高产指数水稻品种粤香占与胜巴丝苗衍生的重组自交系群体中稻米糊化特性RVA谱数量性状位点定位

《Plants》：QTL Mapping for RVA Profile Characteristics in a Recombinant Inbred Line Population Derived from High-Harvest-Index Yuexiangzhan Rice Yunyi Zhan, Zhanhua Lu, Wei Liu, Shiguang Wang, Tengkui Chen, Yongchun He, Weifeng Yang, Liting Zhang and Xiuying He

本文在粤香占(YXZ)和胜巴丝苗(SBSM)背景构建的高密度连锁图谱基础上，结合重组自交系(RIL)群体在两个环境下的稻米糊化特性(RVA)谱数据，通过岭回归分析定位了59个相关数量性状位点(QTL)，揭示了Wx基因所在区域对8个RVA特征的主效调控，并鉴定出9个与淀粉合成通路相关的候选基因，为稻米食味品质基因挖掘和分子设计育种提供了重要遗传资源。

　　

1. 引言

水稻是维系全球粮食安全最重要的粮食作物之一。随着高产稳产栽培技术的突破和生活水平的提高，稻米品质已成为决定市场价格和消费者接受度的首要因素。食味和蒸煮品质不仅是影响稻米价格最重要的性状之一，也是优质稻品种选育的关键目标性状，主要指蒸煮稻米所需的能量，以及蒸煮后米饭的弹性、粘性、硬度、香气和味道等特性。

直链淀粉含量是造成食味和蒸煮品质显著差异的首要因素。此前研究通常用直链淀粉含量(AC)、胶稠度(GC)、糊化温度(GT)和食味评分(TS)来评价稻米食味品质。但在实际操作中，这些指标的检测复杂、耗时耗力，且只能从单一角度反映品质特性。快速粘度分析仪(Rapid Visco Analyzer, RVA)具有分析时间短、简单快捷、可全面反映食味和蒸煮品质的优点，因此已被越来越多的研究者采纳，并广泛应用于我国的水稻育种实践中。RVA谱反映了淀粉的糊化特性，代表淀粉糊在连续加热、恒高温和冷却过程中粘度的变化。从RVA谱推导出的特征值包括峰值粘度(PKV)、热浆粘度(HPV)、冷浆粘度(CPV)、崩解值(BDV)、回生值(SBV)、稠度(CSV)、峰值时间(PeT)和糊化温度(PaT)。每个RVA特征值与米饭质地均呈显著相关，可有效评价稻米的食味和蒸煮品质。陈等人发现，食味蒸煮品质优良的籼稻品种表现出更高的PKV和BDV，但HPV、CPV和CSV更低。因此，研究RVA谱特征的遗传机制对改良稻米食味和蒸煮品质具有重要意义。

稻米的RVA谱特征是由主次基因共同控制的数量性状，也是环境和基因型综合作用的结果。张等人利用F₂群体对RVA谱特征进行遗传分析，发现PKV呈单峰频率分布，受微效基因控制；HPV、CPV、SBV和CSV呈双峰频率分布，由一对主基因控制，并同时受多个微效基因影响；PeT则共同受两对主基因和多个微效基因影响。此外，通过利用重组自交系(RIL)群体对RVA特征进行QTL定位，在1、2、3、4、6、7和8号染色体上共鉴定出34个相关QTL。包等人利用双单倍体(DH)群体发现，除PKV外，其他特征都受6号染色体上Wx基因的主基因效应影响。迄今为止，已有大量与RVA谱特征相关的QTL被定位，但相关基因被克隆和报道的较少。例如，已知调控淀粉代谢和结构的基因包括GWD1、FLO6、FLO2、du-1、GIF1和Wx。值得注意的是，Wx基因通过其等位变异调控AC，并通过包括Wx-Int1 (G/T)和Wx-EX10 (C/T)在内的多态性位点调控RVA谱。Wx-Int1 (G/T)在调控PKV、BDV和SBV中起主导作用，分别贡献了30.6%、35.1%和49.7%的表型变异。而Wx-EX10 (C/T)主要控制HPV、CPV和CSV，贡献率分别为45.8%、58.7%和38.0%。Wx^lv等位基因增加PKV、HPV、CPV和SBV并降低BDV，而Wx^b等位基因则产生相反效果。这些调控差异的核心在于Wx等位基因引起的淀粉理化特性的改变。此外，利用CRISPR/Cas9编辑Wx基因已被证明可以降低AC并改变RVA谱，从而改善食味品质，表明Wx表达水平也影响RVA特征。

RVA谱特征与稻米食味和蒸煮品质密切相关，是品质评价的核心指标之一。尽管在与食味和蒸煮品质相关的QTL定位方面已取得相当进展，但迄今为止专门针对解析RVA谱特征基础QTL的研究相对较少。本研究以F₁₀-F₁₁RIL群体为实验材料。该群体源自广东两个优质籼稻品种粤香占(YXZ)和胜巴丝苗(SBSM)的杂交。然后，在2023年两个季节测定了该群体的RVA谱特征。结合高密度bin图谱，鉴定了控制RVA特征的QTL。本研究旨在探索适用于改善稻米食味和蒸煮品质的主要且稳定的QTL，并为进一步的基因克隆和稻米分子育种提供有价值的遗传信息和候选位点。

2. 结果

2.1. 亲本的RVA谱特征和Wx基因型

胜巴丝苗(SBSM)的米粒具有紧密、乳白、无垩白等品质；蒸煮后米饭完整、湿润、有光泽、粘性好。对于粤香占(YXZ)，其透明度好，有少量垩白粒，蒸煮后米饭完整、松散、干燥、蓬松。比较YXZ和SBSM的RVA谱发现，它们的糊化曲线存在显著差异，特别是在PKV、HPV、CPV、SBV和BDV等关键特征值上表现出显著变化。在两种环境(2023年早季和晚季)下，YXZ的PKV、BDV和PaT显著低于SBSM，而HPV、CPV、SBV、CSV和PeT水平显著高于SBSM。所有RVA性状的表型在两个环境中相对稳定。为了确定两个亲本的Wx基因型，使用Wx基因特异性分子标记进行基因分型。结果显示SBSM携带Wx^b等位基因，而YXZ含有Wx^a等位基因。

2.2. RIL群体中RVA谱特征的表型分析

为了表征RIL群体中RVA谱特征的表型变异，对八个性状进行了分析。结果显示，除PaT外，所有性状的平均值均介于双亲之间，且均表现出双向超亲分离。RIL群体表现出广泛的表型变异范围。PeT和PaT相对稳定，而SBV、BDV和CPV表现出较大的变异范围。此外，SBV的表型变异系数最高，表明控制这些性状的基因在数量和效应上都很复杂。具体来说，SBV极高的变异系数(756.85%和282.82%)可以用这个衍生性状的性质来解释。在我们的群体中，SBV值在早季从-156.75到155.33，在晚季从-115.67到152.00，均值较小。由于变异系数计算为标准差与均值之比(以百分比表示)，即使绝对表型变异适中，较小的均值也会导致极高的变异系数(CV)值。所有RVA谱性状的峰度值均为负值，表明分布为平阔峰且相对平坦。大多数性状在早季和晚季中近似对称；只有CSV和PeT在早季表现出轻微的正偏态，而PaT在两个季节之间表现出方向相反的轻度偏态，暗示了强烈的环境效应。除PKV外，所有RVA指数均呈现双峰分布，且PeT表现出明显的双峰模式，表明群体中存在一个正在分离的主效基因。Q-Q图证实了这一点，其显示出偏离正态性的特征性S形，表明数据可能来自两个分布的混合。这些结果表明该性状的遗传结构可能涉及一个效应大的主效位点，以及贡献组内变异的额外微效修饰基因。

2.3. RVA谱特征的相关性分析

2023年早季RVA谱特征的相关性分析表明，除PaT与HPV、CPV和PeT无显著相关外，所有指标彼此间均存在极显著或显著相关。具体而言，PKV与BDV呈极显著正相关；相关系数在早季达到0.77，在晚季达到0.81。然而，PKV与HPV、CPV、SBV、CSV、PeT和PaT呈极显著负相关。HPV与CPV、SBV、CSV和PeT呈极显著正相关，与BDV呈极显著负相关。BDV与CPV、SBV、CSV和PeT呈极显著负相关，与PaT呈显著负相关。CPV与SBV、CSV和PeT呈极显著正相关。SBV与CSV、PaT和PeT呈极显著正相关。CSV与PeT呈极显著正相关，与PaT呈显著正相关。2023年晚季各特征之间的大多数相关性与早季一致，这进一步证实RVA谱受主效基因调控。此外，RVA谱特征的部分相关性表现出环境变异。例如，P