基于核苷酸多态性的亚洲栽培稻起源进化研究

摘要

亚洲栽培稻是世界上广泛种植的重要粮食作物，同时也是生物学研究的模式生物之一，科学家以亚洲栽培稻作为对象在生长发育、遗传基础及应用技术上进行了大量的研究。经过生物学家和考古学家的努力，已经知道亚洲栽培稻大约是在一万年前由分布在南亚或中国的野生近缘种驯化而来，但其起源进化的分子基础研究滞后，关于其起源进化理论中的一些重要问题仍然存在争议。这些争议主要有:亚洲栽培稻的祖先种是多年生的普通野生稻还是一年生的尼瓦拉野生稻;亚洲栽培稻是起源于南亚还是中国;亚洲栽培稻的两个亚种（籼稻和粳稻）是一次起源还是多次起源。
　　 亚洲栽培稻起源进化研究涉及到考古学、历史学、语言学、人类学、生物学、气候学等多个社会和自然学科，基于不同的学科采用不同的研究方法和手段得出的结论不尽相同。随着生物学的发展，对亚洲栽培稻起源进化的研究手段从形态学观察和遗传学分析逐步发展到生物化学水平的同工酶分析，再到AFLP、RAPD、RFLP、SSR、ISSR、SINE等分子水平的标记检测分析。但是，利用不同标记对不同材料所做的研究，对亚洲栽培稻起源进化问题的解答同样也存在差异。
　　 测序技术的快速发展使直接比较亚洲栽培稻与其野生近缘种的基因序列的差异，从基因水平上分析亚洲栽培稻的起源进化成为可能。本研究通过选择来源广泛、表型丰富、多样性高、代表性强的亚洲栽培稻及其野生近缘种材料，对相应材料的多个基因片段进行测序并比较其核苷酸多态性，分析亚洲栽培稻的起源进化，取得的主要研究结果如下:
　　 1.测定了来源于中国的亚洲栽培稻和普通野生稻的微核心种质材料的10个细胞质DNA片段（包括6个叶绿体片段和4个线粒体片段）的序列，对这些序列的核苷酸多态性的差异进行分析表明:亚洲栽培稻的细胞质DNA基因多样性远小于普通野生稻;普通野生稻的基因多样性与其地理分布密切相关;华南地区的普通野生稻的细胞质DNA基因多样性最高，是中国普通野生稻的遗传多样性中心;普通野生稻的籼、粳分化大约发生在10万年前，远早于亚洲栽培稻开始驯化的时间。此外，遗传分化和系统发育分析表明籼稻和粳稻起源于不同的普通野生稻群体，同时籼稻可能驯化自热带地区的普通野生稻，粳稻则驯化自纬度更高的普通野生稻。亚洲栽培稻在中国的起源中心可能为华南地区。
　　 2.对来自中国的100份亚洲栽培稻和111份普通野生稻的部分叶绿体、线粒体和核基因或基因片段进行测序，通过比较亚洲栽培稻和普通野生稻在不同基因位点的核苷酸多态性差异探索亚洲栽培稻在中国的起源进化。结果表明不论是细胞质 DNA还是核DNA，亚洲栽培稻基因多样性都远低于普通野生稻，说明亚洲栽培稻在驯化过程中产生了遗传瓶颈。系统发育和群体结构分析表明亚洲栽培稻的驯化过程较为复杂，可能是多次独立驯化伴随着一次大规模的粳稻基因组到籼稻基因组的基因转移。地理分析表明亚洲栽培稻在中国是由分布在北回归线附近珠江流域的普通野生稻驯化而来。
　　 3.通过对来自亚洲13个国家的225份栽培稻、来自亚洲13个国家的216份普通野生稻和来自亚洲9个国家的65份尼瓦拉野生稻材料的8个基因或基因片段进行测序并比较这些材料基因序列的差异，全面分析亚洲栽培稻的起源进化。多样性分析表明:尼瓦拉野生稻在不同基因位点上的核苷酸多态性差异较大，但在大部分位点上的基因多样性高于亚洲栽培稻;来自不同地区的普通野生稻和尼瓦拉野生稻的核苷酸多样性差异较大。系统发育分析和单倍型分析表明:尼瓦拉野生稻和普通野生稻都是亚洲栽培稻的祖先种;亚洲栽培稻起源方式为多次起源;粳稻和籼稻分别在中国和南亚被驯化;粳稻在中国进一步被驯化被温带粳稻，传播到东南亚后与当地普通野生稻杂交产生热带粳稻，传播到南亚后与当地尼瓦拉野生稻杂交产生芳香稻;籼稻与南亚的尼瓦拉野生稻杂交产生aus稻。
　　 4.测定了亚洲栽培稻和普通野生稻的微核心种质材料的光周期调控的关键基因Hd1的全基因序列，结合已发表的60个国外亚洲栽培稻Hd1的序列，对亚洲栽培稻Hd1基因核苷酸多态性的分析表明:Hd1基因核苷酸多态性较高，基因不同区域的核苷酸多态性差异较大，其中第一外显子的核苷酸多态性最高。24对SSR引物对栽培稻材料进行群体结构检测表明中国的亚洲栽培稻可分为3个类群，进一步结合Hd1序列和抽穗期数据进行的关联分析发现Hd1编码区的插入缺失是造成亚洲栽培稻抽穗期变化的主要原因。进化分析表明亚洲栽培稻Hd1基因至少有3种不同的来源，其中功能丧失或部分丧失的Hd1可能与籼稻和粳稻的起源方式不同。

目录

声明

摘要

缩略语表

第一章 前言

1．1 引言

1．2 亚洲栽培稻起源进化研究进展

1．2．1 稻属的分类

1．2．2 亚洲栽培稻的祖先种

1．2．3 亚洲栽培稻的遗传结构

1．2．4 亚洲栽培稻的起源

1．2．5 亚洲栽培稻的驯化过程

1．2．6 亚洲栽培稻驯化相关基因

1．3 研究目的

第二章 基于细胞质DNA片段核苷酸多态性的亚洲栽培稻在中国的起源进化研究

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 材料

2．2．2 细胞质DNA的提取

2．2．3 目的基因的选择、扩增、回收、测序

2．2．4 数据统计与分析

2．3 结果与分析

2．3．1 基因多样性分析

2．3．2 单倍型分析

2．3．3 系统发育分析

2．3．4 群体结构分析

2．3．4 籼稻和粳稻的分化时间

2．3．5 普通野生稻单倍型的地理分布

2．3．6 亚洲栽培稻和普通野生稻的遗传差异

2．4 讨论

2．4．1 亚洲栽培稻和普通野生稻的基因多样性

2．4．2 亚洲栽培稻的驯化方式

2．4．3 亚洲栽培稻的驯化中心

第三章 基于多个基因片段核苷酸多态性的亚洲栽培稻在中国的起源进化研究

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 材料

3．2．2 DNA提取和目标基因的选择

3．2．3 目标基因的扩增、回收、克隆和测序

3．2．4 数据统计与分析

3．3 结果与分析

3．3．1 基因多样性和中性检验

3．3．2 系统发育分析

3．3．3 群体结构分析

3．3．4 单倍型分析

3．4 讨论

3．4．1 亚洲栽培稻和普通野生稻的基因多样性

3．4．2 亚洲栽培稻的起源方式

3．4．3 亚洲栽培稻的驯化中心

3．4．4 亚洲栽培稻的起源与环境

第四章 基于多个基因片段核苷酸多态性的亚洲栽培稻起源进化研究

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 材料

4．2．2 DNA提取和目标基因的选择

4．2．3 目标基因的扩增、回收、克隆和测序

4．2．4 数据统计与分析

4．3 结果与分析

4．3．1 基因多样性和中性检验

4．3．2 系统发育分析

4．3．3 单倍型分析

4．4 讨论

4．4．1 亚洲栽培稻、尼瓦拉野生稻和普通野生稻的基因多样性

4．4．2 亚洲栽培稻的祖先种

4．4．3 亚洲栽培稻的起源方式

4．4．4 亚洲栽培稻的起源中心

第五章 亚洲栽培稻Hdl基因的关联和进化分析

5．1 引言

5．2 材料与方法

5．2．1 材料和抽穗期统计

5．2．2 DNA提取和目的基因扩增、回收、克隆、测序

5．2．3 群体结构检测

5．2．4 数据统计与分析

5．3 结果与分析

5．3．1 基因多样性及中性检验

5．3．2 关联分析

5．3．3 Hd1编码区的多样性分析

5．3．4 单倍型分析

5．3．5 单倍型的地理分布

5．4 讨论

5．4．1 Hd1的基因多样性

5．4．2 Hd1关联分析

5．4．3 Hd1的驯化

5．4．4 Hd1的地理起源

第六章 结论与讨论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

致谢