水稻、陆稻分蘖数和剑叶宽的分化及其遗传基础初探

摘要

我国的水资源匮乏与干旱频发给水稻生产带来了巨大的损失，因此提高栽培稻的抗旱性，发展节水抗旱稻成为水稻研究的重点。水稻与陆稻作为栽培稻中两种最为重要的生态型，它们适应于不同农业生境和种植方式。由于生境条件的差异及由此带来的选择作用的不同，在长期驯化过程中陆稻群体积累了大量的抗旱资源。陆稻与水稻相比，虽然在抗旱性上有一定优势，但是在其他的重要农艺性状上与水稻产生了一些显著性分化，比如产量潜力，稻米品质等。因此水稻和陆稻的遗传分化不仅仅是抗旱性在这两种不同栽培稻生态型上适应性进化，同时也可能伴随着抗旱性与农艺性状的协同进化。因此有必要研究一些重要农艺性状在水稻、陆稻间的分化及其遗传机制，并揭示他们与抗旱性相关表型之间的相互关系与协同进化机制，这样才能更有效的利用陆稻的抗旱资源。本文通过对分蘖数与剑叶宽功能基因的挖掘与序列分析，试图揭示这两个表型的遗传基础，讨论它们与抗旱性间的关系及协同进化机制。实验对205份粳稻地方种（水稻98份，陆稻107份）的分蘖数和剑叶宽进行测量，并利用全基因组关联分析（GWAS）和水陆分化数据对候选基因进行定位；根据转录组数据和极端材料荧光定量数据对候选基因进行筛选，最终得到1个分蘖数候选基因，2个剑叶宽候选基因；利用极端水陆稻材料对候选基因进行测序，分析核酸多态性并进行聚类分析。
　　本研究主要内容包括：⑴205份材料的田间统计数据表明水稻和陆稻的分蘖数之间呈极显著性差异（P=1.52E-5），其中水稻分蘖数为9.42±3.26，陆稻分蘖数为7.68±2.36；水稻和陆稻的剑叶宽之间呈极显著性差异（P=8.18e-9），水稻剑叶宽为1.30±0.29cm，陆稻剑叶宽为1.56±0.31cm。⑵根据GWAS定位结果在分蘖数表型中找到3个显著关联的SNP，位于5号染色体；在剑叶宽表型中找到4个显著关联的SNP，位于7号染色体。在每个显著关联的SNP上下游各延伸约200kb作为初步的候选区段，同时结合该区段的高水陆分化位点确定最终的候选区段，对候选区段内所有基因，根据转录组基因表达量结果和生物学信息进行初步筛选，得到分蘖数候选基因11个，剑叶宽候选基因13个。⑶在水稻中选取多分蘖和窄剑叶材料各40份，在陆稻中选取少分蘖和宽剑叶材料各40份。利用选取的80份极端分蘖数材料对初步筛选的11个分蘖数候选基因进行荧光定量分析；利用选取的80份极端剑叶宽材料对初步筛选的13个剑叶宽候选基因进行荧光定量分析。结合候选基因的表达量分析结果和对应性状的田间表型数据做相关性分析，根据两者的相关性确定最终的分蘖数候选基因为 LOC_Os05g30340，剑叶宽候选基因LOC_Os07g43720和LOC_Os07g43980。⑷从上述材料中选取少分蘖与多分蘖及窄剑叶与宽剑叶材料极端材料各18份，对候选基因进行测序，分析核酸多态性并对测序材料进行聚类。核酸多态性分析结果：LOC_Os05g30340在36份材料中的核酸多态性为Pi=0.00032，其中在18份水稻（多分蘖）中的核酸多态性为Pi=0.00000，在18份陆稻（少分蘖）中的核酸多态性为Pi=0.00018。LOC_Os07g43720在36份材料中的核酸多态性为Pi=0.00014，其中在18份水稻（窄剑叶）中的多态性为 Pi=0.00008，在18份陆稻（宽剑叶）中的多态性为 Pi=0.00004。LOC_Os07g43980在36份材料中的核酸多态性为Pi=0.00036，其中在18份水稻（窄剑叶）中的核酸多态性为Pi=0.00009，在18份陆稻（宽剑叶）中的核酸多态性为Pi=0.000023。聚类分析结果显示测序的水稻和陆稻材料分别聚类，表明三个候选基因可能与水稻和陆稻的分化有关。⑸根据测序后序列分析结果无法确定最终的分蘖数和剑叶宽功能基因，因此对三个候选基因进行超表达载体构建，希望可以通过转基因植株的表型来确定最终的分蘖数和剑叶宽功能基因。

目录

声明

1前言

1.1适应性分化产生的机理

1.2水稻、陆稻适应性分化

1.3陆稻抗旱资源的利用

1.4水稻、陆稻的重要农艺性状与抗旱性的共同进化

1.5全基因组关联分析和群体分化指数

1.6实验内容与技术路线

1.7研究目的和意义

2 材料和方法

2.1实验材料

2.2实验方法

3结果与分析

3.1 重要表型的差异性分析

3.2候选基因的初步筛选

3.3 初步筛选的候选基因表达量分析

3.4 测序结果分析

3.5载体构建结果

4 讨论

4.1水稻、陆稻对表型的差异性选择

4.2全基因组关联分析和遗传分化指数

4.3 候选基因功能的进一步验证

4.4总结

参考文献

附录

附录I 材料编号及表型数据

附录II qPCR引物序列

附录III测序材料编号

附录IV 国际水稻所营养液配方

附录V测序引物序列

附录VI 候选基因参考序列

致谢