氏 名 ビクトリア キャベズ ラピタン
Victoria Chavez Lapitan
本籍(国籍) フィリピン
学位の種類 博士 (農学) 学位記番号 連論 第137号
学位授与年月日 平成21年9月25日 学位授与の要件 学位規則第5条第2項該当 論文博士
研究科及び専攻 連合農学研究科
学位論文題目 Mapping of quantitative trait loci (QTL) for grain cooking and eating quality using a doubled haploid (DH) population from anther culture of indica/japonica hybrids of rice ( Oryza sativa L.)
( イネのインディカおよびジャポニカ雑種第1代の葯培養によって得られた倍加半数体系統を用いての食味関連形質QTLのマッピング )
論文の内容の要旨

 Grain quality is becoming an important criterion in most rice breeding programs. Availability of sufficient genetic diversity in the germplasm collection is essential so that favorable genes and alleles can be identified and continuously incorporated into the breeding population. Microsatellite markers, also known as simple sequence repeats (SSR) have been useful in detection of genetic diversity. Twenty-four rice cultivars carrying good quality traits were evaluated for genetic diversity using 164 SSR markers. A total of 890 alleles were detected by 151 polymorphic markers with an average of 5.89 per locus. From these markers, 89 generated a total of 147 rare alleles. Based on Shannon's diversity index, an overall genetic diversity of 0.71 was revealed indicating a high level of genetic variation among these cultivars. Polymorphism information content (PIC) value of the markers ranged from 0.18 (RM420) to 0.91 (RM473B) with an average of 0.68 per marker. Cluster analysis of these cultivars showed 3 groups at 40% level of similarity with additional sub-clusters within each group. Group 1 corresponded to the 8 japonica subspecies whereas Groups 2 and 3 comprised the indica . Cultivars under groups 1 and 2 are known for their aroma and good cooking and eating quality traits. Between the 2 rice subspecies, indica gave more alleles than japonica and likewise had higher genetic diversity. Genetic diversity of indica was high in chromosome 11 while it was in chromosome 2 for japonica . The study revealed that SSR markers facilitated the classification of these cultivars according to their subspecies. The results also indicate that these quality rice cultivars had wider genetic diversity and therefore very useful for the rice breeding programs.

 From these cultivars, two contrasting genotypes, PSB Rc10 and Nipponbare, were selected to constitute as parents in the development of a mapping population thru anther culture. Anther culture-derived doubled haploid (DH) lines from the F1 of indica (PSB Rc10) and japonica (Nipponbare) cultivars were evaluated for different traits under field conditions. These lines were also characterized using SSR markers. Significant variation was observed among the 73 DH lines for different characters namely; plant height, tiller number, panicle number, panicle length, days to heading, and % seed fertility. For all traits, the phenotypic variance within each DH line was comparable to the mean phenotypic variance of parents indicating that the plants within lines were uniform and did not exhibit plant-to-plant variation. SSR analysis of the DH population showed an expected 1:1 ratio of indica and japonica alleles. It revealed homozygosity for 99.84% of the total marker loci in the 141 lines evaluated suggesting that the anther culture-derived plants originated from the F1 pollen. Heterozygosity was observed in only 10 DH lines for one or three marker loci out of 107 polymorphic SSR markers. Absence of non-parental bands in the DH lines is indicative of the purity of the DH lines and that no variation at the DNA level occurred during the in vitro process. Agronomic and molecular data support DH lines generated to be quite suitable and useful in rice breeding and many other areas of research such as genetics, genomics, QTL analysis and mapping for different agronomic traits including grain quality characteristics.

 Improving the cooking and eating quality of grain has always been an important consideration in most rice breeding programs. In this study, the established rice DH population consisting of 219 lines was used to identify the quantitative trait loci (QTL) for amylose content (AC), gel consistency (GC), and gelatinization temperature (GT). Two hundred five (205) simple sequence repeat (SSR) markers were used to construct a genetic linkage map covering the 12 chromosomes. A total of 13 QTLs were identified- three for AC and five each for GC and GT. Eight QTLs had major effects from which seven coincided with the most important loci identified in previous reports. All QTLs for AC were shown to have major effects on GC and GT. The QTL with the largest effect which accounted for 74% of the AC variation corresponded to the waxy ( Wx ) locus while the other two QTLs were located above and below this region. The significant phenotypic correlations of these traits may underlie the colocalization of their QTLs. A major QTL specifying GT was detected within the alkali degeneration ( Alk ) locus. Other minor QTLs were identified for GC in chromosomes 2 and 8 and for GT in chromosome 2. Utilization of a homozygous DH population with relatively large sample size might have increased the accuracy of mapping these QTLs. The identification of QTLs that individually influenced specific grain quality traits and the SSR markers that have tight linkage to them may be used to speed up the process of breeding new rice varieties with better quality through marker-aided selection (MAS). Information on mapped QTLs associated with these 3 traits can be manipulated to design a breeding method through MAS that would enable breeders to combine most, if not all, favorable alleles in a single genotype, a process which is extremely difficult or impossible to achieve through conventional breeding at early generations.

(和訳)

 米の品質はイネ育種プログラムにとって重要になってきている。 また、収集した系統の遺伝的多様性を有効に利用することが重要であり、有用な遺伝子を同定し、 新品種育成のために継続的に利用していくことが求められている。 SSR (Simple sequence repeats)として知られるミクロサテライトマーカーは遺伝的多様性を検出するのに有効である。 本研究では良食味・品質をもたらす24イネ品種と164のSSRマーカーを用いて、遺伝的多様性の評価を行った。 全部で890の対立遺伝子座が151の多型性を示すマーカーによって検出された。 遺伝子座当たり対立遺伝子の数は平均して5.89であった。 これらのマーカーのうち、89マーカーにより147のレアアリルが検出された。 Shannonの多様性指数は0.71であり、用いた品種は高い遺伝的多様性をもつことが明らかになった。 マーカーのPIC (Polymorphism information content)値は0.18から0.91までの範囲にあり、平均で0.68であった。 クラスター分析を行った結果、これらの品種は3グループに分かれた。 グループ1はジャポニカの8品種であり、グループ2および3はインディカの品種が属した。 グループ1と2は香りや良食味形質を示す品種群である。 インディカとジャポニカを比較すると、インディカは対立遺伝子数が多く、従って、遺伝的多様性が高かった。 遺伝的多様性はインディカ品種では第11染色体で高く、ジャポニカ品種では第6染色体で高かった。 本研究から、SSRマーカーはインディカやジャポニカなど亜種を分類するにも有効であり、 また、本研究で用いた品種は遺伝的多様性が大であるので、育種プログラムの中で用いることが大変有効であることが」明らかになった。

 24品種の中で、二つの対照的な品種である、PSB Rc10(インディカ)と日本晴(ジャポニカ)を選び、 交雑を行いそのF1植物の葯培養から集団を養成した。 葯培養由来の倍加半数体(DH)系統は圃場で栽培し、実用形質を評価した。 同時にSSRマーカーを用いて多型を分析した。 その結果、73のDH系統で草丈、茎数、穂数、穂長、到穂日数、および稔実率において有意な差異が認められた。 DH系統のすべての形質で表現型分散は親の表現型分散の平均値と同じであった。 系統内の個体はほぼ同じ表現型で、個体間の変異は認められなかった。 DH系統のSSR分析の結果、インディカ型とジャポニカ型の対立遺伝子の割合は1:1であった。 141系統を分析して全マーカー遺伝子座の99.84%はホモ接合体であった。 すなわち、多型性を示す107マーカーのうちヘテロ接合性を示すのは数マーカーのみで、系統も10系統に限られた。 DH系統を分析して、親に由来するバンド以外のバンドはなかったことから、葯培養の過程で変異はなく、このDH系統が良質であることを示している。 実用形質やDNA のデータはこのDH系統が育種やゲノムおよび遺伝学の研究、 特に米の品質など実用形質のQTL解析や遺伝子のマッピングにとって、有用であることを示している。

 F1の葯培養により得られたDH系統、219系統を食味形質の指標となるアミロース含量、 ゲルコンシステンシー、およびゲル糊化温度のQTL (quantitative trait loci)を同定するために用いた。 12の染色体をカバーする205のSSRマーカーを遺伝連鎖地図を作成するために用いた。 全部で13個のQTL(アミロース含量に3個、ゲルコンシステンシーに5個、ゲル糊化温度に8個)が主に効果があるものとして同定された。 このうち7個は最も重要な遺伝子座として他の論文でも報告されたものであった。 アミロース含量に関するQTLはゲルコンシステンシーやゲル糊化温度のQTLに比較して作用力が大きく、 アミロース含量に関して、作用力の大きいQTLはWx座と一致し、その効果は74%であった。 ゲル糊化温度に関係するQTLはアルカリ崩壊性( Alk )の遺伝子座と一致した。 ゲル糊化温度に関する小さなQTLが第2染色体にあり、またゲルコンシステンシーに関する小さなQTLが第2および第8染色体に認められた。 本研究では用いた倍加半数体系統のほとんどがホモ接合体であり、比較的大きなサンプルサイズであったため、 QTLのマッピングがより正確に行うことができた。 本研究で、SSRマーカーを用いてマーカーが密接に連鎖する米の品質に影響するQTLを同定できたことは、 マーカー利用選抜(MAS)を通じてよりよい品質のイネ新品種を育種する上で、スピードアップすることに役立つものと考えられる。 品質に関わる3つの形質に関連したQTLに関する情報は、品種改良の初期世代での選抜が従来の育種法では極めて困難であったのに対して、 MASを用いての育種法を取り入れることにより、好ましい対立遺伝子を組み合わせて選抜することを容易にする。