水稻苗期镉耐性和积累的QTL定位分析

Dawei Xue · Mingcan Chen · Guoping Zhang

摘要：镉是一种非必需元素，对植物有毒。为了研究水稻对Cd的耐受性和累积性的遗传特性，利用日本JX17和籼稻ZYQ8杂交获得的双单倍体群体，绘制了水稻幼苗期Cd耐受性和累积性相关的数量性状基因座位点(QTL)。在对照和Cd胁迫下，共发现22个相关的QTL，分别鉴定了茎高(SH)、根长(RL)、茎干重(SDW)、根干重(RDW)、总干重(TDW)和叶绿素含量(CC)，在对照和Cd胁迫条件下分别鉴定了10个和12个 QTL。Cd耐受性系数(CTC)在1、3、5、8、10号染色体上检测到6个QTL。在Cd胁迫下，在6号染色体和7号染色体上分别定位了3个QTL，分别控制根和芽的Cd浓度。在3号染色体上定位了镉浓度有关根冠比的QTL。结果表明，水稻对Cd的耐受和积累是定量遗传的，检测到的QTL可用于水稻的标记辅助选择(MAS)和控制Cd耐受和积累的基因鉴定。

关键词：水稻、QTL、镉、耐受性、积累

介绍

镉(Cd)是一种没有生物功能的重金属，对动植物具有高度毒性(LagerwerV 1972;Chakravarty和Srivastava 1992)。污泥、城市垃圾和商业磷肥的施用导致土壤Cd含量增加(Williams and David 1973)。它在土壤中的积累正成为严重的威胁农作物生产以及人类健康。过量Cd的存在可能引起植物中毒，导致生长发育迟缓(Weigel and Jauml;ger 1980; Chen and Kao 1995)，强烈减少生物质生产，破坏光合作用装置，降低叶绿素含量，干扰矿物营养和碳水化合物代谢(Stobart et al. 1985; Krupa 1988; Padmaja et al. 1990;Moya et al. 1993; Siedlecka and Baszynski 1993;Larsson et al. 1998)。

水稻(Oryza sativa L.)是世界上最重要的粮食作物之一，尤其在亚洲。目前，我国大面积可耕地受到镉污染(Wong et al.2002)，不仅抑制了作物的生长发育，导致产量和质量下降，而且通过食物链对人类健康造成巨大威胁。因此，开发高耐受性、低积累镉的栽培品种势在必行。

水稻对Cd的耐受性在基因型上存在显著差异，Cd毒性的形态、生理、生化和营养机制已被广泛研究((Moya et al. 1993; Verma and Dubey 2001; Hu and Kao 2003; Shao et al. 2004; Hassan et al. 2005; Wu et al.2006; Shao et al. 2007)。同时，水稻基因型在Cd积累方面也有很大差异（Arao and Ae 2003; Liu et al. 2005; Cheng et al. 2006; Yu et al. 2006; Zeng et al. 2007）。水稻对Cd的耐受性和积累的基因型差异表明，在可食性组织中开发高Cd耐受性和低Cd浓度积累的品种是可能的。然而，水稻对Cd耐受和积累的调控机制尚不完全清楚。

对于由多个基因控制的复杂性状，数量性状基因座(QTL)定位是识别表型变异的遗传因子数量、位置和表达的有效方法，是理解表型复杂性背后的分子遗传机制的重要一步。最近，QTL定位已经成为水稻耐金属应力(如铝)方面一种特别有效的方法(Wu et al.2000;Nguyen et al. 2001;Ma et al. 2002;铁(Wu et al. 1997;Wan et al. 2003)，砷 (Dasgupta et al. 2004)， 锰 (Wang et al. 2002)和锌(Dong et al. 2006)。此外，利用QTL图谱鉴定了超富集物种Thlaspi caerulescens中涉及锌和Cd积累的染色体区域，并分别检测了根和芽中锌和Cd的积累相关的5个QTL(Deniau et al.2006)。在Cd的情况下，Ishikawa et al.(2005)利用39个染色体片段替代系(CSSLs)检测了3个可能控制糙米Cd浓度的QTL。然而，在水稻中还没有发现QTL与水稻幼芽和根系中Cd毒性耐受和Cd积累相关的遗传分析。

本研究的目的是利用日本籼型杂交株系的127条双倍单倍体(DH)株系，在对照条件下鉴定QTL对幼苗期Cd毒性和Cd浓度的影响。通过QTL定位分析了解Cd耐受和Cd浓度的复杂性，有助于确定Cd耐受和积累的遗传机制，克隆相关调控位点或基因，获得用于育种的分子标记。

材料和方法

植物材料

本研究采用127株DH株组成的DH群体。群体是通过籼稻品种ZYQ8和粳稻品种JX17 F1杂交花药培养而成(Zhu et al. 1993)。

植物生长条件

在3% H₂O₂溶液中消毒10分钟，再用去离子水漂洗5次。种子在黑暗条件下浸泡在去离子水中，28℃培养两天，在塑料网上发芽后在33℃下用去离子水漂洗24h，然后播种到16h光亮/8h黑暗的光周期控制室中。光亮/黑暗温度设定在31/28℃，相对湿度保持在80%。2周后，选择大小相近的水稻幼苗移栽至40l含有营养液的塑料容器(每个容器96株幼苗)中，以水培方式栽培。根据Yoshida et al.(1976)的研究，营养液的制备方法如，下：

NH₄NO₃ 2.9 mM，NaH₂PO₄ 0.32 mM，K₂SO₄ 1.0 mM，CaCl₂ 1.0 mM，MgSO₄ 7H2O 1.7 mM，

MnCl₂ 4H₂O 9.1times;10^-3 mM，(NH₄)₆MoO₂₄ 4H₂O 5.2times;10^-4 mM，H₃BO₃ 1.8times;10^-2 mM，ZnSO₄ 7H₂O 1.5times; 10^-4 mM，CuSO₄ 5H₂O 1.6 times;10^-4 mM，FeCl₃ 6H₂O 3.6 times; 10^-2 mM。用1M HCL或NaOH溶液按要求调节培养液pH值至5.1。移栽至碱性溶液一周后，做两种处理：对照组，9株植株在不添加Cd的营养液中生长；镉胁迫，每天加入等量CdCl₂溶液，5天后，最终浓度为0.1mmol/lCd。实验以Cd处理为主，植物材料为辅，分割设计。

测量

在Cd处理21d后，分别测定各处理的叶绿素含量(CC)、嫩枝干重(SDW)和根干重(RDW)。叶绿素含量采用便携式血压计(SPAD-502 Minolta，日本)在上二叶完全展开(远离叶脉)的中部位置进行无损测量。小心地从容器中将幼苗取出，用蒸馏水冲洗3次，然后浸入1.0 mM EDTA中2小时，去除植物表面的金属(Shao etal . 2007)。从胚芽鞘节点到最长叶尖处测定株高SH，从胚芽鞘节点到最长叶尖处测定根长RL，4~6株计算平均值，采样植物分为“根与芽”，在105℃烘干2h，然后在烤箱中用70℃烘48h。测定根和芽的干重。将植物样品碾碎、干燥、用1:1HNO₃浓缩到一定的体积，最后过滤。采用火焰原子吸收分光光度法(AA6300,Shimadzu,Tokyo,Japan)采测定茎部Cd和根部Cd的含量。根据SDW RDW计算总干重(Total dry weight, TDW)，并计算Cd浓度(shoot/root ratio,SRR)。CC、SH、RL、SDW、RDW和TDW计算公式如下：CTC=Cd应力处理值/对照值。

数据和QTL分析

采用SPSS11.0统计软件进行总体分布分析。如前所述，利用160rflp和83个SSR标记均匀分布在12个水稻染色体上构建遗传连锁图谱(Lu et al.1996;Xu et al. 1998)。采用基于混合线性模型方法开发的QTLMAPPER 1.6软件进行区间映射检测QTL(Wang et al. 1999)。以阈值Plt;0.005确定QTL，取LODgt;2.0的阈值作为假设QTL。并对各QTL的遗传参数、加性评价和解释变异进行了估计。QTL的命名遵循McCouch等人(1997)的体系。

结果和分析

表型变异

各检测性状的大均值、范围、偏度和峰度见表1和图1。总的来说，Cd胁迫下，除ZTQ8的RL和JX17的RDW外，两亲本Cd胁迫下测得的生长性状值相对于对照降低。由表1可知，除RL外，所有性状的CTC在JX17中均大于ZYQ8，说明JX17对Cd的耐受性高于ZYQ8。JX17处理的枝条Cd浓度明显高于ZYQ8处理。而根Cd浓度正好相反，为ZYQ8高于JX17，SRR中JX17明显高于ZYQ8。

对于DH群体，除RL和RDW外，Cd胁迫下供试生长性状的表型值均低于对照。这些性状的分离在所有DH系之间连续分布(表1)。所有测得性状的峰度和偏度均小于1，说明其正态分布。此外，所有性状在两个方向上都出现了超亲分离，说明双亲对每个性状都传递了有利的等位基因。在DH系中，Cd浓度在32.01~165.6mg/kg之间，平均为83.17mg/kg；

CDR在85.8mg/kg~1029.6mg/kg，平均567.99mg/kg高于亲代；SRR在0.03到0.36之间，平均0.15，与JX17相似。127条线段的3个值近似正态分布，显示多基因分离，符合QTL映射要求。

生长性状QTL分析

对照和Cd胁迫下的6个性状的QTL被定位到水稻染色体1、2、3、6、7、8、9、10和11。共有22个假定的QTL被发现与这6个性状相关。分别在Cd胁迫和对照条件下鉴定了10个QTL和12个QTL。检测到的QTL占表型变异的4.53~35.26%。22个QTL的主要影响和图形位置见表2和图2.

SH在染色体2(qSH2)、6(qSH6)、7(qSH7)、8(qSH8)和9(qSH9)上检测到5个QTL。(表2)，其中1个QTL为对照，4个QTL为Cd胁迫处理。个体QTL占表型变异的5~15.59%。只有一个QTL，qSH2，来自ZYQ8的等位基因使性状值增加。对于其他4个QTL，来自JX17的等位基因有增加的趋势。

在1号染色体上鉴定了RL的两个基因组区。在对照条件下，qRL1.1解释了8.53%的表型变异，根系长度增加了0.71cm，表现为JX17阳性。而qRL1.2 ZYQ8的等位基因在Cd胁迫下RL升高的加性效应为0.55cm。

检测到4个与SDW相关的QTL。其中3号染色体和6号染色体检测到2个QTL，qSDW3.1和qSDW6.1，而其余两个QTL(qSDW6.2和qSDW6.3)均在Cd胁迫下发现。其中单个QTL占总表型变异的4.53~17.75%。在4个QTL中，qSDW6.3的加性影响值为0.07g，占总表型变异的10.44%，且阳性等位基因来自ZYQ8。其余3个QTL为JX17等位基因，加性效应分别为0.06g、0.1g和0.09g

对照和Cd处理共检测到8个RDW QTL。3号染色体(qRDW3.1和qRDW3.2)、10号染色体(qRDW10)和11号染色体(qRDW11)分别对应4个QTL，分别解释了总RDW变异的20.1、7.73、18.51和7.36%。在Cd胁迫下，4个QTL被标记在1号染色体上(qRDW1.1和)

qRDW1.2)、8(qRDW8.1)和9(qRDW9)共解释了73.93%的表型变异。来自ZYQ8的3个QTL(qRDW3.1，qRDW1.1和qRDW8.1)等位基因倾向于增加RDW的值，而来自JX17的5个QTL则导致RDW的值增加。此外，QTL qRDW9占总变异的35.26%，RDW增加0.04g，Cd胁迫下JX17表现为阳性。

TDW的一个QTL qTDW6只在对照组的6号染色体G294-G122区域内被定位，而TDW的QTL则没有Cd应力检测。QTL对总表型变异的贡献率为8.94%，对从JX17等位基因增加TDW的贡献率为0.1g。

在8号染色体和11号染色体上鉴定了两个与CC相关的QTL。这些QTL解释的表型方差百分比分别为8.67和10.54%。在对照中，qCC11的阳性等位基因来自JX

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[278822]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word