中国农业科学 2010,43(24):4983-4990 Scientia Agricultura Sinica doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2010.24.001
水稻产量性状杂种优势的QTL定位
陈深广，沈希宏，曹立勇，占小登，冯 跃，吴伟明，程式华
（中国水稻研究所，杭州 310006）
摘要：【目的】利用QTL定位方法检测水稻产量性状杂种优势QTL，并解释杂种优势产生的可能分子机理。【方法】利用重组自交系与亲本协青早B构建BC1杂种群体，通过两地重复试验，以中亲优势考察6个产量性状的杂种优势表型，利用Windows QTL Cartographer 2.5的复合区间作图法检测其QTL。【结果】多数产量性状均表现出较强的杂种优势。在两地试验中，共检测到20个产量性状杂种优势QTL，分布在水稻第2、3、6、7、8、10等6条染色体上，包括3个控制单株产量杂种优势的QTL、2个控制单株穗数杂种优势的QTL、6个控制每穗总粒数杂种优势的QTL、4个控制每穗实粒数杂种优势的QTL、4个控制结实率杂种优势的QTL和1个控制千粒重杂种优势的QTL。单个QTL对群体性状表型变异的贡献率为4.90%—12.85%。【结论】检测到控制6个产量性状杂种优势的20个QTL，其中qHNP-3、qHTNSP-7、qHNFGP-7、qHSF-7、qHTGWT-3 5个QTL在两地试验中稳定表达；检测到的20个杂种优势QTL中，有13个与在RIL群体中检测到的QTL重叠，重叠率达65%，因此，认为来自纯系的产量性状加性效应对杂种优势产生具有重要贡献。
关键词：水稻；产量性状；杂种优势；QTL；回交群体（BC1）
QTL Mapping for Heterosis of Yield Traits in Rice
CHEN Shen-guang, SHEN Xi-hong, CAO Li-yong, ZHAN Xiao-deng, FENG Yue,
WU Wei-ming, CHENG Shi-hua
(China National Rice Research Institute, Hangzhou 310006)
Abstract: 【Objective】 In experiments, the heterosis QTL for yield traits was detected and the genetic basis of heterosis in rice was studied by method of QTL mapping. 【Method】 A backcross (BC1) population derived from XQZB/RILs was developed to observe the heterosis of six yield traits in two location trials. QTLs for six yield traits were determined using Windows QTL Cartographer 2.5 with composite interval mapping. 【Result】 Heterosis of majority yield traits were stronger. As the results indicated, a total of 20 significant heterosis QTLs for six yield traits were detected distributing on rice chromosomes 2, 3, 6, 7, 8, and 10, including three heterosis QTLs for grain yield (GYD) per plant, two heterosis QTLs for number of panicle (NP) per plant, six heterosis QTLs for total number of spikelet per panicle (TNSP), four heterosis QTLs for number of filled grain per panicle (NFGP), four heterosis QTLs for spikelet fertility (SF) and one heterosis QTL for 1000-grain weight (TGWT), respectively. The phenotypic variance explained by a single heterosis QTL ranged from 4.90% to 12.85%. 【Conclusion】 A total of 20 significant heterosis QTLs for six yield traits were detected and five heterosis QTLs among them were stable expression in two trials, included qHNP-3, qHTNSP-7, qHNFGPH-7, qHSF-7, qHTGWT-3. In the checked 20 heterosis QTLs, 13 of them were also checked in the RIL population, the degree of overlap were bigger up to 65%. It is suggested that additive effects also play an important role for yield heterosis.
Key words: rice (Oryza sativa L.); yield traits; heterosis; quantitative trait locus (QTL); backcross population (BC1)
0 引言
【研究意义】中国于1973年在世界上率先实现了
水稻杂种优势的生产应用，使水稻单产在矮秆良种的基础上提高20%左右。目前，中国超级稻育种先后实现了第一、第二阶段目标，然而，要实现第三阶段“百
收稿日期：2010-05-24；接受日期：2010-08-24
基金项目：农业部超级稻专项、浙江省“8812”计划项目（2007C12901）、国家公益性行业（农业）科研专项（nyhyzx07-001）
作者简介：陈深广，副研究员。E-mail：[email protected]。沈希宏，副研究员，博士。陈深广和沈希宏为同等贡献作者。通信作者程式华，研究员，
博士。Tel：0571-63370188；E-mail：[email protected]
4984 中 国 农 业 科 学 43卷
亩片单产13.5 t·hm-2以上”的产量水平目标，需要对超级杂交稻的杂种优势在分子水平上有一个全面而深入的认识[1-2]。开展杂种优势QTL定位研究有望揭示产量性状杂种优势的数量遗传基础。【前人研究进展】20世纪初，Bruce[3]和Shull[4]分别提出显性假说和超显性假说来解释杂种优势机理。Stuber等[5]利用RFLP分子标记对玉米杂种优势的遗传基础进行了分析，发现玉米中决定产量的数量性状杂种优势与位点杂合性呈正相关（相关系数为0.68），认为超显性效应是杂种优势的重要遗传基础。Xiao等[6]用RFLP标记进行水稻数量性状杂种优势遗传基础研究，认为水稻杂种优势主要决定于亲本基因的显性互补。Yu等[7]利用包含150个标记的分子连锁图，以汕优63为材料研究优良杂交水稻的杂种优势机理，发现双基因互作现象普遍存在，认为上位性效应在杂种优势形成中起决定性作用。Zhuang等[8]进一步考虑了遗传背景的影响，指出基于杂合型遗传背景的超显性效应是水稻杂种优势的重要遗传基础。Hua等[9]利用永久F2群体检测到4个产量性状的33个杂种优势效应位点，这些杂种优势QTL与RIL群体中检测到的QTL只存在少量重叠，同时也发现大量的双基因互作，认为单位点水平上的杂种优势效应，加上双位点水平上的加性-加性互作是杂种优势的遗传基础。【本研究切入点】尽管一些学者对水稻杂种优势机理进行了一些研究，但是其分子机理尚不明确。【拟解决的关键问题】本研究以超级杂交稻协优9308的RIL群体与亲本之一协青早A的保持系协青早B回交构建BC1群体为材料，检测6个产量性状的杂种优势QTL，分析其遗传效应，确定与杂种优势基因紧密连锁的分子标记，为精细定位和克隆杂种优势基因及借助分子标记辅助选择累加杂种优势基因培育强优势杂交组合提供技术支持。
1 材料与方法
1.1 BC1群体构建和性状考察
以协青早B为母本，与超级杂交稻协优9308的281个RIL杂交配制BC1群体于2006年夏种植于浙江杭州中国水稻研究所实验基地（以下简称ZJ06F），5月25日播种；2007年春重新配制BC1群体，种植于海南陵水（以下简称HN07F），12月5日播种。两地试验均设3个重复，每个重复种植9株，株行距20 cm×23 cm，田间记载抽穗期和株高，成熟时分别按株系混收中间5株进行考种。试验肥水管理、防治病虫等同一般大田生产。考察的产量性状及计算方法如
下：
单株产量（grain yield per plant，GYD）：全部实粒称重/5（g）；单株穗数（number of panicle per plant，NP）：每穗结实数超过5粒的总穗数/5（个）；每穗总粒数（total number of spikelet panicle，TNSP）：总颖花数/总穗数（粒）；每穗实粒数（number of filled grain per panicle，NFGP）：总实粒数/总穗数（粒）；结实率（spikelet fertility，SF）：总实粒数/总颖花数（%）；千粒重（1 000-grain weight，TGWT）：2个500粒饱满种子称重相加（g）。以3个重复的均值为基础进行数据分析。以中亲优势作为杂种优势[9]H=F1-（P1+P2）/2（H：杂种优势；F1：杂种性状值；P1、P2：杂种的2个亲本性状值）。 1.2 分子遗传连锁图谱的构建
所用遗传图谱由中国水稻研究所分子育种实验室利用超级杂交稻协优9308重组自交系构建，构建的分子遗传图谱共包含163个SSR标记座位，共覆盖水稻基因组1 578.9 cM，覆盖率为87.5%，标记间平均图距为9.69 cM，分布较均匀[10]。 1.3 QTL定位
采用Windows QTL Cartographer 2.5软件[11]进行QTL分析，应用复合区间作图法（CIM）以LOD=3.0（LR=13.8）为阈值，检测QTL，估算QTL的加性效应和可解释表型变异量。扫描区间为1.0 cM，以“Model 6：Standard Model”进行背景控制，应用正反向回归法、以P=0.01为阈值。用多元复合区间法（MIM）校正QTL的位置和效应。
2 结果
2.1 杂种优势表型分析
基于RIL群体的BC1杂种群体在海南（HN07F）和浙江（ZJ06F）两地试验中，6个产量性状杂种优势均有较大的双向超亲分离，变异连续且均呈正态分布，表现出数量性状的特点。每个性状不是所有杂交组合都表现出杂种优势，都存在负杂种优势个体。从群体的平均值看（表1），大多数产量性状都表现出了较强的平均杂种优势，如单株产量、每穗总粒数、每穗实粒数和千粒重，杂合使穗粒数增加、千粒重增加。单株穗数的杂种优势不明显；结实率的杂种优势在两地试验中表现不一，在HN07F试验中结实率降低，而在ZJ06F试验中增高。除结实率、千粒重性状在HN07F试验中的表型外，其它各性状表型的峰度和偏度均小于1，基本符合正态分布。
24期 陈深广等：水稻产量性状杂种优势的QTL定位 4985
表1 BC1群体产量性状杂种优势的表型值
Table 1 Descriptive statistics of heterosis of yield traits in the BC1 population
产量性状杂种优势 Heterosis of yield traits
试验 Trial
平均值±标准差 Mean ± SD
范围 Range
-12.30—17.60 (-58.16%—83.22%) -6.91—28.74 (-38.47%—160.02%) -3.83—6.18 (-39.28%—83.90%) -4.42—5.07 (-46.92%—53.82%) -37.72—54.96 (-35.84%—52.22%) -60.17—96.71 (-50.95%—81.90%) -50.32—67.88 (-62.03%—83.68%) -39.72—84.55 (-47.31%—100.71%) -31.57—23.58 (-40.58%—30.31%) -22.66—29.56 (-32.02%—41.78%) -2.52—3.63 (-11.04%—15.91%) -3.95—5.23 (-15.17%—20.08%)
峰度 Kurtosis 0.55 0.48 0.72 0.05 -0.16 -0.19 -0.41 0.19 -0.33 1.57 -0.01 1.36
偏度 Skewness 0.45 0.12 0.75 -0.06 0.05 0.19 0.14 0.15 -0.01 -0.81 -0.12 -0.15
单株产量GYD(g) HN07F 0.20±5.14 (0.95%±24.30%)
ZJ06F
8.33±5.64 (46.38%±31.40%)
单株穗数NP HN07F -0.10±1.65 (-1.03%±16.92%)
ZJ06F
0.25±1.65 (2.62%±17.52%)
每穗总粒数TNSP HN07F 7.35±17.73 (6.98%±16.85%)
ZJ06F
12.33±27.59 (10.44%±23.36%)
每穗实粒数NFGP HN07F 4.60±21.96 (5.67%±27.07%)
ZJ06F
22.62±21.50 (26.94%±25.61%)
结实率SF(%) HN07F -3.18±10.54 (-4.09%±13.55%)
ZJ06F
12.18±8.24 (17.21%±11.64%)
千粒重TGWT(g) HN07F 0.83±1.04 (3.64%±4.56%)
ZJ06F
1.46±1.20 (5.61%±4.61%)
简单相关性分析（表2）表明，单株产量杂种优势与其每穗粒数、结实率杂种优势之间的相关程度较高，与单株穗数和千粒重杂种优势的相关程度较低。每穗总粒数、每穗实粒数、结实率等穗部性状之间的杂种优势相关性最高；单株穗数与穗部性状杂种优势之间均呈显著负相关。不同试验中相关性存在差异，如单株产量与千粒重的杂种优势在HN07F试验中不相关，而在ZJ06F试验中检测到显著相关。结实率杂种优势与单株穗数、每穗总粒数杂种优势之间的相关性在两地试验中表现相反，这可能与两地光温环境相差较大有关，在ZJ06F试验中夏季极端高温影响结实率，而在HN07F试验中生长前期低温影响分蘖发生，抽穗期连续低温也引起结实率表型异常。 2.2 杂种优势QTL定位
表2 BC1群体产量性状杂种优势的相关性
Table 2 Correlation of heterosis of yield traits in the BC1 population
产量性状杂种优势 Heterosis of yield traits
试验 Trial
单株穗数 NP
每穗总粒数 TNSP 0.64** 0.40**
每穗实粒数 NFGP 0.71** 0.62**
结实率 SF 0.61** 0.40** -0.45** 0.16*
千粒重 TGWT 0.02 0.23** -0.03 -0.03 -0.08 -0.03
用CIM方法对两地试验6个产量性状杂种优势进行QTL定位分析，以LOD=3.0为阈值，在HN07F和ZJ06F试验中共检测到20个QTL（表3，图），分别包括控制单株产量、单株穗数、每穗总粒数、每穗实粒数、结实率、千粒重杂种优势的3、2、6、4、4、1个QTL。这些QTL分布在水稻第2、3、6、7、8、10等6条染色体上（图）。
在HN07F试验中检测到控制单株产量杂种优势的3个QTL，分布在第6、7、10染色体上，单个QTL贡献率在5.46%—7.70%，联合贡献率为17.1%。其加性效应均表现为正值，效应值在1.29—1.40，表明杂合子和父本纯合型的效应优于母本（协青早B，下同）纯合型。
在HN07F和ZJ06F试验中分别检测到控制单株
单株产量GYD HN07F 0.16*
ZJ06F
0.49**
单株穗数NP HN07F -0.38** -0.46**
ZJ06F
每穗总粒数TNSP HN07F
ZJ06F
每穗实粒数NFGP HN07F
ZJ06F
-0.32**
-0.23**
0.89** 0.55**
0.85**
-0.23**
0.86** -0.07
0.28**
0.05
结实率SF HN07F -0.07
ZJ06F
*和**分别表示相关系数达到P=0.05和P=0.01的显著水平 * and ** indicate the significance at P=0.05 and P=0.01 levels, respectively
0.15*
4986 中 国 农 业 科 学 43卷
空心表示在一地试验中检测到；实心表示在两地试验中均检测到
White symbol indicates QTL detected under one trial; Black symbol indicates QTL detected under both two trials
图 QTL在连锁图上的分布
Fig. Distribution of QTL on the molecular linkage map
穗数杂种优势的2个和1个QTL，分布在第3、7染色体上，单个QTL贡献率在6.90%—8.17%，联合贡献率为22.9%。其加性效应均表现为负值，效应值在-0.40—-0.51，表明杂合子和父本纯合型的效应差于母
本纯合型。其中qHNP-3在两地试验中均被检测到。
在HN07F和ZJ06F试验中分别检测到控制每穗总粒数杂种优势的3个和4个QTL，分布在第2、6、7、10染色体上，单个QTL贡献率在4.90%—11.17%，
24期 陈深广等：水稻产量性状杂种优势的QTL定位 4987
表3 BC1群体中检测到的产量性状杂种优势QTL
Table 3 QTLs for heterosis of yield traits detected in the BC1 population
QTL
区间 Interval
LOD H2(%)1)
HN07F ZJ06F
A2)
HN07F ZJ06F HN07F ZJ06F
单株产量杂种优势Heterosis of grain yield per plant, HGYD qHGYD-6 qHGYD-7 qHGYD-10
RM3330—RM564 4.54 7.11 1.39 RM180—RM2 4.75 7.70 1.42 RM271—RM6704 3.34 5.46 1.29
单株穗数杂种优势Heterosis of number of panicle per plant, HNP qHNP-3 qHNP-7
RM168—RM143 4.69 3.96 7.84 6.90 -0.45 -0.40 RM180—RM2 4.84 8.17 -0.51
每穗总粒数杂种优势Heterosis of total number of spikelet panicle, HTNSP qHTNSP-2 qHTNSP-6-1 qHTNSP-6-2 qHTNSP-7 qHTNSP-10-1 qHTNSP-10-2
RM6247—RM71 4.16 5.91 6.01 RM587—RM510 3.64 5.17 5.82 RM6302—RM3330 4.93 7.63 4.95 RM180—RM2 7.59 4.22 11.17 5.98 5.90 6.10 RM271—RM6704 3.39 4.90 5.22 RM3773—RM3123 3.93 7.57 -7.05
每穗实粒数杂种优势Heterosis of number of filled grain per panicle, HNFGP qHNFGP-6 qHNFGP-7 qHNFGP-10-1 qHNFGP-10-2
RM6302—RM3330 6.93 10.33 7.03 RM180—RM2 8.48 3.14 12.85 5.70 7.87 -5.52 RM271—RM6704 4.80 7.49 3.08 RM3773—RM3123 3.16 5.85 -5.37
结实率杂种优势Heterosis of spikelet fertility, HSF qHSF-2 qHSF-6 qHSF-7 qHSF-8
RM6247—RM71 4.40 5.98 -2.54 RM6302—RM3330 5.28 7.60 2.89 RM2—RM320 4.64 4.57 7.75 8.72 2.93 -2.65 RM5911—RM337 3.34 5.25 2.21
千粒重杂种优势Heterosis of 1000 grain weight, HTGWT qHTGWT-3
1)1)
RM6283—RM7370 5.66 3.17 9.18 5.54 -0.32 0.29
相应QTL所能解释的群体表型方差比例；2)加性效应：指一个父本等位基因取代母本等位基因所产生的遗传效应
The proportion of phenotypic variance explained by the given QTL; 2)Additive effect: The genetic effect when a maternal allele is replaced by a paternal allele
联合贡献率分别为25.6%和23.7%。其加性效应从-7.05—6.10，其中qHTNSP-10-2效应表现为负值，其余6个表现为正值。两地试验检测到1个共同QTL，即qHTNSP-7，加性效应表现为正值。
在HN07F和ZJ06F试验中分别检测到控制每穗实粒数杂种优势的3个和2个QTL，分布在第6、7、10染色体上，单个QTL贡献率在3.93%—12.85%，其联合贡献率分别为26.5%和9.8%。其加性效应从-5.52—7.87。两地试验中检测到的QTL效应方向刚好
相反。两地试验中均检测到1个共同QTL，即qHNFGP-7，位于第7染色体RM180—RM2，其加性效应在HN07F中表现为正值，贡献率达到12.85%；而在ZJ06F中表现为负值。
在HN07F和ZJ06F试验中分别检测到控制结实率杂种优势的3个和2个QTL，分布在第2、6、7、8染色体上，单个QTL贡献率在5.25%—8.72%，其联合贡献率分别为19.5%和14.0%。其加性效应从-2.65—2.93，3个为正值，2个为负值。检测到1个共
4988 中 国 农 业 科 学 43卷
同QTL，位于第7染色体RM2—RM320，加性效应在HN07F中表现为正值，而在ZJ06F中表现为负值。
在HN07F和ZJ06F试验中检测到控制千粒重杂种优势的1个共同QTL，位于第3染色体RM6283—RM7370，两地试验中其贡献率分别为9.18%和5.54%，其加性效应在HN07F中表现为负值，而在ZJ06F中表现为正值。
总体来看，在检测到的20个杂种优势QTL中，有5个在两地试验中均被检测到，如：qHNP-3、qHTNSP-7、qHNFGP-7、qHSF-7和qHTGWT-3，占QTL总数的25%。检测到的QTL主要分布在第3、6、7、10染色体上的几个重要区间（图）。
3 讨论
3.1 关于产量性状杂种优势
本研究通过利用RIL群体构建BC1群体，在海南和浙江两地进行试验，发现6个产量性状杂种优势都有较大的双向超亲分离，大多数产量性状都表现出了较强的杂种优势。如杂种的穗粒数、粒重增加；但穗数的杂种优势不明显，结实率的杂种优势在两地试验中表现不一。本研究中穗数未表现杂种优势可能与抽穗期表现较强的负向杂种优势有关，与RIL纯合子群体相比，BC1杂合子群体在田间表现为抽穗期大大缩短，在两地试验中平均提早近4—10 d。尽管生育期明显缩短，但大多数产量性状表现出较强的杂种优势，从而综合形成了单株产量杂种优势。 3.2 QTL定位结果比较与探讨
在以往对产量性状的QTL研究中，往往以RIL群体、DH群体等为材料[12-19]。Xiao等[6]、Yu等[7]、Hua等[9]则在纯系群体基础上构建了BC1、永久F2等群体，开展了基于QTL定位分析的杂种优势机理研究。但总体上看对杂种优势进行QTL研究的报道还是很少。本研究尝试利用BC1杂种群体，以中亲优势值表示杂种优势进行杂种优势的QTL定位，获得了较好结果，检测到控制6个产量性状的共20个杂种优势QTL，其中5个（25%）在两地试验中均被检测到，表明其稳定性较好。
与前人的研究相比，本研究在第6染色体RM3330附近分别检测到了控制每穗总粒数、每穗实粒数、结实率和单株产量杂种优势的QTL，Zhuang等[19]和沈希宏等[20]利用RIL群体也在此区间内检测到控制每穗总粒数和每穗实粒数的QTL。第7染色体RM180附近检测到单株穗数、每穗总粒数、每穗实粒数和单株
产量杂种优势的QTL，曹立勇等[12]、刑永忠等[16]、沈希宏等[20]、Xiao等[6]则利用RIL和BC1群体在此标记附近也分别检测到了控制每穗总粒数的QTL；在此区间内，Ghd7已克隆，研究结果表明，Ghd7同时控制生育期、株高和穗大小[21]。第3染色体RM6283附近检测到控制粒重杂种优势的QTL与Yu等[7]和Hua等[9]检测到的gw3和gw3a之间存在重叠区域；第3染色体RM168—RM143检测到控制穗数杂种优势的QTL与笔者利用RIL群体时检测到的qNP-3[20]位置接近，稳定性好，加性效应较大，效应方向也一致，前人未见报道，可以考虑进一步深入研究。Hua等[9]研究认为杂种优势QTL与RIL群体中QTL重叠很少，杂种优势主要来自不同于纯系的杂种效应位点，但本研究通过构建BC1群体检测到控制产量性状杂种优势的20个QTL中，其中13个在RIL群体中也被检测到[20]，重叠程度较大（65%）。因此，笔者认为，杂种优势固然是由很多互作引起，但纯系产量性状本身的加性效应也起着很大作用。
本研究在几个重要区间同时定位到了多个产量性状杂种优势QTL，如在第6染色体RM6302—RM3330同时检测到控制3个穗部性状杂种优势的QTL，在第7染色体RM180—RM2检测到控制单株产量、穗数、穗粒数杂种优势的QTL，在第10染色体RM271—RM6704检测到控制单株产量和穗粒数杂种优势的QTL。这种广泛存在的一因多效与大多数QTL研究结果类似[6-9,12-20]。值得注意的是，本研究中第6染色体RM6302—RM3330检测到的3个杂种优势QTL、第10染色体RM271—RM6704检测到的3个杂种优势QTL，都只在海南环境下检测到，而在杭州环境下却一个也未检测到。究其原因，可能除了产量性状之间自身相关性较高外，环境对杂种优势QTL的表达有很大的影响，在海南环境下BC1群体部分株系表现感光，生育期缩短[10]，导致了产量性状杂种优势的表型差异，也导致了检测的部分QTL效应方向不同。
4 结论
4.1 利用BC1杂种群体在两地试验中共检测到20个控制水稻产量性状杂种优势的QTL，其中5个在两地试验中稳定检测到，如：qHNP-3、qHTNSP-7、qHNFGP-7、qHSF-7和qHTGWT-3；其中qHNP-3表达稳定，效应值较大，未见他人报道，可考虑进行深入研究。
4.2 利用QTL定位结果解释了水稻杂种优势产生的
24期 陈深广等：水稻产量性状杂种优势的QTL定位 4989
可能分子机理，认为来自纯系产量性状本身的加性效应对杂种优势产生具有重要贡献。
References
[1] 程式华, 庄杰云, 曹立勇, 陈深广, 彭应财, 樊叶杨, 占小登, 郑康
乐. 超级杂交稻分子育种研究. 中国水稻科学, 2004, 18(5): 377-383.
Cheng S H, Zhuang J Y, Cao L Y, Chen S G, Peng Y C, Fan Y Y, Zhan X D, Zheng K L. Mocular breeding for super rice hybrids. Chinese Journal of Rice Science, 2004, 18(5): 377-383. (in Chinese)
[2] Cheng S H, Cao L Y, Zhuang J Y, Chen S G, Zhan X D, Fan Y Y,
Zhu D F, Min S K. Super hybrid rice breeding in China: Achievements and prospects. Journal of Integrative Plant Biology, 2007, 49(6): 805-810.
[3] Bruce A B. The Mendelian theory of heredity and augmentation of
vigor. Science, 1910, 32: 627-628.
[4] Shull G H. The composition of a field of maize. The Journal of
Heredity, 1908, 4: 296-301.
[5] Stuber C W, Lincoln S E, Wolff D W, Helentjaris T, Lander E S.
Identification of genetic factors contributing to heterosis in a hybrid from two elite maize inbred lines using molecular markers. Genetics, 1992, 132: 823-839.
[6] Xiao J H, Li J M, Yuan L P, Tanksley S D. Dominance is the major
genetic basis in rice as revealed by QTL analysis using molecular markers. Genetics, 1995, 140(2): 745-754.
[7] Yu S B, Li J X, Xu C G, Tan Y F, Gao Y J, Li X H, Zhang Q F,
Saghai-Maroof M A. Importance of epistasis as the genetic basis of heterosis in an elite rice hybrid. Proceedings of the National Academy of Scinces of the USA, 1997, 94(17): 9226-9231.
[8] Zhuang J Y, Fan Y Y, Rao Z M, Wu J L Xia Y W, Zheng K L. Analysis
on additive effects and additive-by-additive epistatic effects of QTLs for yield traits in a recombinant inbred line population of rice. Theoretical and Applied Genetics, 2002, 105: 1137-1145.
[9] Hua J P, Xing Y Z, Wu W R, Xu C G, Sun X L, Yu S B, Zhang Q F.
Single-locus heterotic effects and dominance by dominance interactiongs can adequately explain the genetic basis of heterosis in an elite rice hybrid. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 2003, 100(5): 2574-2579.
[10] 沈希宏, 陈深广, 曹立勇, 占小登, 陈代波, 吴伟明, 程式华. 超级
杂交稻协优9308重组自交系的分子遗传图谱构建. 分子植物育种, 2008, 6(5): 861-866.
Shen X H, Chen S G, Cao L Y, Zhan X D, Chen D B, Wu W M, Cheng S H. Construction of genetic linkage map based on a RIL
population derived from super hybrid rice, XY9308. Molecular Plant Breeding, 2008, 6(5): 861-866. (in Chinese)
[11] Wang S, Basten C J, Zeng Z B. Windows QTL Cartographer 2.5.
Raleigh, USA: Department of Statistics, North Carolina State University, 2006. http://statgen.ncsu.edu/qtlcart/WQTLCart.htm. [12] 曹立勇, 占小登, 庄杰云, 郑康乐, 程式华. 水稻产量性状的QTL
定位与上位性分析. 中国农业科学, 2003, 36(11): 1241-1247. Cao L Y, Zhan X D, Zhuang J Y, Zheng K L, Cheng S H. QTL mapping and epistasis analysis for yield components in a RIL population of rice (Oryza sativa L.). Scientia Agricultura Sinica, 2003, 36(11): 1241-1247. (in Chinese)
[13] 郭龙彪, 罗利军, 邢永忠, 徐才国, 梅捍卫, 王一平, 钟代彬, 钱
前, 应存山, 石春海. 水稻重要农艺性状的两年QTL剖析. 中国水稻科学, 2003, 17(3): 211-218.
Guo L B, Luo L J, Xing Y Z, Xu C G, Mei H W, Wang Y P, Zhong D B, Qian Q, Ying C S, Shi C H. Dissection of QTLs in two years for important agronomic traits in rice (Oryza sativa L.). Chinese Journal of Rice Science, 2003, 17(3): 211-218. (in Chinese)
[14] McCouch S R, Cho Y G, Yano M, Paul E, Blinstrub M, Morishima H,
Kinosita T. Report on QTL nomenclature. Rice Genetics Newsletters, 1997, 14: 11-13.
[15] Song X J, Huang W, Shi M, Zhu M Z, Lin H X. A QTL for rice grain
width and weight encodes a previously unknown RING-type E3 ubiquitin ligase. Nature Genetics, 2007, 39(5): 623-630.
[16] 邢永忠, 徐才国, 华金平, 谈移芳. 水稻穗部性状的QTL与环境互
作分析. 遗传学报, 2001, 28(5): 439-446.
Xing Y Z, Xu C G, Hua J P, Tan Y F. Analysis of QTL × environment interaction for rice panicle characteristics. Acta Genetica Sinica, 2001, 28(5): 439-446. (in Chinese)
[17] 许 凌, 张亚东, 朱 镇, 赵 凌, 赵庆勇, 张巧凤, 王才林. 不同
年份水稻产量性状的QTL分析. 中国水稻科学, 2008, 22(4): 370-376.
Xu L, Zhang Y D, Zhu Z, Zhao L, Zhao Q Y, Zhang Q F, Wang C L. Dissection of QTLs in two years for yield componment traits in rice (Oryza sativa). Chinese Journal of Rice Science, 2008, 22(4): 370-376. (in Chinese)
[18] Yoon D B, Kang K H, Kim H J, Ju H G, Kwon S J, Suh J P, Jeong O Y,
Ahn S N. Mapping quantitative trait loci for yield components and morphological traits in an advanced backcross population between Oryza grandiglumis and the O. sativa japonica cultivar Hwaseongbyeo. Theoretical and Applied Genetics, 2006, 112(6): 1052-1062.
[19] Zhuang J Y, Lin H X, Lu J, Qian H R, Hittalmani S, Huang N, Zheng
4990 中 国 农 业 科 学 43卷
K L. Analysis of QTL×environment interaction for yield components and plant height in rice. Theoretical and Applied Genetics, 1997, 95: 799-808.
[20] 沈希宏, 曹立勇, 陈深广, 占小登, 吴伟明, 程式华. 超级杂交稻
协优9308不同年份不同地点穗部性状的QTL分析. 中国水稻科学, 2009, 23(4): 354-362.
Shen X H, Cao L Y, Chen S G, Zhan X D, Wu W M, Cheng S H. Dissection of QTLs for panicle traits in recombinant inbred lines
derived from super hybrid rice, Xieyou 9308. Chinese Journal of Rice Science, 2009, 23(4): 354-362. (in Chinese)
[21] Xue W Y, Xing Y Z, Weng X Y, Zhao Y, Tang W J, Wang L, Zhou H
J, Yu S B, Xu C G, Li X H, Zhang Q F. Natural variation in Ghd7 is an important regulator of heading date and yield potential in rice. Nature Genetics, 2008, 40: 761-767.
（责任编辑 李 莉）
中国农业科学 2010,43(24):4983-4990 Scientia Agricultura Sinica doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2010.24.001
水稻产量性状杂种优势的QTL定位
陈深广，沈希宏，曹立勇，占小登，冯 跃，吴伟明，程式华
（中国水稻研究所，杭州 310006）
摘要：【目的】利用QTL定位方法检测水稻产量性状杂种优势QTL，并解释杂种优势产生的可能分子机理。【方法】利用重组自交系与亲本协青早B构建BC1杂种群体，通过两地重复试验，以中亲优势考察6个产量性状的杂种优势表型，利用Windows QTL Cartographer 2.5的复合区间作图法检测其QTL。【结果】多数产量性状均表现出较强的杂种优势。在两地试验中，共检测到20个产量性状杂种优势QTL，分布在水稻第2、3、6、7、8、10等6条染色体上，包括3个控制单株产量杂种优势的QTL、2个控制单株穗数杂种优势的QTL、6个控制每穗总粒数杂种优势的QTL、4个控制每穗实粒数杂种优势的QTL、4个控制结实率杂种优势的QTL和1个控制千粒重杂种优势的QTL。单个QTL对群体性状表型变异的贡献率为4.90%—12.85%。【结论】检测到控制6个产量性状杂种优势的20个QTL，其中qHNP-3、qHTNSP-7、qHNFGP-7、qHSF-7、qHTGWT-3 5个QTL在两地试验中稳定表达；检测到的20个杂种优势QTL中，有13个与在RIL群体中检测到的QTL重叠，重叠率达65%，因此，认为来自纯系的产量性状加性效应对杂种优势产生具有重要贡献。
关键词：水稻；产量性状；杂种优势；QTL；回交群体（BC1）
QTL Mapping for Heterosis of Yield Traits in Rice
CHEN Shen-guang, SHEN Xi-hong, CAO Li-yong, ZHAN Xiao-deng, FENG Yue,
WU Wei-ming, CHENG Shi-hua
(China National Rice Research Institute, Hangzhou 310006)
Abstract: 【Objective】 In experiments, the heterosis QTL for yield traits was detected and the genetic basis of heterosis in rice was studied by method of QTL mapping. 【Method】 A backcross (BC1) population derived from XQZB/RILs was developed to observe the heterosis of six yield traits in two location trials. QTLs for six yield traits were determined using Windows QTL Cartographer 2.5 with composite interval mapping. 【Result】 Heterosis of majority yield traits were stronger. As the results indicated, a total of 20 significant heterosis QTLs for six yield traits were detected distributing on rice chromosomes 2, 3, 6, 7, 8, and 10, including three heterosis QTLs for grain yield (GYD) per plant, two heterosis QTLs for number of panicle (NP) per plant, six heterosis QTLs for total number of spikelet per panicle (TNSP), four heterosis QTLs for number of filled grain per panicle (NFGP), four heterosis QTLs for spikelet fertility (SF) and one heterosis QTL for 1000-grain weight (TGWT), respectively. The phenotypic variance explained by a single heterosis QTL ranged from 4.90% to 12.85%. 【Conclusion】 A total of 20 significant heterosis QTLs for six yield traits were detected and five heterosis QTLs among them were stable expression in two trials, included qHNP-3, qHTNSP-7, qHNFGPH-7, qHSF-7, qHTGWT-3. In the checked 20 heterosis QTLs, 13 of them were also checked in the RIL population, the degree of overlap were bigger up to 65%. It is suggested that additive effects also play an important role for yield heterosis.
Key words: rice (Oryza sativa L.); yield traits; heterosis; quantitative trait locus (QTL); backcross population (BC1)
0 引言
【研究意义】中国于1973年在世界上率先实现了
水稻杂种优势的生产应用，使水稻单产在矮秆良种的基础上提高20%左右。目前，中国超级稻育种先后实现了第一、第二阶段目标，然而，要实现第三阶段“百
收稿日期：2010-05-24；接受日期：2010-08-24
基金项目：农业部超级稻专项、浙江省“8812”计划项目（2007C12901）、国家公益性行业（农业）科研专项（nyhyzx07-001）
作者简介：陈深广，副研究员。E-mail：[email protected]。沈希宏，副研究员，博士。陈深广和沈希宏为同等贡献作者。通信作者程式华，研究员，
博士。Tel：0571-63370188；E-mail：[email protected]
4984 中 国 农 业 科 学 43卷
亩片单产13.5 t·hm-2以上”的产量水平目标，需要对超级杂交稻的杂种优势在分子水平上有一个全面而深入的认识[1-2]。开展杂种优势QTL定位研究有望揭示产量性状杂种优势的数量遗传基础。【前人研究进展】20世纪初，Bruce[3]和Shull[4]分别提出显性假说和超显性假说来解释杂种优势机理。Stuber等[5]利用RFLP分子标记对玉米杂种优势的遗传基础进行了分析，发现玉米中决定产量的数量性状杂种优势与位点杂合性呈正相关（相关系数为0.68），认为超显性效应是杂种优势的重要遗传基础。Xiao等[6]用RFLP标记进行水稻数量性状杂种优势遗传基础研究，认为水稻杂种优势主要决定于亲本基因的显性互补。Yu等[7]利用包含150个标记的分子连锁图，以汕优63为材料研究优良杂交水稻的杂种优势机理，发现双基因互作现象普遍存在，认为上位性效应在杂种优势形成中起决定性作用。Zhuang等[8]进一步考虑了遗传背景的影响，指出基于杂合型遗传背景的超显性效应是水稻杂种优势的重要遗传基础。Hua等[9]利用永久F2群体检测到4个产量性状的33个杂种优势效应位点，这些杂种优势QTL与RIL群体中检测到的QTL只存在少量重叠，同时也发现大量的双基因互作，认为单位点水平上的杂种优势效应，加上双位点水平上的加性-加性互作是杂种优势的遗传基础。【本研究切入点】尽管一些学者对水稻杂种优势机理进行了一些研究，但是其分子机理尚不明确。【拟解决的关键问题】本研究以超级杂交稻协优9308的RIL群体与亲本之一协青早A的保持系协青早B回交构建BC1群体为材料，检测6个产量性状的杂种优势QTL，分析其遗传效应，确定与杂种优势基因紧密连锁的分子标记，为精细定位和克隆杂种优势基因及借助分子标记辅助选择累加杂种优势基因培育强优势杂交组合提供技术支持。
1 材料与方法
1.1 BC1群体构建和性状考察
以协青早B为母本，与超级杂交稻协优9308的281个RIL杂交配制BC1群体于2006年夏种植于浙江杭州中国水稻研究所实验基地（以下简称ZJ06F），5月25日播种；2007年春重新配制BC1群体，种植于海南陵水（以下简称HN07F），12月5日播种。两地试验均设3个重复，每个重复种植9株，株行距20 cm×23 cm，田间记载抽穗期和株高，成熟时分别按株系混收中间5株进行考种。试验肥水管理、防治病虫等同一般大田生产。考察的产量性状及计算方法如
下：
单株产量（grain yield per plant，GYD）：全部实粒称重/5（g）；单株穗数（number of panicle per plant，NP）：每穗结实数超过5粒的总穗数/5（个）；每穗总粒数（total number of spikelet panicle，TNSP）：总颖花数/总穗数（粒）；每穗实粒数（number of filled grain per panicle，NFGP）：总实粒数/总穗数（粒）；结实率（spikelet fertility，SF）：总实粒数/总颖花数（%）；千粒重（1 000-grain weight，TGWT）：2个500粒饱满种子称重相加（g）。以3个重复的均值为基础进行数据分析。以中亲优势作为杂种优势[9]H=F1-（P1+P2）/2（H：杂种优势；F1：杂种性状值；P1、P2：杂种的2个亲本性状值）。 1.2 分子遗传连锁图谱的构建
所用遗传图谱由中国水稻研究所分子育种实验室利用超级杂交稻协优9308重组自交系构建，构建的分子遗传图谱共包含163个SSR标记座位，共覆盖水稻基因组1 578.9 cM，覆盖率为87.5%，标记间平均图距为9.69 cM，分布较均匀[10]。 1.3 QTL定位
采用Windows QTL Cartographer 2.5软件[11]进行QTL分析，应用复合区间作图法（CIM）以LOD=3.0（LR=13.8）为阈值，检测QTL，估算QTL的加性效应和可解释表型变异量。扫描区间为1.0 cM，以“Model 6：Standard Model”进行背景控制，应用正反向回归法、以P=0.01为阈值。用多元复合区间法（MIM）校正QTL的位置和效应。
2 结果
2.1 杂种优势表型分析
基于RIL群体的BC1杂种群体在海南（HN07F）和浙江（ZJ06F）两地试验中，6个产量性状杂种优势均有较大的双向超亲分离，变异连续且均呈正态分布，表现出数量性状的特点。每个性状不是所有杂交组合都表现出杂种优势，都存在负杂种优势个体。从群体的平均值看（表1），大多数产量性状都表现出了较强的平均杂种优势，如单株产量、每穗总粒数、每穗实粒数和千粒重，杂合使穗粒数增加、千粒重增加。单株穗数的杂种优势不明显；结实率的杂种优势在两地试验中表现不一，在HN07F试验中结实率降低，而在ZJ06F试验中增高。除结实率、千粒重性状在HN07F试验中的表型外，其它各性状表型的峰度和偏度均小于1，基本符合正态分布。
24期 陈深广等：水稻产量性状杂种优势的QTL定位 4985
表1 BC1群体产量性状杂种优势的表型值
Table 1 Descriptive statistics of heterosis of yield traits in the BC1 population
产量性状杂种优势 Heterosis of yield traits
试验 Trial
平均值±标准差 Mean ± SD
范围 Range
-12.30—17.60 (-58.16%—83.22%) -6.91—28.74 (-38.47%—160.02%) -3.83—6.18 (-39.28%—83.90%) -4.42—5.07 (-46.92%—53.82%) -37.72—54.96 (-35.84%—52.22%) -60.17—96.71 (-50.95%—81.90%) -50.32—67.88 (-62.03%—83.68%) -39.72—84.55 (-47.31%—100.71%) -31.57—23.58 (-40.58%—30.31%) -22.66—29.56 (-32.02%—41.78%) -2.52—3.63 (-11.04%—15.91%) -3.95—5.23 (-15.17%—20.08%)
峰度 Kurtosis 0.55 0.48 0.72 0.05 -0.16 -0.19 -0.41 0.19 -0.33 1.57 -0.01 1.36
偏度 Skewness 0.45 0.12 0.75 -0.06 0.05 0.19 0.14 0.15 -0.01 -0.81 -0.12 -0.15
单株产量GYD(g) HN07F 0.20±5.14 (0.95%±24.30%)
ZJ06F
8.33±5.64 (46.38%±31.40%)
单株穗数NP HN07F -0.10±1.65 (-1.03%±16.92%)
ZJ06F
0.25±1.65 (2.62%±17.52%)
每穗总粒数TNSP HN07F 7.35±17.73 (6.98%±16.85%)
ZJ06F
12.33±27.59 (10.44%±23.36%)
每穗实粒数NFGP HN07F 4.60±21.96 (5.67%±27.07%)
ZJ06F
22.62±21.50 (26.94%±25.61%)
结实率SF(%) HN07F -3.18±10.54 (-4.09%±13.55%)
ZJ06F
12.18±8.24 (17.21%±11.64%)
千粒重TGWT(g) HN07F 0.83±1.04 (3.64%±4.56%)
ZJ06F
1.46±1.20 (5.61%±4.61%)
简单相关性分析（表2）表明，单株产量杂种优势与其每穗粒数、结实率杂种优势之间的相关程度较高，与单株穗数和千粒重杂种优势的相关程度较低。每穗总粒数、每穗实粒数、结实率等穗部性状之间的杂种优势相关性最高；单株穗数与穗部性状杂种优势之间均呈显著负相关。不同试验中相关性存在差异，如单株产量与千粒重的杂种优势在HN07F试验中不相关，而在ZJ06F试验中检测到显著相关。结实率杂种优势与单株穗数、每穗总粒数杂种优势之间的相关性在两地试验中表现相反，这可能与两地光温环境相差较大有关，在ZJ06F试验中夏季极端高温影响结实率，而在HN07F试验中生长前期低温影响分蘖发生，抽穗期连续低温也引起结实率表型异常。 2.2 杂种优势QTL定位
表2 BC1群体产量性状杂种优势的相关性
Table 2 Correlation of heterosis of yield traits in the BC1 population
产量性状杂种优势 Heterosis of yield traits
试验 Trial
单株穗数 NP
每穗总粒数 TNSP 0.64** 0.40**
每穗实粒数 NFGP 0.71** 0.62**
结实率 SF 0.61** 0.40** -0.45** 0.16*
千粒重 TGWT 0.02 0.23** -0.03 -0.03 -0.08 -0.03
用CIM方法对两地试验6个产量性状杂种优势进行QTL定位分析，以LOD=3.0为阈值，在HN07F和ZJ06F试验中共检测到20个QTL（表3，图），分别包括控制单株产量、单株穗数、每穗总粒数、每穗实粒数、结实率、千粒重杂种优势的3、2、6、4、4、1个QTL。这些QTL分布在水稻第2、3、6、7、8、10等6条染色体上（图）。
在HN07F试验中检测到控制单株产量杂种优势的3个QTL，分布在第6、7、10染色体上，单个QTL贡献率在5.46%—7.70%，联合贡献率为17.1%。其加性效应均表现为正值，效应值在1.29—1.40，表明杂合子和父本纯合型的效应优于母本（协青早B，下同）纯合型。
在HN07F和ZJ06F试验中分别检测到控制单株
单株产量GYD HN07F 0.16*
ZJ06F
0.49**
单株穗数NP HN07F -0.38** -0.46**
ZJ06F
每穗总粒数TNSP HN07F
ZJ06F
每穗实粒数NFGP HN07F
ZJ06F
-0.32**
-0.23**
0.89** 0.55**
0.85**
-0.23**
0.86** -0.07
0.28**
0.05
结实率SF HN07F -0.07
ZJ06F
*和**分别表示相关系数达到P=0.05和P=0.01的显著水平 * and ** indicate the significance at P=0.05 and P=0.01 levels, respectively
0.15*
4986 中 国 农 业 科 学 43卷
空心表示在一地试验中检测到；实心表示在两地试验中均检测到
White symbol indicates QTL detected under one trial; Black symbol indicates QTL detected under both two trials
图 QTL在连锁图上的分布
Fig. Distribution of QTL on the molecular linkage map
穗数杂种优势的2个和1个QTL，分布在第3、7染色体上，单个QTL贡献率在6.90%—8.17%，联合贡献率为22.9%。其加性效应均表现为负值，效应值在-0.40—-0.51，表明杂合子和父本纯合型的效应差于母
本纯合型。其中qHNP-3在两地试验中均被检测到。
在HN07F和ZJ06F试验中分别检测到控制每穗总粒数杂种优势的3个和4个QTL，分布在第2、6、7、10染色体上，单个QTL贡献率在4.90%—11.17%，
24期 陈深广等：水稻产量性状杂种优势的QTL定位 4987
表3 BC1群体中检测到的产量性状杂种优势QTL
Table 3 QTLs for heterosis of yield traits detected in the BC1 population
QTL
区间 Interval
LOD H2(%)1)
HN07F ZJ06F
A2)
HN07F ZJ06F HN07F ZJ06F
单株产量杂种优势Heterosis of grain yield per plant, HGYD qHGYD-6 qHGYD-7 qHGYD-10
RM3330—RM564 4.54 7.11 1.39 RM180—RM2 4.75 7.70 1.42 RM271—RM6704 3.34 5.46 1.29
单株穗数杂种优势Heterosis of number of panicle per plant, HNP qHNP-3 qHNP-7
RM168—RM143 4.69 3.96 7.84 6.90 -0.45 -0.40 RM180—RM2 4.84 8.17 -0.51
每穗总粒数杂种优势Heterosis of total number of spikelet panicle, HTNSP qHTNSP-2 qHTNSP-6-1 qHTNSP-6-2 qHTNSP-7 qHTNSP-10-1 qHTNSP-10-2
RM6247—RM71 4.16 5.91 6.01 RM587—RM510 3.64 5.17 5.82 RM6302—RM3330 4.93 7.63 4.95 RM180—RM2 7.59 4.22 11.17 5.98 5.90 6.10 RM271—RM6704 3.39 4.90 5.22 RM3773—RM3123 3.93 7.57 -7.05
每穗实粒数杂种优势Heterosis of number of filled grain per panicle, HNFGP qHNFGP-6 qHNFGP-7 qHNFGP-10-1 qHNFGP-10-2
RM6302—RM3330 6.93 10.33 7.03 RM180—RM2 8.48 3.14 12.85 5.70 7.87 -5.52 RM271—RM6704 4.80 7.49 3.08 RM3773—RM3123 3.16 5.85 -5.37
结实率杂种优势Heterosis of spikelet fertility, HSF qHSF-2 qHSF-6 qHSF-7 qHSF-8
RM6247—RM71 4.40 5.98 -2.54 RM6302—RM3330 5.28 7.60 2.89 RM2—RM320 4.64 4.57 7.75 8.72 2.93 -2.65 RM5911—RM337 3.34 5.25 2.21
千粒重杂种优势Heterosis of 1000 grain weight, HTGWT qHTGWT-3
1)1)
RM6283—RM7370 5.66 3.17 9.18 5.54 -0.32 0.29
相应QTL所能解释的群体表型方差比例；2)加性效应：指一个父本等位基因取代母本等位基因所产生的遗传效应
The proportion of phenotypic variance explained by the given QTL; 2)Additive effect: The genetic effect when a maternal allele is replaced by a paternal allele
联合贡献率分别为25.6%和23.7%。其加性效应从-7.05—6.10，其中qHTNSP-10-2效应表现为负值，其余6个表现为正值。两地试验检测到1个共同QTL，即qHTNSP-7，加性效应表现为正值。
在HN07F和ZJ06F试验中分别检测到控制每穗实粒数杂种优势的3个和2个QTL，分布在第6、7、10染色体上，单个QTL贡献率在3.93%—12.85%，其联合贡献率分别为26.5%和9.8%。其加性效应从-5.52—7.87。两地试验中检测到的QTL效应方向刚好
相反。两地试验中均检测到1个共同QTL，即qHNFGP-7，位于第7染色体RM180—RM2，其加性效应在HN07F中表现为正值，贡献率达到12.85%；而在ZJ06F中表现为负值。
在HN07F和ZJ06F试验中分别检测到控制结实率杂种优势的3个和2个QTL，分布在第2、6、7、8染色体上，单个QTL贡献率在5.25%—8.72%，其联合贡献率分别为19.5%和14.0%。其加性效应从-2.65—2.93，3个为正值，2个为负值。检测到1个共
4988 中 国 农 业 科 学 43卷
同QTL，位于第7染色体RM2—RM320，加性效应在HN07F中表现为正值，而在ZJ06F中表现为负值。
在HN07F和ZJ06F试验中检测到控制千粒重杂种优势的1个共同QTL，位于第3染色体RM6283—RM7370，两地试验中其贡献率分别为9.18%和5.54%，其加性效应在HN07F中表现为负值，而在ZJ06F中表现为正值。
总体来看，在检测到的20个杂种优势QTL中，有5个在两地试验中均被检测到，如：qHNP-3、qHTNSP-7、qHNFGP-7、qHSF-7和qHTGWT-3，占QTL总数的25%。检测到的QTL主要分布在第3、6、7、10染色体上的几个重要区间（图）。
3 讨论
3.1 关于产量性状杂种优势
本研究通过利用RIL群体构建BC1群体，在海南和浙江两地进行试验，发现6个产量性状杂种优势都有较大的双向超亲分离，大多数产量性状都表现出了较强的杂种优势。如杂种的穗粒数、粒重增加；但穗数的杂种优势不明显，结实率的杂种优势在两地试验中表现不一。本研究中穗数未表现杂种优势可能与抽穗期表现较强的负向杂种优势有关，与RIL纯合子群体相比，BC1杂合子群体在田间表现为抽穗期大大缩短，在两地试验中平均提早近4—10 d。尽管生育期明显缩短，但大多数产量性状表现出较强的杂种优势，从而综合形成了单株产量杂种优势。 3.2 QTL定位结果比较与探讨
在以往对产量性状的QTL研究中，往往以RIL群体、DH群体等为材料[12-19]。Xiao等[6]、Yu等[7]、Hua等[9]则在纯系群体基础上构建了BC1、永久F2等群体，开展了基于QTL定位分析的杂种优势机理研究。但总体上看对杂种优势进行QTL研究的报道还是很少。本研究尝试利用BC1杂种群体，以中亲优势值表示杂种优势进行杂种优势的QTL定位，获得了较好结果，检测到控制6个产量性状的共20个杂种优势QTL，其中5个（25%）在两地试验中均被检测到，表明其稳定性较好。
与前人的研究相比，本研究在第6染色体RM3330附近分别检测到了控制每穗总粒数、每穗实粒数、结实率和单株产量杂种优势的QTL，Zhuang等[19]和沈希宏等[20]利用RIL群体也在此区间内检测到控制每穗总粒数和每穗实粒数的QTL。第7染色体RM180附近检测到单株穗数、每穗总粒数、每穗实粒数和单株
产量杂种优势的QTL，曹立勇等[12]、刑永忠等[16]、沈希宏等[20]、Xiao等[6]则利用RIL和BC1群体在此标记附近也分别检测到了控制每穗总粒数的QTL；在此区间内，Ghd7已克隆，研究结果表明，Ghd7同时控制生育期、株高和穗大小[21]。第3染色体RM6283附近检测到控制粒重杂种优势的QTL与Yu等[7]和Hua等[9]检测到的gw3和gw3a之间存在重叠区域；第3染色体RM168—RM143检测到控制穗数杂种优势的QTL与笔者利用RIL群体时检测到的qNP-3[20]位置接近，稳定性好，加性效应较大，效应方向也一致，前人未见报道，可以考虑进一步深入研究。Hua等[9]研究认为杂种优势QTL与RIL群体中QTL重叠很少，杂种优势主要来自不同于纯系的杂种效应位点，但本研究通过构建BC1群体检测到控制产量性状杂种优势的20个QTL中，其中13个在RIL群体中也被检测到[20]，重叠程度较大（65%）。因此，笔者认为，杂种优势固然是由很多互作引起，但纯系产量性状本身的加性效应也起着很大作用。
本研究在几个重要区间同时定位到了多个产量性状杂种优势QTL，如在第6染色体RM6302—RM3330同时检测到控制3个穗部性状杂种优势的QTL，在第7染色体RM180—RM2检测到控制单株产量、穗数、穗粒数杂种优势的QTL，在第10染色体RM271—RM6704检测到控制单株产量和穗粒数杂种优势的QTL。这种广泛存在的一因多效与大多数QTL研究结果类似[6-9,12-20]。值得注意的是，本研究中第6染色体RM6302—RM3330检测到的3个杂种优势QTL、第10染色体RM271—RM6704检测到的3个杂种优势QTL，都只在海南环境下检测到，而在杭州环境下却一个也未检测到。究其原因，可能除了产量性状之间自身相关性较高外，环境对杂种优势QTL的表达有很大的影响，在海南环境下BC1群体部分株系表现感光，生育期缩短[10]，导致了产量性状杂种优势的表型差异，也导致了检测的部分QTL效应方向不同。
4 结论
4.1 利用BC1杂种群体在两地试验中共检测到20个控制水稻产量性状杂种优势的QTL，其中5个在两地试验中稳定检测到，如：qHNP-3、qHTNSP-7、qHNFGP-7、qHSF-7和qHTGWT-3；其中qHNP-3表达稳定，效应值较大，未见他人报道，可考虑进行深入研究。
4.2 利用QTL定位结果解释了水稻杂种优势产生的
24期 陈深广等：水稻产量性状杂种优势的QTL定位 4989
可能分子机理，认为来自纯系产量性状本身的加性效应对杂种优势产生具有重要贡献。
References
[1] 程式华, 庄杰云, 曹立勇, 陈深广, 彭应财, 樊叶杨, 占小登, 郑康
乐. 超级杂交稻分子育种研究. 中国水稻科学, 2004, 18(5): 377-383.
Cheng S H, Zhuang J Y, Cao L Y, Chen S G, Peng Y C, Fan Y Y, Zhan X D, Zheng K L. Mocular breeding for super rice hybrids. Chinese Journal of Rice Science, 2004, 18(5): 377-383. (in Chinese)
[2] Cheng S H, Cao L Y, Zhuang J Y, Chen S G, Zhan X D, Fan Y Y,
Zhu D F, Min S K. Super hybrid rice breeding in China: Achievements and prospects. Journal of Integrative Plant Biology, 2007, 49(6): 805-810.
[3] Bruce A B. The Mendelian theory of heredity and augmentation of
vigor. Science, 1910, 32: 627-628.
[4] Shull G H. The composition of a field of maize. The Journal of
Heredity, 1908, 4: 296-301.
[5] Stuber C W, Lincoln S E, Wolff D W, Helentjaris T, Lander E S.
Identification of genetic factors contributing to heterosis in a hybrid from two elite maize inbred lines using molecular markers. Genetics, 1992, 132: 823-839.
[6] Xiao J H, Li J M, Yuan L P, Tanksley S D. Dominance is the major
genetic basis in rice as revealed by QTL analysis using molecular markers. Genetics, 1995, 140(2): 745-754.
[7] Yu S B, Li J X, Xu C G, Tan Y F, Gao Y J, Li X H, Zhang Q F,
Saghai-Maroof M A. Importance of epistasis as the genetic basis of heterosis in an elite rice hybrid. Proceedings of the National Academy of Scinces of the USA, 1997, 94(17): 9226-9231.
[8] Zhuang J Y, Fan Y Y, Rao Z M, Wu J L Xia Y W, Zheng K L. Analysis
on additive effects and additive-by-additive epistatic effects of QTLs for yield traits in a recombinant inbred line population of rice. Theoretical and Applied Genetics, 2002, 105: 1137-1145.
[9] Hua J P, Xing Y Z, Wu W R, Xu C G, Sun X L, Yu S B, Zhang Q F.
Single-locus heterotic effects and dominance by dominance interactiongs can adequately explain the genetic basis of heterosis in an elite rice hybrid. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 2003, 100(5): 2574-2579.
[10] 沈希宏, 陈深广, 曹立勇, 占小登, 陈代波, 吴伟明, 程式华. 超级
杂交稻协优9308重组自交系的分子遗传图谱构建. 分子植物育种, 2008, 6(5): 861-866.
Shen X H, Chen S G, Cao L Y, Zhan X D, Chen D B, Wu W M, Cheng S H. Construction of genetic linkage map based on a RIL
population derived from super hybrid rice, XY9308. Molecular Plant Breeding, 2008, 6(5): 861-866. (in Chinese)
[11] Wang S, Basten C J, Zeng Z B. Windows QTL Cartographer 2.5.
Raleigh, USA: Department of Statistics, North Carolina State University, 2006. http://statgen.ncsu.edu/qtlcart/WQTLCart.htm. [12] 曹立勇, 占小登, 庄杰云, 郑康乐, 程式华. 水稻产量性状的QTL
定位与上位性分析. 中国农业科学, 2003, 36(11): 1241-1247. Cao L Y, Zhan X D, Zhuang J Y, Zheng K L, Cheng S H. QTL mapping and epistasis analysis for yield components in a RIL population of rice (Oryza sativa L.). Scientia Agricultura Sinica, 2003, 36(11): 1241-1247. (in Chinese)
[13] 郭龙彪, 罗利军, 邢永忠, 徐才国, 梅捍卫, 王一平, 钟代彬, 钱
前, 应存山, 石春海. 水稻重要农艺性状的两年QTL剖析. 中国水稻科学, 2003, 17(3): 211-218.
Guo L B, Luo L J, Xing Y Z, Xu C G, Mei H W, Wang Y P, Zhong D B, Qian Q, Ying C S, Shi C H. Dissection of QTLs in two years for important agronomic traits in rice (Oryza sativa L.). Chinese Journal of Rice Science, 2003, 17(3): 211-218. (in Chinese)
[14] McCouch S R, Cho Y G, Yano M, Paul E, Blinstrub M, Morishima H,
Kinosita T. Report on QTL nomenclature. Rice Genetics Newsletters, 1997, 14: 11-13.
[15] Song X J, Huang W, Shi M, Zhu M Z, Lin H X. A QTL for rice grain
width and weight encodes a previously unknown RING-type E3 ubiquitin ligase. Nature Genetics, 2007, 39(5): 623-630.
[16] 邢永忠, 徐才国, 华金平, 谈移芳. 水稻穗部性状的QTL与环境互
作分析. 遗传学报, 2001, 28(5): 439-446.
Xing Y Z, Xu C G, Hua J P, Tan Y F. Analysis of QTL × environment interaction for rice panicle characteristics. Acta Genetica Sinica, 2001, 28(5): 439-446. (in Chinese)
[17] 许 凌, 张亚东, 朱 镇, 赵 凌, 赵庆勇, 张巧凤, 王才林. 不同
年份水稻产量性状的QTL分析. 中国水稻科学, 2008, 22(4): 370-376.
Xu L, Zhang Y D, Zhu Z, Zhao L, Zhao Q Y, Zhang Q F, Wang C L. Dissection of QTLs in two years for yield componment traits in rice (Oryza sativa). Chinese Journal of Rice Science, 2008, 22(4): 370-376. (in Chinese)
[18] Yoon D B, Kang K H, Kim H J, Ju H G, Kwon S J, Suh J P, Jeong O Y,
Ahn S N. Mapping quantitative trait loci for yield components and morphological traits in an advanced backcross population between Oryza grandiglumis and the O. sativa japonica cultivar Hwaseongbyeo. Theoretical and Applied Genetics, 2006, 112(6): 1052-1062.
[19] Zhuang J Y, Lin H X, Lu J, Qian H R, Hittalmani S, Huang N, Zheng
4990 中 国 农 业 科 学 43卷
K L. Analysis of QTL×environment interaction for yield components and plant height in rice. Theoretical and Applied Genetics, 1997, 95: 799-808.
[20] 沈希宏, 曹立勇, 陈深广, 占小登, 吴伟明, 程式华. 超级杂交稻
协优9308不同年份不同地点穗部性状的QTL分析. 中国水稻科学, 2009, 23(4): 354-362.
Shen X H, Cao L Y, Chen S G, Zhan X D, Wu W M, Cheng S H. Dissection of QTLs for panicle traits in recombinant inbred lines
derived from super hybrid rice, Xieyou 9308. Chinese Journal of Rice Science, 2009, 23(4): 354-362. (in Chinese)
[21] Xue W Y, Xing Y Z, Weng X Y, Zhao Y, Tang W J, Wang L, Zhou H
J, Yu S B, Xu C G, Li X H, Zhang Q F. Natural variation in Ghd7 is an important regulator of heading date and yield potential in rice. Nature Genetics, 2008, 40: 761-767.
（责任编辑 李 莉）