水稻叶绿体基因遗传多态性及其在同核异质材料中表达研究

摘要

水稻是世界主要粮食作物之一，我国60％以上的人口以稻米为主食。杂交水稻的广泛种植，为粮食生产的发展和食品安全作出了巨大贡献。但是近年来，杂交水稻的单产一直徘徊不前，其主要是因为我国杂交水稻亲本的遗传多样性不高，不育系与不育系之间以及父本与父本之间遗传背景差异过小，亲缘关系过近。特别是以核质互作雄性不育为不育系的三系杂交水稻由于受细胞质资源的约束，进一步提高三系杂交稻产量的难度越来越大。因此，开展水稻细胞质遗传多态性以及细胞质效应的研究对进一步提高水稻杂种优势具有重要意义。本文以杂交水稻亲本为材料对水稻叶绿体基因的遗传多态性及叶绿体基因在同核异质水稻材料中的表达差异进行研究，旨在促进对水稻细胞质分子遗传特点的认识，为杂交水稻的母本选择提供理论指导。
　　 1籼粳亚种间叶绿体基因的比较
　　 对4个典型籼稻和3个典型粳稻的5个叶绿体基因(psbB、rpoc2、ccsA、ndhH、psbA)序列分析发现5个基因在碱基水平上都存在差异，这种差异呈现为籼粳亚种间的规律性差异，即4个典型籼稻的cpDNA基因序列一致(称之为籼型基因)，3个典型粳稻的cpDNA基因序列一致(称之为粳型基因)，不同品种中籼型基因与粳型基因的碱基差别完全相同，且cpDNA的籼粳类型与核基因组籼粳类型完全一致，说明供研究的5个水稻叶绿体基因具有亚种间标志性差异。
　　 爪哇稻Lemont、IM359的5个叶绿体基因序列与典型粳稻完全一致，表明在这5个叶绿体基因序列水平上爪哇稻的细胞质偏粳。
　　 2水稻三系不育系叶绿体基因的分析
　　 对11个三系不育系水稻材料的5个叶绿体基因序列研究表明，野败型、印水型、K型的10个细胞质材料的5个叶绿体基因序列完全一致，红莲型不育系材料粤泰A与这10种不育系水稻相比，在psbB和ndhH基因上共有3个碱基差异。这从叶绿体基因碱基序列水平上说明了粤泰A的细胞质遗传与其它10种水稻不育系材料的不同。本研究结果说明，目前生产上应用的三系不育系其细胞质的基因型主要为野败型，细胞质的遗传多态性水平非常低。
　　 3普通野生稻叶绿体基因的分析
　　 对12个普通野生稻材料的5个叶绿体基因序列分析发现，合浦、茶陵、东乡普通野生稻5个叶绿体基因序列与籼稻完全一致，其它9种材料都存在着部分位点碱基与籼稻相同，而其他部分位点与粳稻相同，其中高州、扶绥、柳江普通野生稻5个叶绿体基因序列完全相同。这说明普通野生稻的细胞质遗传多态性很丰富，同时表明普通野生稻叶绿体基因组具有籼粳分化的趋势，为支持栽培稻的二源起源学说提供了重要的分子证据。
　　 野败型三系不育系与海南普通野生稻的5个叶绿体基因序列存在3个位点的碱基差异，说明袁隆平院士、李必湖研究员在海南发现的含不育细胞质基因的天然不育株不是普通的海南普通野生稻，而是细胞质发生了特殊遗传变异。红莲型不育基因源也是特异的遗传突变株。
　　 4同核异质水稻叶绿体基因表达差异分析
　　 对以籼型不育系准S为核供体、籼稻南京11号和粳稻日本晴为细胞质供体制备的同核异质水稻进行叶绿体基因psbA、atpB、rbcL和核基因rbcS表达差异比较发现，psbA、atpB、rbcL、rbcS基因在日本晴质/准S核中的表达量均高于在南京11号质/准S核中的表达量。而4个基因在细胞质同为粳型的准S和日本晴质/准S核中其表达量差异不明显。说明遗传背景不同会影响叶绿体和核基因的表达。

目录

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第一章综述

1.1三系杂交水稻研究进展

1.1.1三系杂交水稻基本特性

1.1.2核质互作型不育系的类型

1.1.3核质互作型不育系的选育

1.2叶绿体基因组的研究进展

1.2.1叶绿体基因组的结构特征

1.2.2叶绿体的编码基因

1.2.3叶绿体基因的表达调控

1.3水稻叶绿体遗传多态性的研究进展

1.4本研究的背景、目的和意义

第二章水稻5个叶绿体基因遗传多态性研究

2.1材料和方法

2.1.1试验材料

2.1.2序列对比

2.1.3总DNA提取

2.1.4 PCR扩增和电泳

2.1.5 DNA测序

2.1.6数据分析

2.2结果与分析

2.2.1水稻叶绿体全基因组序列对比分析

2.2.2籼粳亚种间叶绿体基因的序列差异分析

2.2.3三系不育系水稻叶绿体基因的序列差异分析

2.2.4普通野生稻叶绿体基因的序列差异分析

2.3讨论

2.3.1典型籼稻，粳稻叶绿体基因分子标记

2.3.2三系不育系水稻叶绿体DNA遗传多态性分析

2.3.3普通野生稻叶绿体DNA遗传多态性分析

2.3.4水稻叶绿体基因特异位点的分析

第三章同核异质水稻叶绿体基因表达差异的初步分析

3.1材料和方法

3.1.1试验材料

3.1.2实验方法

3.2结果与分析

3.2.1总RNA的提取

3.2.2 PCR产物回收片段测序

3.2.3 psbA、atpB、rbcL、rbcS、β-actin基因片段的平台期

3.2.4 psbA、atpB、rbcL、rbcS基因半定量RT-PCR分析

3.3讨论

参考文献

致谢