基于连锁与连锁不平衡联合作图的粳稻耐盐性遗传位点解析

摘要

土壤盐渍化是世界范围内限制水稻生产发展的重要非生物胁迫因子之一，研究水稻的耐盐性遗传机制，发掘耐盐基因或QTL及耐盐载体材料，通过育种手段改良品种的耐盐性，是减轻水稻盐害和提高盐渍土生产力的一项经济有效的措施。连锁分析和关联分析是剖析复杂性状遗传基础的两种主要方法，在QTL定位的精度和广度上具有明显的互补性。近些年，国内外采用连锁分析的方法对水稻耐盐相关性状QTL进行了广泛的研究，但大部分研究以籼稻为试验材料且集中在水稻发育的某个特定阶段，而水稻的耐盐性具有明显的发育阶段特异性。因此，研究粳稻不同时期耐盐性QTL对剖析水稻耐盐性遗传机制、提高水稻耐盐性具有重要意义。
　　本研究以生产上大面积推广而盐敏感的粳稻品种东农425为轮回亲本，耐盐性粳稻品种长白10为供体亲本构建的BC2F2∶3群体，以及不同地理来源的341份粳稻种质构建的自然群体为试验材料，采用连锁与连锁不平衡联合作图对水稻芽期与幼苗前期、苗期及大田生育期耐盐性QTL进行分析，进一步挖掘优异等位变异及相应的载体材料，以期为水稻耐盐性分子标记辅助育种和耐盐性种质创新提供理论依据。主要结果如下:
　　(1) BC2F2∶3群体和自然群体均对芽期与幼苗前期的相对发芽率、相对苗高、相对根数和相对根长等4个性状，苗期的幼苗存活天数、叶片盐害级别、地上部Na+浓度、地上部K+浓度、地上部Na+/K+、根部Na+浓度、根部K+浓度和根部Na/K+等8个性状，大田生育期的相对穗长、相对有效穗数、相对每穗总粒数，相对结实率，相对千粒重和相对单株产量等6个性状进行了分析，结果表明，自然群体的变异范围均大于BC2F2∶3群体，各个性状在两个群体中基本符合正态分布，表现出典型的数量性状遗传特征。
　　(2)水稻耐盐相关性状的相关性在两个群体中的表现基本一致。芽期与幼苗前期，各耐盐性状间均呈显著或极显著正相关，说明各性状对盐胁迫的反应存在较强的协同变化;苗期，幼苗存活天数与叶片盐害级别、地上部Na+浓度、地上部Na+/K+均呈极显著负相关，与根部Na+浓度、根部K+浓度及根部Na+/K+相关性不显著，表明叶片盐害是由地上部Na+积累过多造成的，与根部的离子浓度没有直接关系，根部Na+浓度与根部K+浓度呈极显著正相关，而地上部Na+浓度与地上部K+浓度呈极显著负相关，表明根部对Na+、K+的吸收是平行的，而由根部向地上部运输时存在某种竞争机制;大田生育期，相对有效穗数、相对每穗总粒数和相对单株产量彼此间均呈显著或极显著正相关，表明这3个性状对盐胁迫的反应存在较强的协同变化趋势。
　　(3) BC2F2∶3群体利用137个SSR标记构建遗传连锁图谱，共覆盖水稻基因组约1742.4 cM，标记间平均距离为12.72 cM，采用完备区间作图(ICIM)法对水稻不同时期的耐盐性进行了QTL分析。在芽期与幼苗前期共检测到11个耐盐性QTL，分布在水稻的第1、3、4、5、7和8染色体上，与相对发芽率、相对苗高、相对根数和相对根长相关的QTL分别为3、3、3和2个;在苗期共检测到17个耐盐性QTL，分布在水稻的第1、2、3、5、6、7、9、11和12染色体上，与幼苗存活天数、叶片盐害级别、地上部Na+浓度、地上部K+浓度、地上部Na+/K+、根部Na+浓度和根部K+浓度相关的QTL分别为2、2、4、3、2、3和1个，未检测到与根部Na+/K+相关的QTL;在大田生育期，共检测到19个耐盐性QTL，分布在水稻的第1、2、3、4、5、6、7、8和11染色体上，与相对穗长、相对有效穗数、相对每穗总粒数，相对结实率，相对千粒重和相对单株产量相关的QTL分别为5、2、3、3、3和3个。
　　(4)利用160个SSR标记对自然群体的遗传多样性、群体结构、亲缘关系及连锁不平衡进行了分析。341份粳稻种质共扩增出872个等位变异，平均每对SSR标记5.45个等位变异，标记间等位变异数目的范围为2～9;群体结构分析表明，整个群体可以分为3个亚群，除黑龙江和吉林品种外，同一地理来源的品种基本被划入到同一亚群;亲缘关系系数为0的占57.0％，在0～0.2之间的占40.9％，表明群体材料间不存在直接的亲缘关系;LD分析表明，40.05％的位点组合表现出显著LD水平(P＜0.01)，同一染色体上的LD水平显著高于不同染色体上的LD水平，且当整个群体分成各个亚群时LD水平提高了，对于整个群体和各亚群，LD的衰减距离大约发生在20～50 cM。
　　(5)利用160个SSR标记通过TASSLE软件的GLM模型和MLM模型对水稻芽期与幼苗前期、苗期及大田生育期连续两年的耐盐相关性状进行性状-SSR标记的关联分析。在芽期与幼苗前期共检测到18个SSR位点，累计22次显著关联，与相对发芽率、相对苗高、相对根数和相对根长相关联的位点数分别为5、5、5和7个;在苗期，共检测到26个SSR位点，累计38次显著关联，与幼苗存活天数、叶片盐害级别、地上部Na+浓度、地上部K+浓度、地上部Na+/K+、根部Na+浓度、根部K+浓度和根部Na+/K+相关联的位点数分别为5、4、6、5、6、5、4和3个;在大田生育期，两年中共检测到27个SSR位点，累计54次显著关联，与相对穗长、相对有效穗数、相对每穗总粒数，相对结实率，相对千粒重和相对单株产量相关联的位点数分别为8、6、7、5、6和11个。将关联分析结果与本研究及前人的耐盐连锁分析结果相比较，发现分别有14、19和22个SSR位点可以在连锁分析中同时检测到。
　　(6)利用连锁与连锁不平衡的联合作图在水稻芽期与幼苗前期、苗期和大田生育期检测到的14、14和22个稳定性较高且已明确与耐盐性相关的SSR位点进行优异等位变异挖掘，三个时期分别鉴定得到32、39和67个优异等位变异。
　　(7)以鉴定的优异等位变异为基础，对341份粳稻材料芽期与幼苗前期、苗期、大田生育期及全生育期所含有的优异等位变异数目进行了统计分析，并且以优异等位变异互补为原则，将不同位点上的优异等位变异进行聚合（排除可能的上位性效应），分别对各时期及全生育期的杂交组合进行了预测。因此，本研究所检测的优异等位变异及载体材料对耐盐分子标记辅助育种及耐盐种质创新具有重要价值。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 植物耐盐性的研究进展

1．1．1 盐胁迫对植物的危害

1．1．2 植物耐盐机理

1．1．3 植物耐盐性的鉴定与评价

1．2 QTL定位方法

1．2．1 基于连锁作图的QTL分析

1．2．2 基于连锁不平衡的关联分析

1．2．3 QTL的连锁与连锁不平衡联合作图

1．3 水稻耐盐性QTL研究进展

1．4 研究的目的与意义

1．5 技术路线图

2 材料与方法

2．1 试验材料

2．2 试验方法

2．2．1 耐盐相关性状的测定

2．2．2 基因型分析

2．3 数据的统计分析

2．3．1 表型数据分析

2．3．2 遗传连锁图谱的构建及QTL分析

2．3．3 遗传多样性、群体结构、亲缘关系及连锁不平衡分析

2．3．4 耐盐性状与SSR标记的关联分析

2．3．5 优异等位变异挖掘

3 结果与分析

3．1 粳稻回交导入系群体及自然群体耐盐性鉴定

3．1．1 粳稻芽期与幼苗前期耐盐性鉴定

3．1．2 粳稻苗期耐盐性鉴定

3．1．3 粳稻大田生育期耐盐性鉴定

3．2 粳稻回交导入系群体耐盐性QTL分析

3．2．1 遗传连锁图谱的构建

3．2．2 芽期与幼苗前期耐盐相关性状的QTL分析

3．2．3 苗期耐盐相关性状的QTL分析

3．2．4 大田生育期耐盐相关性状的QTL分析

3．3 粳稻耐盐性与SSR标记的关联分析

3．3．1 遗传多样性、群体结构、亲缘关系及连锁不平衡分析

3．3．2 粳稻芽期与幼苗前期耐盐相关性状的关联分析

3．3．3 粳稻苗期耐盐相关性状的关联分析

3．3．4 粳稻大田生育期耐盐相关性状的关联分析

3．4 优异等位变异及载体材料

3．4．1 芽期及幼苗前期耐盐性优异等位变异

3．4．2 苗期耐盐性优异等位变异

3．4．3 大田生育期耐盐性优异等位变异

3．5 粳稻耐盐性杂交组合预测

3．5．1 芽期及幼苗前期耐盐性杂交组合预测

3．5．2 苗期耐盐性杂交组合预测

3．5．3 大田生育期耐盐性杂交组合预测

3．5．4 全生育期耐盐性杂交组合预测

4 讨论

4．1 试验群体的选择

4．2 QTL的成簇分布与性状相关性

4．3 连锁与连锁不平衡联合作图

4．4 粳稻不同时期耐盐性的遗传重叠

4．5 不同研究中耐盐性QTL的比较

4．6 与耐盐性QTL共分布的耐盐响应基因

4．7 聚合优异等位变异提高水稻耐盐性

5 结论

6 创新点

致谢

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的学术论文