水稻光合色素含量的变异分析及QTL定位

胡超，刘玲，熊佳铭，袁红亮，于玉凤，王悦*

水稻光合色素含量的变异分析及QTL定位

胡超1，刘玲2，熊佳铭1，袁红亮1，于玉凤1，王悦1*

(1.湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128；2.湖南农业大学教育学院，湖南 长沙 410128)

以光合色素含量差异较大的籼稻RT和籼稻SC及其杂交衍生的RIL群体为材料，运用相关分析、主成分分析、聚类分析等方法对4个光合色素性状(叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a/b和总叶绿素)进行综合分析和QTL定位。相关性分析结果表明，4个光合色素性状间均呈极显著正相关，叶绿素a与总叶绿素含量的相关系数最高。主成分分析结果表明，对光合色素含量影响较大的性状有叶绿素a和总叶绿素含量。聚类分析结果表明，可将239个株系分为3大类群，第I类群、第II类群、第III类群的平均光合色素含量依次降低。运用复合区间作图法共检测到4个与控制光合色素性状相关的QTL，分布于水稻第4和第8染色体上，LOD值为2.01～3.14，表型贡献率的分布范围为4.52%～7.08%，加性效应均为正值，其中，在第8染色体RM6155至RM23446区间发现1个QTL簇，聚集了控制叶绿素a、叶绿素a/b和总叶绿素3个性状的QTL，该区间是影响光合色素性状的1个重要染色体区域，检测到的、、和可能为调控光合色素的新QTL位点。

水稻；光合色素；主成分分析；聚类分析；QTL定位

水稻产量主要来自于叶片光合作用的产物，其光合量占植株总量的90%以上[1]。叶片中的光合色素在光合作用的光吸收、传递和转换中起着关键作用，其含量高低直接决定植物光合能力的强弱。叶绿素含量是决定光合潜力和初级生产能力的重要因素[2–3]。彭志芸等[4]研究表明，在一定范围内，叶绿素含量与光合速率呈正相关。叶绿素a有利于吸收长波长光，叶绿素b有利于吸收短波长光，叶绿素a/b与光合器官的发育状态及光合活性相关。有研究[5]表明，栽培稻的总叶绿素含量和叶绿素a/b高于近缘野生稻，在饱和光强下，栽培稻的光合作用也较野生稻的强。栽培稻不同基因型的最大光合速率及叶绿素含量也存在显著差异[6]。

前人[7–9]研究发现，水稻光合色素含量的遗传机制相对复杂，受多个QTL调控，为典型的数量性状，同时存在显著的环境效应。研究人员对不同环境和不同生育时期的水稻总叶绿素相关性状进行了一系列的QTL定位研究，已经报道了618个与水稻光合色素相关的QTL，其中73个与叶绿素a含量相关，52个与叶绿素b含量相关，22个与叶绿素a/b比值相关，465个与总叶绿素含量相关，6个与类胡萝卜素含量相关[10]。ISHIMARU等[11]利用BC1F7群体，对叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a/b和总叶绿素含量进行QTL分析，共检测到12个相关QTL。JIANG等[12]利用5个不同作图群体，对抽穗期和抽穗期30 d后的叶绿素a、叶绿素b含量进行QTL分析，共检测到60个相关的QTL，分布在除第10染色体外的其余11条染色体上，LOD值为2.04～27.45，单个QTL解释的表型贡献率为2.59%～27.45%。阿加拉铁等[13]利用DH群体对水稻灌浆期4个不同阶段的叶绿素含量进行QTL分析，共检测到7个相关QTL，分布于第2、4、6和8染色体上，单个QTL解释的贡献率为8.6%～ 50.1%，在后期的剑叶中检测到和。HUANG等[14]利用DH群体对水稻上三叶的相对叶绿素含量进行QTL分析，在灌浆期共检测到61个相关QTL，单个QTL解释的表型贡献率为2.9%～26.9%。

前人对水稻光合色素的QTL定位研究多集中于相对叶绿素含量(SPAD)或总叶绿素含量性状，对于其他光合色素的定位研究相对较少，利用多元统计方法综合评价水稻光合色素性状的报道也较少。本研究中，利用RIL群体，对叶绿素a含量、叶绿素b含量、叶绿素a/b和总叶绿素含量等4个光合色素性状进行综合评价和QTL分析，旨在发掘一些新的、稳定的光合色素含量相关位点，为水稻光合色素含量的遗传改良提供育种材料。

1　材料与方法

1.1　材料

以籼型水稻重组自交系群体(F7)及其亲本为供试材料。该RIL群体以籼稻SC为母本，以籼稻RT为父本，二者杂交得到F1代；F1代植株套袋自交得到F2代；再采用单籽传法，衍生得到F7代。F7代RIL群体共包含239个株系。各代株系稻穗开花前均套袋自交，每年繁殖2代，分别在湖南长沙和海南三亚完成。

1.2　方法

2021年在湖南农业大学浏阳实习基地实验田种植RIL群体及其亲本。2021年5月1日播种，6月1日移栽，每个株系种植5行，每行5株，单本栽插，株行距为25 cm×25 cm。其他田间管理参照当地的生产田。

1.2.1性状调查

于分蘖期在每份材料中随机选取中间植株3～5片主茎倒二叶，以叶片中间部分为测定部位，在去除主叶脉后，将叶片剪成2～3 mm的细丝状小碎片，称取0.1～0.2 g，浸泡于10 mL 95%无水乙醇中，放置于4 °C冰箱中暗处理48 h。采用U–331型紫外分光光度计(日本日立公司出品)分别在649、665 nm波长下测定光合色素含量。每个株系测定3次，结果取平均值，参照方希林等[15]的方法计算各光合色素含量。

1.2.2数据分析

采用Excel 2016进行数据整理；运用SPSS 26.0进行数据分析；采用Origin 2021绘图。

1.2.3连锁图谱构建与QTL定位

利用Windows QTL Cartographer 2.5结合WANG等[16]建立的分子标记连锁图谱，检测光合色素含量相关QTL，并计算贡献率、加性效应等。QTL命名遵循MCCOUCH等[17]的原则，将LOD值超过2.0的位点作为得到的QTL结果。

2　结果与分析

2.1　水稻RIL群体及其亲本的光合色素含量表型变异分析

由表1可知，叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量和叶绿素a/b在2个亲本间均表现出明显差异。4个光合色素性状均表现出超亲分离现象，变异系数为12.74%～25.58%。其中，叶绿素a/b的变异系数最小，为12.74%；叶绿素a含量的变异系数最大，为25.58%；总叶绿素含量的分布范围最广，为1.69～6.33 mg/g。4个光合色素性状的偏度绝对值均小于1，叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量的峰度绝对值均大于1，叶绿素a/b的峰度绝对值小于1。4个光合色素性状的分布频率均表现为连续性变异的正态分布(图1)。上述结果表明叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量和叶绿素a/b均是受多基因调控的数量性状，符合QTL作图的要求。

表1　RIL群体及其亲本的表型变异

指标叶绿素a/b总叶绿素含量/(mg·g–1) RTSCRIL群体RTSCRIL群体 均值±标准差1.59±0.011.43±0.021.40±0.184.09±0.153.29±0.113.35±0.72 分布范围　　0.86～1.76　　1.69～6.33 变异系数/%　　12.7421.47 偏度　　–0.860.36 峰度　　0.671.52

图1　RIL群体光合色素性状的分布频率

2.2　水稻RIL群体光合色素的相关性分析

对RIL群体的光合色素性状进行相关性分析，结果(表2)表明，4个光合色素性状间均呈极显著正相关，相关系数为0.62～0.99。其中，叶绿素a与总叶绿素含量的相关性最大，相关系数为0.99；叶绿素a/b与叶绿素b含量的相关性最小，相关系数为0.62。

表2　RIL群体光合色素性状间的相关系数

“**”示极显著相关(<0.01)。

2.3　水稻RIL群体光合色素的主成分分析

将RIL群体的4项光合色素性状进行主成分分析，其结果见表3。由表3可知，前2个主成分累积贡献率为99.595%。第1主成分的特征值为2.552，贡献率为63.040%，总叶绿素和叶绿素a含量是该主成分的主要作用因子，载荷值分别为0.979和0.954，另外2个光合色素性状对该主成分贡献较小。第2主成分特征值为1.462，贡献率为36.555%，叶绿素a/b是该主成分最主要的作用因子，载荷值为0.888，另外3个光合色素性状对该主成分贡献较小。

表3　RIL群体主成分特征值及贡献率

2.4　水稻RIL群体光合色素的聚类分析

基于4个光合色素性状的表型值对RIL群体的239个株系进行聚类分析，其结果见表4。第Ⅰ类群包括23份材料，4个性状均值在3大类群中均排名首位，说明此类群植株光合色素含量最高，光合能力最强。第Ⅱ类群包括164份材料，4个性状均值在3大类群中均排名第2位，说明此类群植株光合色素含量中等，光合能力适中。第Ⅲ类群包括52份材料，4个性状均值在3大类群中均排名末位。

表4　RIL群体3类群的光合色素性状特征

2.5　水稻光合色素的QTL定位分析

水稻光合色素性状的QTL定位共检测到4个相关QTL位点(表5)，分布在第4和第8染色体上，LOD值为2.01～3.14，解释的表型贡献率为4.52%～7.08%。检测到1个控制叶绿素a含量的QTL位点，位于第8染色体的RM6155至RM23446之间，能解释4.52%的表型变异，加性效应为正，其增效等位基因来自亲本SC。检测到2个控制叶绿素a/b值的QTL位点，分别位于第4染色体的RM471–SFP4–3区间和第8染色体的RM6155至RM23446之间，分别能解释5.39%和7.08%的表型变异，加性效应均为正，增效等位基因均来自亲本SC。检测到1个控制总叶绿素含量的QTL位点，位于第8染色体的RM6155至RM23446之间，能解释4.92%的表型变异，加性效应为正，其增效等位基因来自亲本SC。通过比较发现，在第8染色体RM6155至RM23446区间检测到控制叶绿素a含量的–，控制叶绿素a/b的–和控制总叶绿素含量的–，说明该区间可同时影响多个光合色素性状，表现为紧密连锁或一因多效。

表5　RIL群体光合色素性状的QTL分析结果

3　结论与讨论

目前，分子标记在定位水稻重要农艺性状中得到了广泛应用。关于水稻叶片光合色素含量的研究成果也多有报道[8,13,18–19]。HUNG[20]以野生稻和9311构建的高代重组自交系群体为材料，共检测到17个控制叶绿素含量的QTL，分布在水稻第1、3、4、10、11和12染色体上，单个QTL解释的表型贡献率为1.68%～17.28%，但仅–的表型贡献率高于10%。诸多研究者利用不同的遗传群体和标记，定位到较多控制不同时期、不同部位叶片的光合含量相关QTL，比较发现这些位点的LOD值均较小且贡献率绝大多数在10%以下，主效基因较少，表明水稻光合色素含量主要由微效QTL控制。本研究中，在水稻RIL群体分蘖期共检测到4个光合色素相关QTL(––、–、–)，LOD值介于2.01～3.14，贡献率为4.52%～7.08%，LOD值和贡献率均较小，说明光合色素含量这一生理性状遗传的复杂性。

Gramene网站(http://archive.gramene.org/db. qtl/)已报道了618个与水稻光合色素相关的QTL，其中以第3染色体上的相关位点最多。汪斌等[21]利用RIL群体，在4个不同时期对水稻叶绿素a和叶绿素b含量进行QTL分析，检测到6个与叶绿素a相关的QTL，分布在第1和第4染色体上，LOD值为4.60～6.23。童汉华等[22]利用RIL群体，对水稻生育后期剑叶叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量进行QTL分析，检测到3个与叶绿素a含量相关的QTL，分布于第3和第9染色体上，LOD值为2.77～4.14，单个QTL解释的表型贡献率为9.86%～29.51%。胡茂龙等[23]利用BC1F10群体，对水稻抽穗后第7天和第30天的叶绿素a/b比值进行QTL分析，共检测到3个相关的QTL，分布于第2、3、12染色体上，LOD值为2.69～6.42，单个QTL解释的表型贡献率为10.0%～21.0%，3个QTL表型贡献率均不低于10%，为控制水稻叶绿素a/b比值的主效QTL位点。通过与前人研究结果对比，第8染色体的RM6155至RM2344的、和为前人未报道的新位点，第4染色体的位点前人也未报道。这些位点值得进一步验证和研究。

本研究中叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量和叶绿素a/b等 4个性状均呈极显著正相关，这与邓家耀[24]和杨国华等[18]的研究结果基本一致。但本研究结果“叶绿素b与叶绿素a/b呈极显著正相关”与前人大部分研究结果不一致，可能与本研究中的RIL群体叶绿素b的分布范围较广、变异系数较大有关。本研究的主成分分析结果显示，4个性状可以分为2个主成分，主成分1为光合色素含量因子，主成分2为光合色素比值因子，累积贡献率为99.595%。通过聚类分析，本研究将239个株系分为3大类。其中，第Ⅰ类群水稻材料有23份，此类群材料的光合色素含量较高，性状优良，可作为培育高光效水稻品种的资源材料。

综上所述，本研究检测到的、、和可能为控制水稻光合色素含量的新QTL位点。其中在第8染色体的RM6155至RM2344区间同时检测到、和，说明该区间能同时控制叶绿素a含量、叶绿素a/b和总叶绿素含量，并且加性效应均为正，增效等位基因来自亲本SC，故该位点可能是一因多效位点。

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Analysis of variation and QTL mapping for photosynthetic pigment content in rice

HU Chao1，LIU Ling2，XIONG Jiaming1，YUAN Hongliang1，YU Yufeng1，WANG Yue1*

(1.College of Agronomy, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128, China; 2.College of Education, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128, China)

This study utilizes RT, SC, and RIL populations derived from hybrids exhibiting substantial variations in photosynthetic pigment content. The aim was to investigate correlations and QTL mapping among four photosynthetic pigment traits(chlorophyll a, chlorophyll b, chlorophyll a/b and total chlorophyll) through correlation analysis, principal component analysis and cluster analysis. Correlation analysis revealed notable positive correlations among the four photosynthetic pigment traits, with the highest correlation coefficient observed between chlorophyll a and total chlorophyll content. Principal component analysis highlighted chlorophyll a and total chlorophyll content as pivotal factors significantly influencing photosynthetic pigment levels. Cluster analysis categorized 239 strains into three distinct groups, with their average photosynthetic pigment contents of Group Ⅰ, Group Ⅱ, GroupⅢdecreased successively. Furthermore, employing the composite interval mapping method, four QTLs associated with photosynthetic pigment content were identified. These QTLs were located on rice chromosomes 4 and 8. The LOD values ranged from 2.01 to 3.14, and phenotypic contribution rates ranged from 4.52% to 7.08%. Importantly, all additive effects were positive. A noteworthy QTL cluster was found on chromosome 8, encompassing the RM6155 to RM23446 markers. This cluster controlled chlorophyll a, chlorophyll a/b, and total chlorophyll traits, signifying a pivotal chromosomal region influencing photosynthetic pigment characteristics. Additionally, this study discovered new QTL sites regulating photosynthetic pigments, including,,and.

rice; photosynthetic pigment; principal component analysis; cluster analysis; QTL mapping

S511.01

A

1007–1032(2023)04–0383–06

10.13331/j.cnki.jhau.2023.04.001

2022–12–15

2023–07–06

国家重点研发计划项目(2017YFE0194900)；湖南省自然科学基金项目(2020JJ4360)；湖南省教育厅项目(19A220)

胡超(1999—)，男，湖南永州人，硕士研究生，主要从事水稻抗病抗逆生理机制研究，1319710963 @qq.com；*通信作者，王悦，博士，副教授，主要从事水稻抗病抗逆生理机制研究，wangyue515@163.com

胡超，刘玲，熊佳铭，袁红亮，于玉凤，王悦．水稻光合色素含量的变异分析及QTL定位[J]．湖南农业大学学报(自然科学版)，2023，49(4)：383–388．

HU C，LIU L，XIONG J M，YUAN H L，YU Y F，WANG Y．Analysis of variation and QTL mapping for photosynthetic pigment content in rice[J]．Journal of Hunan Agricultural University(Natural Sciences)，2023，49(4)：383–388．

http://xb.hunau.edu.cn

责任编辑：毛友纯

英文编辑：柳正