)境下均被檢測到,即qTPV-6、qFPV-6、qBDV-6、qSBV-6、qPKT-6和qPT-6,分別控制最低黏度、最終黏度、崩解值、消減值、高溫時間和糊化溫度。控制糊化溫度的QTLqPT-6貢獻率在10.41%~14.31%,其他QTL位點的貢獻率在29.64%~73.65%,為主效QTL,且都位于第6染色體的RM588-RM508之間12.2cM的區(qū)域內(nèi)。整合比較McCouch等發(fā)表的高密度分子圖譜,發(fā)現(xiàn)該區(qū)域與RM190(Wx基因)緊密連鎖,表明RVA譜特征值最低黏度、最終黏度、崩解值、消減值、峰值時間等5項指標與直鏈淀粉含量均存在明顯的內(nèi)在關(guān)系,也從一個方面證明稻米RVA譜特征值是可以反映米飯適口性的重要理化指標。同時在兩個環(huán)境下還檢測到5對具有上位性效應(yīng)的QTL,貢獻率較小(表3)。此外,這些QTL受到環(huán)境的影響也較小。說明該群體稻米RVA譜主要受主效基因控制。已有研究表明,水稻灌漿結(jié)實期的高溫能降低淀粉分支酶RBE1和RBE3的活性,導致胚乳支鏈淀粉的長分支鏈增加,從而降低稻米淀粉崩解值,提高消減值。相反,低溫能誘導Wx基因表達豐度、GBSS蛋白含量和GBSS酶活性等增加,致使直鏈淀粉升高,從而也降低稻米淀粉崩解值。此外,成熟期的氣溫通過影響米粒蛋白質(zhì)的沉積而改變胚乳蛋白組分和含量,影響到RVA譜的特征值。光照能顯著影響稻米淀粉形成,灌漿期光照不足,光合能力下降,導致因糖源不足而引起直鏈淀粉和淀粉總量下降,最終也影響稻米RVA譜特征值的表現(xiàn)?？梢?稻米淀粉黏滯性譜亦受光、溫等氣候條件的影響。但在本研究對南京