水稻染色体片段代换系对氮、磷胁迫反应的遗传分析

摘要

氮、磷是作物生长发育所必需的大量元素。氮、磷的缺乏是限制作物产量的重要因素。在过去几十年里,作物育种工作者一直致力于以高产为目标的育种研究,注重选育高肥条件下的高产品种。化肥的使用与高产品种的结合,有力地推动了农作物增产。但化肥的大量使用与肥料的低利用率之间的矛盾造成了能源的巨大浪费,提高了作物生产成本,同时这些过剩的肥料会造成严重的环境污染。剖析作物营养吸收利用的遗传基础,提高作物营养吸收利用效率,是解决以上各种问题的重要途径。本研究以两套水稻染色体片段代换系(CSSLs)为材料,按增广设计种植并在大田栽培条件下作正常、低氮和低磷三种处理,全生育期考察株高、穗长、单株有效穗和单株产量,分析代换系对低氮、低磷胁迫反应的差异,并结合分子标记连锁图谱进行QTL定位分析。主要结果如下:
　　1.正常处理下的株高、穗长、单株有效穗和单株产量与它们在两种胁迫处理下的相对系数间均呈极显著负相关,表明存在一种趋势:正常处理下生长量较小的代换系材料对低氮、低磷胁迫的耐性往往较强。但也有一些代换系的绝对生长量和相对生长量都比高亲还大。
　　2.利用9311遗传背景代换系在三种处理下检测到14个株高QTLs、8个单株有效穗QTLs和18个单株产量QTLs。株高QTLs中效应最大的Qph-5b解释表型差异为32.5％,加性效应为19.0;8个单株有效穗QTLs全部呈负向效应,解释表型差异在-42.6％~-62.9％之间;单株产量QTLs中效应最大的Qyd-4c解释表型变异为-88.1％,加性效应为-9.6。利用珍汕97遗传背景代换系在三种处理下检测到28个株高QTLs、19个单株有效穗QTLs和20个单株产量QTLs。株高QTL中效应最大的Qph-1d解释表型差异为68.9％,加性效应分别为24.2。单株有效穗QTLs中效应最大的Qpn-5解释表型差异为58.9％,加性效应分别为2.3。单株产量QTLs中效应最大的Qyd-11a解释表型差异为137.9％,加性效应为6.9。
　　3.两套染色体片段代换系的导入片段均来自日本晴,只是遗传背景不同。但两种遗传背景(9311,珍汕97)下定位的QTLs的数目有很大差异,9311遗传背景代换系在三种处理下共检测到58个QTLs,而珍汕97遗传背景代换系在三种处理下共检测到93个QTLs;不同遗传背景下定位的QTLs的位置大多数是不同的,仅在RM472、RM211、RM7、RM411等区域定位到12个相同位点的QTLs。QTLs数目和位置的差异,说明不同遗传背景对QTLs的表达有很大影响。在不同遗传背景下均检测到的QTLs,一方面说明其存在的真实性,另一方面也反映了其稳定性,这种特性在分子标记辅助选择(MAS)中尤为重要,可能直接应用于育种。
　　4.以9311遗传背景代换系在三种处理下同时检测到Qph-1c、Qph-5b、Qyd-4c等3个QTLs;以珍汕97遗传背景代换系在三种处理下同时检测到Qph-5b、Qph-6、Qph-11a等11个QTLs。这些在正常、低氮和低磷处理下同时检测到的QTLs,表明其不易受胁迫条件(低氮、低磷)的影响,可能更为直接的参与了性状的形成。低磷和低氮处理下同时检测到(正常处理未检测到)18个QTLs,其中9311及珍汕97遗传背景代换系各检测到9个。含有这些QTLs的材料对氮、磷胁迫的反应一致,这些QTLs可能处于水稻对氮、磷吸收利用的相同遗传途径上。大多材料对氮、磷胁迫的反应不同,多数QTLs仅在低磷或低氮处理下被检测到,表明水稻对氮、磷吸收利用遗传机制有很大的不同。
　　5.相对性状反映材料对低氮或低磷胁迫的敏感程度,是衡量实验材料对胁迫环境耐性强弱的一项指标。两套代换系共检测到44个相对性状QTLs,其中28个与两种处理(低磷、低氮)下检测到的QTLs位置相同,16个与两种处理下分别检测到的QTLs位置不同,表明相对性状QTLs并不能完全由两种胁迫处理下检测到QTLs所解释,材料对胁迫耐性的遗传基础也不能完全用不同处理下检测到QTLs来描述和剖析。如Qryd-3b是珍汕97遗传背景代换系检测到的相对单株产量QTL,与低磷、低氮胁迫处理下分别检测到的QTLs位置不同。含有该QTL的代换系在低磷胁迫处理下的相对产量(系数)比珍汕97高0.3,表现出对低磷胁迫的耐性。

目录

中文摘要

Abstract

1 文献综述

1.1 植物对氮营养利用的研究进展

1.1.1 氮的存在形式及植物对氮的吸收利用

1.1.2 植物氮营养的基因型差异

1.1.3 耐低氮筛选指标

1.2 植物对磷营养利用的研究进展

1.2.1 磷的存在形式及植物对磷的吸收利用

1.2.2 植物磷营养的基因型差异

1.2.3 耐低磷筛选指标

1.3 作物营养耐性的筛选方法

1.4 本研究的目的与意义

2 材料和方法

2.1 材料

2.2 方法

2.3 数据分析

2.4 基因型分析与QTL检测

2.4.1 分子标记分析

2.4.2 QTL检测

3 结果与分析

3.1 以9311为遗传背景代换系的分析

3.1.1 亲本及代换系群体在不同处理下的平均表现

3.1.2 代换系表型变异及性状间的相关性

3.1.3 相对性状系数(或指数)的大小

3.1.4 QTL定位

3.2 以珍汕97为遗传背景代换系的分析

3.2.1 亲本及代换系群体在不同处理下的平均表现

3.2.2 代换系表型变异及性状间的相关性

3.2.3 相对性状系数(或指数)的大小

3.2.4 QTL定位

4 讨论

4.1 大田鉴定法研究作物营养耐性的可行性

4.2 染色体片段代换系在QTL定位中的优势

4.3 不同处理下QTL的比较

4.4 不同遗传背景下QTL的比较

4.5 相对性状QTL的意义

4.6 进一步研究的思考

参考文献

致谢