利用籼粳染色体片段置换系研究水稻粒形相关性状的遗传基础

摘要

水稻（Oryza sativa）在亚洲乃至全世界都是主要的粮食作物之一。随着生活水平的不断提高，人们越来越重视稻米的外观性状。水稻粒形不仅是稻米外观指标之一，也是产量构成的重要因素之一，然而同时改良水稻的产量和品质对育种家来说是很大的挑战，因为产量和品质性状通常是负相关的。在过去的十几年中，人们对粒形的遗传机理做了广泛的研究，但是其中的遗传基础还不清楚。因此深入解析稻米粒形的遗传基础将对培育高产的水稻品种具有重要指导意义。
　　染色体片段置换系(Chromosome segments substitution lines，CSSLs)属于永久性群体，相对于F2等临时性群体，可以满足重复实验的需求，同时能够有效地排除遗传背景的影响，很适合遗传基础的研究。本研究以粳稻Asominori和籼稻IR24杂交衍生的两套交互式染色体片段置换系(CSSLs)以及分别与背景亲本杂交产生的两套F1群体，共四套群体为实验材料，利用SSR标记构建了两套置换系的基因型图谱。结合粒形的表型数据，利用Icimapping软件分析了各个群体中加-显性QTL位点，同时利用中亲优势值分析了F1群体中的杂种优势位点(Heterotic loci，HL)。主要结果如下:
　　1.SSR基因型图谱构建:利用131对SSR标记对以Asominori为受体，以IR24为供体的NAIS置换系构建基因型图谱;在粳稻置换系中，9％的家系为单片段置换系，50％的家系包含2-3个供体片段，28％的家系包含4-5个供体片段，大于6个供体片段的家系（主要集中在Chr.10和Chr.11上）只占群体的9％，供体片段均匀分布在12条染色体上，覆盖整个基因组。经统计:供体片段累计达211个，平均每个家系包含3.29个供体片段，每个供体片段平均在1.61个家系中重复出现。利用126对SSR标记对以IR24为受体，以Asominori为供体的NIAS置换系构建基因型图谱。在籼稻置换系中，15％的家系为单片段置换系，49％的家系包含2-4个供体片段，21％的家系包含5-6个供体片段，而大于7个供体片段（主要集中在Chr.6和Chr.12上）的家系只占12％，供体片段覆盖整个基因组。经统计:供体片段累计达209个，平均每个家系包含3.66个供体片段，每个供体片段在1.65个家系中重复出现。
　　2.粒形性状表型变异分析:NAIS群体在南京和贵阳环境中粒形性状对比发现粒宽和长宽比几乎没有差异，粒长在南京环境下比在贵阳平均略长0.13mm，相应的粒面积也增加了0.65mm2，说明粳稻更适合在长日照条件下生长。NIAS群体在E2环境中相对于E1环境粒形性状更好，具体表现为粒形的长宽比适中，粒面积相对较大。说明籼稻更加适合于在多雨水肥沃的地理区域生长。而无论NAIS还是NIAS，从整个置换系的表型来看，与背景亲本的差异很微小，说明置换系群体中的增效片段和减效片段数量相当，彼此效应相互抵消。而从各个家系来看，存在明显的双向超亲现象，是由于各个家系包含的供体片段以及片段数量不同所致。
　　3.结合粒形表型数据，鉴定4套群体中粒形性状的加-显QTL。利用NAIS及NAISF1在2个环境中检测到3个影响粒长的加-显性QTL。qGL2-1-I同时具有加性和显性效应，其余QTL只表现出加性效应;6个影响粒宽的加-显性QTL，qGW1-1-I在贵阳中同时具有加性和显性效应;6个影响谷粒长宽比的加-显性QTL，qLWR1-1-I在两个环境中同时表现出加性和显性效应，且都表现为负向的减小表型的作用;4个影响粒面积的加-显性QTL，且都只表现出加性或者显性效应。利用NIAS及NIASF1在2个环境中共检测到2个影响粒长的加-显性QTL，qGL3-1-A和qGL4-1-A在贵阳环境中同时具有加性和显性效应，而在南京环境中qGL3-1-A只表现为显性效应，qGL4-1-A只表现为加性效应;5个影响粒宽的加-显性QTL，qGW2-1-A在南京点中同时检测到加性和显性效应;4个影响谷粒长宽比的加-显性QTL，qLWR3-1-A和qLWR5-1-A在两个环境中同时表现出加性和显性效应;2个影响粒面积的加-显性QTL，且都只表现出加性或者显性效应。
　　4.根据粒形性状的中亲优势值，结合基因型数据，检测了F1群体中的杂种优势位点。粳稻中检测到1个较稳定的粒长HL位点，位于RM411标记附近具有显著的优势作用;1个稳定的粒宽HL位点，位于标记RM493附近且该标记同时为加性和显性QTL位点;2个长宽比HL位点，位于RM411、RM493标记处;籼稻中检测到1个稳定的粒长HL位点，位于RM3467标记处，且重演性强;1个长宽比HL位点，位于RM3467标记处且该标记同时为加显性QTL位点;粒宽、粒面积则未检测到稳定的HL位点。
　　5.比较加性效应值和显性效应值，计算平均显性度|D/A|值，分析各粒形性状的遗传基础。结果显示，粳稻背景下粒长的遗传主要为加性效应，粒宽的遗传主要为超显性和部分显性，长宽比的遗传主要为部分显性，粒面积的遗传则主要为显性效应。籼稻遗传背景下，粒长、粒宽、长宽比的遗传主要为部分显性效应，粒面积的遗传主要为显性效应。
　　6.从粒形性状的加性和显性效应的QTL在染色体上的分布来看，主要分布在第1，2，3，4，5，6，10，12染色体上，且QTL普遍存在一因多效的现象。所以QTL的多效性也可能是粒形的遗传基础之一。

目录

声明

摘要

缩略语

第一章 文献综述

1 水稻粒形性状研究进展

1．1 粒长基因的遗传研究

1．2 粒宽基因的遗传研究

1．3 长宽比基因的遗传研究

1．4 其他粒形性状的研究

1．5 水稻粒形的QTL定位和克隆

2 染色体片段置换系的研究与应用

2．1 染色体片段置换系的构建

2．2 染色体片段置换系的特点

2．3 染色体片段置换系的应用

3 研究目的和意义

第二章 Asominori／IR24衍生的两套置换系基因型图谱的构建

1 材料与方法

1．1 实验材料

1．2 实验设计

1．3 DNA样品的制备

1．4 PCR扩增以及PAGE胶电泳分析

1．5 SSR标记多态性筛选和基因型图谱的构建

2 结果与分析

2．1 NAIS群体基因型图谱的构建

2．2 NIAS群体基因型图谱的构建

3 讨论

第三章 水稻粒形性状QTL的定位及遗传分析

1 材料与方法

1．1 供试材料

1．2 田间试验设计

1．3 粒形性状获取

1．4 加显性效应QTL定位

1．5 中亲优势的计算

1．6 平均显性度标准的界定

2 结果与分析

2．1 NAIS、NIAS及其F1群体粒形性状表型变异分析

2．2 粳稻NAIS及NAISF1粒长加-显性QTL定位及遗传分析

2．3 粳稻NAIS及NAISF1粒宽加-显性QTL定位及遗传分析

2．4 粳稻NAIS及NAISF1长宽比加-显性QTL定位及遗传分析

2．5 粳稻NAIS及NAISF1粒面积加-显性QTL定位及遗传分析

2．6 籼稻NIAS及NIASF1粒长加-显性QTL定位及遗传分析

2．7 籼稻NIAS及NIASF1粒宽加-显性QTL定位及遗传分析

2．8 籼稻NIAS及NIASF1谷粒长宽比加-显性QTL定位及遗传分析

2．9 籼稻NIAS及NIASF1粒面积加-显性QTL定位及遗传分析

3 讨论

3．1 水稻粒形性状新位点的挖掘

3．2 粒形性状QTL“簇状分布”与品种改良

3．3 粒形性状的遗传基础

3．4 粒形性状的杂种优势位点

第四章 全文总结

1 两套置换系基因型图谱的构建

2 粒形性状加显-性QTL定位及平均显性度分析

3 粒形性状的杂种优势位点

4 创新之处与不足

参考文献

附录

致谢