水稻耐低氮胁迫相关QTL定位和一个叶色基因的图位克隆

摘要

氮是水稻生长和发育所必需的大量元素，而一味追求水稻高产，氮肥的施用量也越来越多，从而导致了环境污染，因此，挖掘水稻耐低氮基因、培育氮高效的水稻品种对农业可持续发展有重要意义。 本研究利用以粳稻品种Asominori为受体和籼稻品种IR24为插入片段构建的共计67个置换系材料，通过大田低氮胁迫性状鉴定，筛选出四个耐低氮家系(Y1997、Y1998、Y1999、Y2000)，且在实验室水培苗期表型同样表现耐低氮，通过田间耐低氮QTL分析，结合置换系图谱以及RNA-seq数据定量分析，精细定位了水稻耐低氮基因:天冬酰胺合成酶，并对其可能行使的功能进行了分析，主要结果如下: 1.耐低氮胁迫相关性状的QTL定位，使用QTL IciMapping软件计算QTL，采用复合区间(CIM)作图方法来检测与目标性状关联的QTL，并估算其加性效应值，对应性状总变异的贡献率。借助已有的水稻遗传图谱，将LOD值2.5作为阈值，共检测出株高和分蘖有关的位点13个，分布在6条染色体上。 检测到与株高有关的QTL共10个，LOD值从2.56到7.45，分别位于第2、3、4、7、12染色体，它们所解释的表型变异范围为1.32％-6.74％，其中在相对株高指标上，位于第3染色体RM7附近的QTL的LOD值为7.45，四个耐低氮家系在此处有IR24片段的插入，QTL贡献率为6.74％，是6个相对株高QTL中贡献率最大的。 检测到与分蘖有关的QTL共3个，LOD值从2.53到2.76，其中与相对分蘖有关的QTL有2个，分别位于水稻第1、7染色体上，它们所解释的表型变异范围为17.08％-19.34％。 2.RM7处的IR24片段的插入，使天冬酰胺合成酶基因氨基酸序列发生变化，使Y1997、Y1998、Y1999、Y2000四个家系在田间低氮胁迫下的株高比与分蘖比上高于亲本ASO和IR24，在实验室水培低氮胁迫下的相对根干重比与相对植株干重比上高于亲本ASO和IR24，频数分布图均近似正态分布。并且定量结果显示该基因在不同氮素浓度处理下相对表达量有极显著差异，遗传分析表明，IR24的天冬酰胺基因在第十三个外显子发生六个碱基的缺失，导致氨基酸序列缺失;目标基因是氨基转移酶家族成员，不同植物中的AS-B氨基酸序列同源性非常高，相似性达到70％-80％，是一类非常保守的蛋白。 水稻叶片是植物进行光合作用的主要器官，是形成水稻产量的基础。深入研究叶绿体发育调控机制将会为我们培育高产作物品种提供启示。 本研究利用EMS诱变得到的水稻NJ4苗期白条纹突变体btw，通过图位克隆的方法，克隆到了一个新的水稻叶色基因btw。 1.与野生型粳稻品种宁粳4号植株相比，btw突变体呈现白条纹性状，叶绿素a含量下降了55.3％，叶绿素b含量下降了57.1％，类胡萝卜素含量下降了37.4％。透射电镜观察发现突变体叶绿体中类囊体数目减少而且片层结构排列松散，此外农艺性状调查结果显示，btw突变体较野生型株高、剑叶长、剑叶宽、穗长、有效分蘖、千粒质量等均有不同程度的降低。 2.利用水稻白条纹突变体btw与南京11配制的杂交组合F2群体进行基因定位，初步定位于第三染色体长臂上，进一步开发分子标记把定位区间缩短在了140kb区域内，该区域包含13个候选基因。经测序比对分析发现，突变发生于LOC_Os03g11110基因上，其编码区第856个碱基发生了单碱基替换，由‘C’替换为‘T’，导致氨基酸由亮氨酸变为苯丙氨酸，该基因功能还有待研究。

目录

声明

摘要

第一部分 第一章文献综述

1．1植物氮素的来源

1．2植物氮素的功能

1．3植物氮素的吸收

1．4植物氮素的同化

1．4．1硝态氮的同化

1．4．2氨的同化

1．5植物缺氮或氮素过多的影响

1．6植物氮素的转运与利用

1．7天冬酰胺合成酶研究进展

1．7．1天冬酰胺合成酶的结构与分类

1．7．2天冬酰胺合成酶的催化反应机制

1．7．3植物中天冬酰胺合成酶基因的表达

1．8氮素利用效率的评价指标

1．9 RNA-seq技术

1．10 QTL定位方法

1．11 染色体片段置换系在QTL定位方面的应用

1．12水稻耐低氮QTLs研究

1．13本研究的目的意义

第一部分 第二章田间鉴定“Asominori／IR24”CSSLs检测水稻耐低氮QTL

2．1材料与方法

2．1．1试验材料来源及种植

2．1．2田间表型数据的收集

2．1．3实验方法及数据分析方法

2．1．4表型数据分析方法

2．1．5 QTL分析

2．2结果与分析

2．2．1大田耐低氮鉴定数据分析

2．2．2染色体上SSR标记分布

2．2．3相关性状QTL定位

2．3讨论

第一部分 第三章携带QTL位点的家系苗期耐低氮鉴定

3．1材料与方法

3．1．1试验材料及处理

3．1．2苗期表型数据的收集

3．1．3实验方法及数据分析方法

3．1．4表型数据分析方法

3．2结果与分析

3．2．1苗期耐低氮鉴定数据分析

3．2．2 RT-PCR分析

3．2．3 AS基因分析

3．2．4 AS基因进化树分析

3．2．5 AS基因三维结构预测

3．3讨论

第一部分 第四章讨论与总结

4．1 讨论

4．2本研究的创新之处

第二部分 第五章文献综述

5．1叶色突变体概述

5．1．1叶色突变体的分类

5．1．2叶色突变体的来源

5．1．3叶绿素的合成

5．1．4叶绿体发育

5．1．5叶色突变体研究进展

5．2叶色突变体的应用

5．3本研究的目的与意义

6．1 供试材料

6．2表型与农艺性状考察

6．4透射电镜(TEM)分析

6．5群体构建

6．6 DNA提取与标记检测

6．7基因定位与候选基因分析

第二部分 第七章结果与分析

7．1 突变体的形态特征和主要农艺性状

7．2野生型与btw突变体叶绿素含量的测定分析

7．3 btw突变体中叶绿体超微结构的观察

7．4突变体基因的定位

第二部分 第八章讨论与总结

8．1 讨论

8．2本研究的创新之处

参考文献

附录

致谢