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水稻雨养低地条件下的产量、耐旱性和黄斑病抗性的同步改良及其遗传解析

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摘要

Abstract

TABLE OF CONTENTS

ABBREVIATION

CHAPTER 1 General Introduction

1.1 Introduction

1.1.1 Research aims and objectives

1.2 Literature review

1.2.1 Rice environments and cropping systems

1.2.2 Rice domestication and classification

1.2.3 Evolution of grain yield improvement in rice

1.2.4 The current understanding of the genetic and molecular controls of grain yield in rice

1.2.5 Breeding strategies to break the glass ceiling of grain yield

1.2.6 Influence of functional genomic tools on plant breeding for crop improvement

1.2.7 Breeding for high yield and multiple stress tolerance

1.2.8 Trends in Rice production across the world

1.3.Scope and outline of the thesis

CHAPTER 2 Methodology

2.1 Introduction

2.3 Source of breeding materials

2.4 Characteristics of target population environment(TPE)

2.5 Screening for drought tolerance and RYMV resistance in target population environment

2.5 Progeny testing experiments

2.6 Screening for WTR1 Introgession lines for resistance to RYMV

2.7 Genotyping of the WTR1 ILs

CHAPTER 3 Genetic Variability,trait Heritability,Associations,and Path Coefficient Analysis on Yield and Yield component traits

3.1 Introduction

3.2 Methodology

3.2.1 Study materials

3.2.2 Methods

3.2.3 Data analysis

3.3 Results and discussion

3.3.1 Genetic variation and Performance of the 65 ILs under WTR1 background

3.3.2 Genetic variation and phenotypic characteristics of the yield component traits

3.3.3 Heritability of the yield component traits under variable water regimes

3.3.4 Association between high grain yield and yield component traits under variable water regimes

3.3.5 Path coefficient analysis for direct and indirect effects of nine yield component traits on grain yield

3.3.6 Selection of promising ILs

3.3.7 Pyramid crosses of the WTR1 ILs for high grain yield and multiple trait tolerance

3.3.8 screening of F2 progeny for drought tolerance at reproductive stage

3.4 Conclusion

CHAPTER 4 Connotation of RYMV resistance on high grain yield traits in rice

4.1 Introduction

4.1.1 Natural resistance

4.2 Methodology

4.2.1 Materials

4.2.2 Methods

4.2.3 Molecular screening for the RYMV1 gene resistance to RYMV

4.2.4 QTL analysis

4.3 Results and discussion

4.3.1 Response of WTR1 ILs to RYMV S4 strain

4.3.2 Evaluation of gene resistance to RYMV contained in the identified 39 ILs

4.3.3 Association of RYMV resistance QTL with high grain Yield QTL under irrigation and drought conditions

4.3.4 Collocation between RYMV QTL and High grain yield QTL

4.4 Conclusion

CHAPTER 5 The genes and QTL for yield under Multiple Biotic and abiotic stress

5.1 Introduction

5.2 Methodology

5.2.1 Materials

5.2.2 Data analysis

5.3 Results and discussion

5.3.1 Lead SNP(genes/QTL)with significant association with yield component traits

5.3.2 Overlapping lead SNPs(Genes/QTL)for various yield component traits

5.4 Conclusion

Overall conclusion and recommendation

6.1 General conclusions

6.2 Recommendations

References

Acknowlegments

Biographical scketch of the author

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摘要

通过育种改良多重性状是雨养低地生态系统(Lowland)下持续提高水稻产量最为可行的选择之一。中国农业科学院水稻分子育种与分子遗传实验室与国际水稻研究所联合开展穿梭育种项目培育新的广适性材料,希望打破目前雨养低地生态系统下的水稻产量瓶颈。这个计划利用多个供体亲本和大规模回交导入的方法将新基因导入优异骨干品种,可以得到大量具备产量潜力的育种群体,用于评价多种生物和非生物胁迫抗性。
  本研究对5个抗草稻1号(WTR1)的BC1F3导入系群体评价了其在雨养低地生态系统下的适应性。主要目标性状是高产、耐旱和黄斑病毒(RYMV)抗性;在灌溉和胁迫条件下均以籽粒产量作为选择的重要指标。通过大田间的干旱胁迫和灌溉条件,共筛选到65个入选株系表现抗RYMV并且比轮回亲本表现高产,其中包括干旱条件下34个,灌溉条件下31个。入选株系的后代测验在巴加莫约(BM,坦桑尼亚)、北京(BJ,旱棚)和海南(HN,雨养低地)三个地点进行:其中,在BM的RYMV抗性后代鉴定采用苗期人工接种致病性最强的S4菌株来进行;在BM、BJ和HN都考察了大田灌溉和干旱胁迫条件下的产量组分。考虑到环境因素,研究采用相对严格的选择标准,即超过轮回亲本(而不是产量相对较低的当地对照)3%来作为筛选阈值。研究还对这些WTR1选择导入系中所包含的在多种胁迫下控制黄斑病抗性、耐旱性和高产的基因/QTL进行了遗传解析。
  在65个导入系中,共有35个(53.8%)的株系在人工接种试验中表现抗(12个株系)或者中抗(23个株系)。通过特异的分子标记检测发现,导入系群体中的抗性和中抗的株系里面各有20%和12.5%与已知的rymv1-2抗黄斑病等位基因相关。本研究在1号染色体长臂远端(36380096-40051014bp)之间,检测到一个主效位点qDfs1-5,该位点与抗黄斑病QTL和已知来自非洲栽培稻并已经丧失抗性的主基因RYMV2定位在同一个区间,是一个来自亚洲栽培稻的新等位基因。此外,还定位到一个新的位点qDfs1-4。
  在产量性状方面,两种处理条件下共筛选到29个导入系比轮回亲本增产,其中7个株系的三个目标性状(高产、耐旱和黄斑病抗性)均得到改良,14个株系提高了其中两个目标性状,包括:耐旱和高产5个,高产和RYMV抗性6个,耐旱和RYMV抗性3个,另外,各有4个株系只高产、4个株系只耐旱。除干旱胁迫下的分蘖数外,WTR1导入系群体的产量构成性状在各种处理条件下的变异非常大。这种变异主要来自环境和基因型差异,以及环境和基因型之间的互作。全基因组关联分析表明在各种处理、环境和季节下一些重要的SNP位点都与产量构成性状显著相关;其中,有24个重要SNP在多个环境下检测到与2个或更多产量构成因子具有显著相关。RYMV抗性与产量性状间检测到比较明显的遗传重叠(GO)。主效QTL qDfs1-5附近有不少控制水稻产量组分的QTL。本研究我们还检测到9个GO区段,其中包含了黄斑病抗性和高产的QTL,其中4个GO区段包含干旱条件下的产量QTL。本研究WTR1导入系的产量构成性状具有显著的变异,可以用于进一步的育种利用;所定位到底控制黄斑病抗性、耐旱性和高产的遗传重叠QTL区段使得育种家有机会进一步探索水稻高产和抗病性之间的遗传关系。

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