水、旱条件下粳稻生理及产量相关性状的QTL定位及互作研究

摘要

水稻是全世界最重要的粮食作物之一，亚洲与非洲大部分国家都以水稻为主要口粮。但水资源短缺与分布不均的现象在我国及许多水稻生产国家成为限制粮食产量及食品安全的重要因素。研究表明，水稻在不同水分条件下的产量形成是一个复杂的体系，与光合、蒸腾、水分代谢及外部形态等生理因素都有关联，同时直接影响着水稻抗旱性的评价。明确水稻抗旱相关生理指标及产量性状在不同水分条件下的关系，利用分子标记技术定位各性状QTL并分析基因与环境间的互作效应，对解析水稻抗旱性遗传机理以及水稻耐旱改良育种具有重要意义。
　　本研究采用陆稻亲本小白粳子为母本和水稻品种空育131为父本构建的含有207个株系的F8、 F9重组自交系群体为材料。2014年在哈尔滨东北农业大学试验实习基地，2015年在哈尔滨阿城实验实习基地分别设置干旱胁迫和正常水分灌溉，结合SSR标记在多环境下(E1:2014干旱，E2:2014对照，E3:2015干旱，E4:2015对照)对水稻产量形成相关性状叶绿素含量、穗干重以及株高进行发育动态的条件与非条件QTL定位，同时对水稻抗旱相关生理指标冠层温度、剑叶面积、剑叶相对含水量、蒸腾速率、气孔导度、净光合速率，及产量性状有效穗数、穗长、每穗实粒数、结实率、千粒重以及各性状抗旱系数进行单环境和多环境联合QTL定位，并分析各指标的上位性效应及环境互作效应。得出的主要结果有:
　　1.在对水、旱条件下水稻生理及产量相关性状的表型分析中，干旱条件下叶绿素含量、与株高与穗干重的表型值在各生长时期中均低于正常灌溉条件下。高产亲本空育131的穗于重在所有环境和生长时期中均高于小白粳子，小白粳子的叶绿素含量在所有环境和绝大多数生长时期中高于空育131，空育131的株高在S4之前高于小白粳子。除蒸腾速率外，剑叶相对含水量、气孔导度、净光合速率、剑叶面积、冠层温度，及产量性状有效穗数、穗长、每穗实粒数、结实率、千粒重在干旱下的表型值均低于正常灌溉。高产亲本空育131的结实率在正常水分条件下高于小白粳子，而干旱胁迫下抗旱品种小白粳子的结实率则更高。空育131在所有环境中的蒸腾速率、气孔导度、有效穗数、千粒重高于小白粳子，其余指标在各环境中均低于小白粳子。
　　2.通过对水稻生理及产量相关性状的相关分析发现，有几组性状的相关性不受年际和水分条件的影响。在2年4个环境中，蒸腾速率与气孔导度均表现出极显著正相关性，株高与穗长和每穗实粒数三者间互呈极显著正相关，剑叶面积与穗长呈显著正相关。
　　3.在发育动态QTL定位中检测到一些多时期稳定表达的QTL，叶绿素含量共定位到28个加性QTL和23对上位性互作。其中非条件QTL qCc7-3和qCc4-3分别在在4个和3个时期被检测到，没有检测到条件QTL在3个及3个以上时期同时表达。株高共定位到26个加性QTL和28对上位性互作。非条件QTL qPH-7-5在4个时期被检测到，qPH-2-3，qPH-4-3和qPH-7-4在3个时期被检测到。条件QTL qPH-4-3在4个时期被检测到，qPH-3-5和qPH-6-1在3个时期被检测到。穗干重共检测到27个加性QTL和19对上位性互作。非条件分析中，条件加性QTL qPdw3-5在连续3个发育时期S3|S2、S4|S3、S5|S4被定位到，且增效等位基因均来自于小白粳子。
　　5.通过分析动态QTL在水稻不同生育期内的分布，发现了叶绿素、株高及穗干重QTL集中表达即表型变异的重要时期。在叶绿素含量动态分析的S5|S4时期定位到7个加性QTL和4对上位性QTL且贡献率在此时段迎来断崖式升高，生长末期可能是叶绿素含量基因集中表达及变异的时期。株高动态分析的S3|S2时期内定位到了的加性QTL和上位性QTL的个数分别为8个和4个，总贡献率达到66.59％，这比其他任何时期都要高，暗示着这可能是一个水稻株高发育的重要时期。在穗干重动态分析的S1|S0，S2|S1时期分别定位到9个主效QTL和8对上位性QTL，两时段内贡献率也远高于其他时段，前两个时段可能是水稻穗干重在不同水分条件下快速积累以及表型变异的重要时期。
　　6.利用基于混合线性模型的复合区间作图法(mixed composite interval mapping，MICM)在单环境中共定位到相对含水量、蒸腾速率、气孔导度、净光合速率、剑叶面积、冠层温度、有效穗数、穗长、每穗实粒数、结实率、千粒重的加性QTL116个，仅在干旱胁迫条件下(E1，E3)检测出的有57个，仅在正常灌溉条件下(E2，E4)检测到的有52个。qPr6-1，qLa4，qLa7-3，qLa7-4，qCt5，qGn4-2，qGn7-2在水旱条件下均被检测到且加性效应方向不变，表达稳定，可能与抗旱性有关。其中，净光合速率QTL Pr6-14个环境中都被检测到，可靠性较强，值得进一步研究。
　　7.在单环境分析中，本研究共定位到生理及产量相关指标的抗旱系数QTL40个，均与水稻抗旱性有关。其中包括稻冠层温度3个，剑叶面积5个，剑叶相对含水量4个，蒸腾速率2个，气孔导度6个，净光合速率3个，有效穗数4个，穗长4个，每穗实粒数4令，千粒重3令，结实率2个。qCtdc1-2，qScdc10，qScdc11-1，qPrdc6-1，qSndc6-1，qSndc11-1，qSldc1-1，qGndc4-2，qGndc7-2，qTgwdc3-3，qTgwdc1-3，qTgwdc5，qSsr1-4均在单环境分析中被同时检测到控制相应性状。
　　8.除动态指标之外，在多环境联合分析中，水稻生理及产量相关指标共定位到42个加性QTL及51个上位性QTL。其中加性有29个与环境有G×E互作，上位性有30个与环境有G×E互作，分别占总数的69.0％与58.8％。有30个加性QTL在单环境分析中曾被检测到，有12个QTL是多环境联合分析新检测到的，占总数的28.6％。
　　9.在多环境联合分析中检测到一些QTL在干旱胁迫条件下(E1，E3)的环境效应均为正，表现出抗旱性:
　　(1)叶绿素含量的非条件加性QTL qCc3-1，qCc7-2，条件加性QTLqCc2-5，qCc11-2，非条件上位QTL qCc1-1/qCc4-4，qCc1-6/ qCc1-7，qCc1-5/qCc1-7，条件上位QTL qCc1-5/qCc1-7和qCc7-2/qCc10-2。
　　(2)株高的非条件加性QTL qPH-6-1，条件加性QTL qPH-3-1，qPH-3-5和qPH-6-1，非条件上位QTL qPH-6-1/qPH-9-1和qPH-7-4/qPH-11-1。
　　(3)穗干重的非条件加性QTL qPdw4-2，qPdw10，qPdw8-2，条件加性QTL qPdw2-1与qPdw6-2，qPdw2-2，qPdw8-1非条件上位QTL qPdw1-1/qPdw1-3，qPdw6-2/qPdw9-4，qPdw7-2/qPdw9-1，条件上位QTL Pdw2-2/qPdw8-2，Pdw3-2/ qPdw12-1q，Pdw2-2/qPdw9-4。
　　(4)叶面积、蒸腾速率、气孔导度、穗长、每穗实粒数及结实率的加性QTL qLa9，qPr11-1，qPr6-2，qSc3-2，qSl7-1，qGn7-2，qSsr1-1，qSsr10;净光合速率、有效穗数、千粒重和结实率的上位性QTL qPr3-1/ qPr11-2，qPr1-1/ qPr1-2，qSn3-4/ qSn11-2，qTgw9/qTgw12，qSsr1-2/ qSsr3。
　　10.相关分析中紧密联系的性状基因有成簇分布的现象。蒸腾速率与气孔导度的QTLqTr10-2、qSc10被共同定位在RM1375-RM25741区间。穗长与每穗实粒数的QTL qSl1-1、qGn1-1被共同定位在RM1331-RM490区间内。穗长与每穗实粒数QTL qSn4-1、qSl4-2、qGn4-2，qSl7-1、qGn7-2同时被定位在RM349-RM470与RM180-RM1377区间，且qGn4-2在前人研究中不止一次被定位到，说明RM349-RM470区间内极可能存在一个或多个调控水稻穗部性状的主效基因。
　　本研究在水、旱条件下分析了水稻产量形成相关性状叶绿素含量、株高和穗干重QTL在不同生长发育阶段内的动态表达与环境互作情况，同时又检测到多个水稻生理及产量性状的抗旱性QTL，部分研究结果通过与前人研究对比，准确性得到了验证，还有部分结果是本研究首次定位到，为水稻抗旱、高产分子辅助育种提供重要参考。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 水稻抗旱研究的进展

1．1．1 干旱胁迫下水稻外部形态结构的响应及自我调节

1．1．2 干旱胁迫下水稻的生理生化特性

1．1．3 水稻抗旱性的鉴定与评价

1．2 QTL定位原理及研究进展

1．2．1 影响QTL作图的主要因素

1．2．2 QTL的环境互作效应

1．2．3 非条件QTL和条件QTL

1．3 水稻抗旱相关性状QTL定位研究进展

1．4 水稻数量性状的发育动态QTL定位研究进展

1．5 研究目的与意义

2 材料与方法

2．1 试验材料

2．2 试验方法

2．2．1 田间试验设计

2．2．2 性状考察

2．2．3 SSR标记分析

2．3 数据分析

2．3．1 表型数据分析

2．3．2 遗传连锁图谱的构建

2．3．3 QTL定位分析

3 结果与分析

3．1 水、旱条件下水稻生理及产量相关性状的表型分析

3．1．1 生理性状的表型分析

3．1．2 产量相关性状的表型分析

3．2 水、旱条件下水稻生理及产量有关性状的相关分析

3．3 遗传连锁图谱构建

3．4 水、旱条件下水稻生理性状的QTL分析

3．4．1 水稻叶绿素含量动态QTL分析

3．4．2 水稻冠层温度QTL分析

3．4．3 水稻剑叶面积QTL分析

3．4．4 水稻剑叶相对含水量QTL分析

3．4．5 水稻蒸腾速率QTL分析

3．4．6 水稻气孔导度QTL分析

3．4．7 水稻净光合速率QTL分析

3．5 水、旱条件下水稻产量相关性状的QTL分析

3．5．1 水稻株高发育动态QTL分析

3．5．2 水稻穗干重发育动态QTL分析

3．5．3 水稻有效穗数的QTL分析

3．5．4 水稻穗长的QTL分析

3．5．5 水稻每穗实粒数的QTL分析

3．5．6 水稻千粒重的QTL分析

3．5．7 水稻结实率的QTL分析

4 讨论

4．1 不同研究中定位结果的比较

4．1．1 水稻产量相关性状的动态QTL研究

4．1．2 不同研究中水稻抗旱相关性状定位结果比较

4．2 水稻生理及产量相关性状QTL与环境的互作

4．3 动态QTL在水稻不同生育期内的分布

4．4 QTL的成簇分布及一因多效性

4．5 水稻抗旱性QTL与耐旱基因的共分布

5 结论

6 创新点

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文