水稻基于产量的抗旱、耐冷和白叶枯病抗性遗传重叠的数量解析

摘要

水稻是世界特别是亚洲和非洲人口主粮的重要来源，稳产特性对于保证全球的粮食安全至关重要。稳产可以定义为不同生物和非生物逆境，例如干旱、冷害和白叶枯病菌等胁迫条件下的实际产量。植物对于生物和非生物胁迫响应通常被认为受独立的信号机制控制，虽然近来有部分重叠的报道，而连锁和一因多效是这些重叠可能的两个形成原因。如果我们能够发现同时控制生物和非生物抗性的遗传重叠区域，无论其形成原因如何，通过一轮的回交导入并结合标记辅助选择(MAS)，就可以获得具备稳产特性的优良株系。这可以极大的提高MAS育种的效率。
　　在本研究中，我们利用来自同一籼粳杂交组合（明恢63/02428）的717个稳定高代株系(包括262个重组自交系RIL，226个籼稻背景回交导入系(MH63-BILs)和229个粳稻背景回交导入系（02428-BILs））及265个均匀分布的SNP标记（平均间距4.27cM）来检测影响生物和非生物抗性稳定表达的遗传重叠QTL。主要的处理包括干旱、白叶枯病接种、低温以及正常条件，试验年份是2013-2015年，地点是中国的北京、海南和云南。表型分析主要用到了方差分析(ANOVA)、Dunnet-t测验和相关性分析。通径分析用于评价各组分性状对于产量的贡献。ICIM作图方法用于主效QTL定位、上位性和G×E的互作分析。GGT用于分析选择株系的图示基因型。
　　主要结论如下:
　　1.极端株系的抗旱性分析
　　根据前期研究中干旱下的产量表现，我们选择了140个极端BILs株系开展研究，进行了性状的遗传变异、遗传力以及胁迫和非胁迫下的产量相关QTL分析。在遗传背景、水分胁迫和季节之间，各性状对于产量的主要贡献差异很大。就模犁解释的变异来看，残余效应是粳稻背景低于籼稻背景，胁迫低于灌溉。从我们所用的组合看，在干旱条件下，要获取更高的籽粒产量，较高的实粒数、千粒重，中等的穗数，更早的抽穗期和更高的株高可以作为选择的要件;而在灌溉条件下，更高的穗粒数和结实率、更高的穗数、更大的穗长、中等的株高和抽穗期则是选择的要件。通过两年和两种水分（干旱和灌溉）条件处理，在粳稻背景下共检测到170个QTL，在籼稻背景下检测到167个位点。然而其中仅有28％和21％的位点在两个背景下稳定表达。其中60％和56％的稳定表达QTL位点在干旱和灌溉条件下均起作用，说明在两种水分条件下大量的产量组分相关基因可能是保守的。利用MET分析在粳稻和籼稻背景下分别鉴定到了29个和17个环境敏感的QTL。二个独立于遗传背景的QEIs:控制单株产最的qgy8(第8染色体(1537588-25210983bp)和qgy12(第12染色体(23862573-28421947bp)，以及控制穗数的qpn4(第4染色体31621148-33279336bp)，有望用于分子标记辅助选择(MAS)育种。而干旱条件下的上位性互作、G×E、重叠QTL和遗传背景效应都对环境十分敏感，因此对于利用MAS提高干旱胁迫下的产量是一个巨大的挑战。
　　2.产量相关性状与白叶枯病抗性的关系
　　白叶枯病对水稻产量造成的损失可以高达80％。我们用上述的三套试验群体(包括RILs、MH63-BILs和02428-BILs)接种3个白叶枯病小种(C5、V5和P6)，来分析白叶枯病抗性以及产量相关性状。只有大约10％的抗性株系的产量表现超过轮回亲，这个意味着同步改良抗性与提高产量是十分重要的。在多个染色体片段上检测到了15个白叶枯病抗性QTL与39个产量及其相关性状QTL重叠。主效（加性）QTL所解释的病斑长度变异在5-76％，而上位性则小于26％，说明加性和上位性QTL在白叶枯病抗性中，特别是粳稻背景的BILs中起着重要作用。在第5染色体上的白叶枯病抗性位点与千粒重、穗粒数、抽穗期、籽粒长宽比以及单株产量的位点重叠;第8染色体上的抗性位点则与单株产量和穗数位点重叠;第9染色体上的抗性位点则与产量、穗数、粒宽和千粒重位点重叠;第12染色体上的抗性位点与千粒重、穗数、单株产量、实粒重和粒宽重叠。
　　3.低温抗性的遗传
　　我们用两套BILs及其双亲和二个耐冷对照品种:日本晴(NIP)、昆明小白谷(XBG)和丽江新团黑谷(XTHG)种在云南进行了自然条件下的两年两点试验，其中考虑到熟期第二年只选择了部分能够正常抽穗的株系进行验证。主要调查了3个成株期性状，包括株高(PH)、抽穗期（HD）和结实率(SF)以及2个苗期性状（第一年调查），包括早衰评价（EA，0-3级）和耐冷评价（CTG，1-9级）。结果表明，苗期的耐冷性与成株期耐冷性无显著相关。在455个BILs中，只有80个在两年两点均能结实。其中粳稻背景的11个株系结实率超过50％。分环境的QTL检测发现了42个相关QTL，其中57％是环境敏感的。另有124个QE检测到，其中21个在两个环境同时检测到。利用MET分析检测到25个QTL，其中69％以上是环境敏感的。
　　4.白叶枯病抗性、干旱和低温的遗传重叠
　　在研究的群体材料中，我们利用相关分析和QTL作图检测到了生物抗性和非生物抗性的显著相关性。我们检测到了18个具备多种抗性的株系。导入片段图示揭示了50个遗传重叠QTL的导入情况，说明这些位点对于这些株系的多重抗性可能起到重要的作用。在这50个位点所在的29个染色体区段中有11个QTL的表达因环境而异，有39个则在3个胁迫环境中均检测到。这说明植物对于不同胁迫的相应有很大程度的遗传重叠。有29个区段，特别是其中的6个区段在两个遗传背景中都检测到。在第二染色体上的M83-M84之间的控制实粒数、总粒数和穗数的位点在4种处理（干旱、冷害、白叶枯和正常对照）条件下均检测到，是一个非常有意思的区段，可以用于同步改良上述几种逆境及正常条件下的产量水平。白叶枯抗性与胁迫下的产量位点之间的重叠也在9个区域被检测到。一些已知的基因，比如sd-1、GnN4-1、qDT12.1、xa1、xa5和xa13在这些区段附近。
　　上述研究初步揭示了水稻生物和非生物胁迫抗性的数量变异和相关性。所发现的遗传重叠区段及其连锁标记将为分子育种提供非常有价值的信息。结果也表明，胁迫下的QTL检测主要受到环境和遗传背景的影响。年份间和同一年不同时期的环境因素变化或者是地点间的差异，可能造成胁迫强度、持续时间以及胁迫时期和植物生长状态的极大差异。适当大小和类型的群体、结合多年多环境的检测有助于较为转却的进行性状评价，可以较快的检测稳定表达的抗逆相关QTL。其中相对上位性位点更加环境钝感的主效位点更有希望直接应用于分子育种。

目录

声明

摘要

Abstract

Table of content

List of Abbreviation

CHAPTER 1 General Introduction

1．1 Drought tolerance

1．2 Bacterial leaf blight resistance and yield loss

1．3 Cold tolerance

1．4 Genetic overlaps

1．5 Methodology

1．5．1 Technical route

1．5．2 Study Material

1．5．3 SNP genotyping

1．5．4 Linkage map construction and QTL mapping

1．6 Objective，scope and outline of the thesis

CHAPTER 2 Breeding Accomplishments and Challenges

2．1 Rice botany

2．2 Origin and classification

2．2．1 Rice origin

2．2．2 Scientitic classification

2．3 Rice Domestication Land marks

2．3．1 Elimination of seed shattering

2．3．2 Seed coat color

2．4 Rice production trends

2．5 Rice breeding Advances

2．5．1 Selection

2．5．2 Hybridization Breeding

2．5．3．Tissue culture

2．5．4 Molecular breeding

2．5．6 Genetic engineering

CHAPTER 3 Genetic Variation，Heritability and QTL analysis under Drought Stress and Irrigation Conditions in extreme lines

3．1 Summary

3．2 Introduction

3．3 Study Material

3．4 Methods

3．4．1 Field management and drought stress application

3．4．2 Phenotyping

3．4．3．Analysis

3．5 Results and Discussion

3．5．1 Drought Resistant Genotypes

3．5．2．Phenotypic characterization of the populations

3．5．3．Genetic Variation under Drought Stress and Normal Irrigation Conditions

3．5．4．Heritability and Performance of BILs under Different Water Regimes

3．5．5．Pearson’s Linear Correlation

3．5．6．Path Analyses for Direct and Indirect Effects

3．5．7 Quantitative trait locus(QTL)analysis

3．5．8．Overlapping QTLs

3．5．8．EPISTATIC Interactions(QE)

5．5．9．Epistatic interactions

3．6 Discussion

3．6．1．Co-localization of QTLs of different traits

3．6．2．Effects of Genetic Background(GB)on the expressions of QTLs

3．7．Conclusion

CHAPTER 4 Associations between yield related traits and bacterial leaf blight(BB)resistances

4．1 Summary

4．2 Introduction

4．3 Methodology

4．3．1 Inoeulums preparation

4．3．2 BB inoculation and assessment

4．3．3 3 Flag leaf size measurements

4．3．4．Statistical analysis

4．4 Resuits

4．4．1．BB resistance genotypes

4．4．2 Lesion length distribution

4．4．3．Performances of yield related traits under BB stress and control conditions

4．4．4．Combining multiple BB resistance and grain yield

4．4．5 Correlation Analysis

4．4．6．Marker trait associations

4．4．7 QTL mapping results

4．5 Discussion

4．5．1 Bacterial leaf blight resistance

4．5．2 Epistasis QTLs in BB resistance

4．5．3 Overlapping QTLs for both BB resistance and yield related traits

4．5 Conclusion

CHAPTER 5 QTL mapping for low-temperature tolerance at reproduction stage in rice

5．1 Summary

5．2 Introduction

5．3 Methods

5．3．1 Identification of cold tolerance(CT)in rice at the reproductive stage

5．4 Result and Discussion

5．4．1 phenotype variations

5．4．2 Correlations among yield related traits in low-temperature conditions

5．4．3 Heritability and Performance of BILs under Low-temperature

5．4．4．Selected cold tolerant lines

5．4．5．QTL tolerant at reproductive stage

5．5．6 Overlapping Cold tolerance QTLs

5．6．Conclusion

Chapter 6 Genetic overlap between Bacterial blight，drought and low temperature stresses in rice

6．1 Summary

6．2 Introduction

6．3 Results

6．3．1 BILs and parents performance

6．3．2 Correlations between Drought Tolerance and BB resistant related Traits

6．3．3 Introgression patterns of multiple tolerant lines

6．4 Discussion

6．4．1 Overlap of drought tolerance BB resistance and low-temperature QTLs

6．5．Conclusion

CHAPTER 7 General Discussion

7．1 Introduction

7．2 Genetic variation，heritability and performance of BILs under DS，BB，LT and normal irrigation

7．3 Genetic inheritance of physiological and productivity traits

7．4 QTL Co-localization and genetic overlaps between drought，BB and LT stresses

7．5 Conclusions and implications for improving drought tolerance，BB resistance，and low-temperature tolerances in rice

Reference

Acknowledgements

Bibliography