中国主栽水稻品种抽穗期基因型分析及隐性感光抑制子的精细定位

摘要

水稻生育期决定了品种的地区和季节适应性，是复杂的质量数量性状，它是水稻育种的主要目标性状之一。它主要受基本营养生长基因Ef-1、lf-1和感光基因E<,1>、E<,2>、E<3,>历Se-1(Hd1)等的调控，其中，主效感光基因E<,1>和Se-1是影响水稻抽穗期的主要因子，此外隐性基因efl和se-1的同时存在可显著延长水稻的基本营养生长期。E<,2>与E<,3>本身的效应不大，但E<,2>和(或)历的存在可以增强E<,1>的感光性，明显延迟水稻抽穗。而隐性感光抑制基因i-Se-1的存在，可抑制Se-1的感光性，使得水稻在长日照下提前抽穗。研究表明，中国许多早籼品种虽然带有感光基因却不表现出感光特性，原因就在于这些品种存在隐性感光抑制基因i-Se-1。 本研究应用抽穗期基因型明确的测验系EG0-EG7，ER，LR，T65-T65m以及抽穗期QTL近等基因系，分析了中国长江中下游地区、华南稻区的早、中、晚籼水稻品种的抽穗期基因型；利用六套重组自交系和染色体片段置换系群体分析了抽穗期QTL表达的稳定性，并构建了部分近等基因系；根据重组自交系和置换系定位的结果，构建了Asominori和AIS61的回交次级F<,2>群体，证明并图位克隆了隐性感光抑制基因dth-8；探讨了水稻抽穗期基因型分布规律，对不同类型或地区适宜生育期水稻品种进行了设计。 1.早籼水稻品种抽穗期基因型分析 早籼主要分布在华南双季稻作区和华中双、单季稻作区，四川、云南、贵州和华东部分地区也有种植，在早籼育种尤其杂交稻育种中，经常存在“早而不优，优而不早”的现象，这严重阻碍了早籼杂交稻在生产上推广。为阐明这些水稻材料的抽穗期基因型及其遗传规律，本研究采用一套抽穗期基因型明确的EGO～EG7、ER、LR，T65～T65m以及4个QTL近等基因系为测验品种，分析了我国早籼水稻的抽穗期基因型，结果表明： 我国长江流域、华南稻区的早籼水稻品种都带有显性早熟基因Ef-1，不带有或只带有E<,1>、Se-1<'t>两个主效感光基因中的一个，同时带有隐性感光抑制基因i-Se-1，表现为弱感光性或无感光性，基本营养期短，生育期短。 2．中籼水稻品种抽穗期基因型分析 中籼在我国长江中下游地区广泛种植，其中，中籼杂交稻极大地发挥了水稻品种博士学位论文：中国籼稻品种抽穗期基因型分析及隐性感光抑制基因dth-8的精细定位的产量优势，但同时存在的杂种F<,1>的超亲晚熟限制了杂种优势的利用。用一套抽穗期主基因型明确的近等基因系EG0、EG1、ER、LR，T65Eb、T65Ebm以及2个QTL近等基因系Nipponbare，NIL(Hd2)为测验品种，分析了这些材料的抽穗期主基因基因型，结果表明：长江流域、华南稻区的中籼水稻品种抽穗期遗传比较复杂，但基本上可以分为两类：一类只带有E<,1>、Se-1<'n>两个主效感光基因中的一个，同时带有显性早熟基因Ef-1，表现为具有一定的感光性和短的基本营养生长期；另一类带有非感光基因e<,1>、Se-1<'e>，同时带有隐性迟熟基因ef-1，表现为具有弱的感光性，但有较长的基本营养生长期。 3．晚籼水稻品种抽稳期基因型分析 晚籼主要分布在华南双季稻作区和华中双、单季稻作区，四川、云南、贵州和华东部分地区也有种植，占整个水稻播种面积的三分之二。用一套抽稳期主基因型测验系EGO、EGl、ER、LR，T65Eb、T65Ebm以及2个QTL近等基因系Nipponbare，NIL(Hd2)对这些材料的抽穗期主基因型进行分析表明：长江流域、华南稻区的晚籼水稻品种也都带有显性早熟基因Ef-1，同时带有E<,1>、Se-1<'n>两个主效感光基因或只带其中的一个，表现为强感光性，基本营养期较短，生育期适中。 4．抽穗期QTL的稳定性表达 水稻抽穗期是一个复杂的遗传性状，其QTL的检测依赖于所用分离群体的遗传结构。不同亲本组合检测到的抽穗期QTL不同，相同组合的分离群体在不同环境中检测到的影响抽穗期的QTL位点也不完全相同，难以准确估测不同染色体区段对抽穗期的影响。在一个群体检测到的抽穗期QTL，在其它群体是否也存在，要回答这个问题，有必要用不同的群体及相同的群体在不同环境中的抽穗期进行QTL稳定性表达分析。 本研究利用4个重组近交系(RIL)“(Nipponbare×Kasalath)×Nipponbare”、“密阳23×秋光”、“越光×桂朝2号”、“Asominori×IR24”及两套染色体片段置换系为材料，进行多年多点种植调查，检测稳定性表达的抽穗期QTL，结果表明，位于第2、3、6、7染色体上的感光性位点和第8、10染色体上的早熟位点在多种环境下能够稳定表达。并根据这些QTL构建部分抽穗期近等基因系，明确每个QTL的具体效应。 5．隐性感光抑制基因dth-8的精细定位 本研究利用1个非感光性籼稻IR24与强感光性粳稻Asominori构建的重组自交系(RIL)群体及其相应的全基因组染色体片段置换系(CSSL)群体，在3种环境下对水稻抽穗期QTLs进行定位及感光效应分析，并利用CSSL群体与双亲的测交组合，研究QTLs的杂合效应及遗传性质。分析了Asominori和IR24的抽穗期基因型，在籼稻IR4中精细定位了1个感光抑制基因dth-8，该基因能够抑制E<,1>的感光性，同时用W2281/9311F2群体进一步验证了该基因的功能，并证实这个基因具有显著促进亚种间杂交稻抽穗的作用。文章讨论了该基因可能遗传模式以及在分子设计育种和杂交稻选育中的应用价值。 6．水稻抽穗期设计育种 探讨作物分子设计育种在作物全基因组序列分析的基础上，明确主要农艺性状基因的功能及效应、网络调控和基因表达产物互作的前提下，根据育种目标，通过计算机软件分析和模拟，得出最优育种技术方案，通过转基因和分子标记技术，结合常规育种技术使目标有利基因进行有机重组，实现了从传统的“经验育种”到定向、高效的“精确育种”的转化。本文利用抽穗期研究已有的结果，结合本实验室抽穗期研究多年来的数据，针对水稻育种中存在的籼粳交超亲晚熟、杂交稻组合选配时的盲目性、不同生态区适宜生育期品种的选育等问题，对水稻抽穗期进行分子设计，试验结果充分验证了抽穗期的分子设计育种的成效。同时，本文还讨论了目前作物分子设计育种存在的问题及在某些作物某些性状开展分子设计育种的可行性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章文献综述

1水稻抽穗期遗传

1.1水稻的感光性、感温性和基本营养生长性

1.2感光性水稻品种的抽穗期遗传模式

1.3非感光性水稻品种的抽穗期遗传模式

1.4杂交稻抽穗期的遗传模式

2水稻抽穗期基因的遗传及定位

2.1感光性基因的定位

2.2基本营养生长期基因的效应及其染色体定位

2.3影响抽穗期的其它修饰基因的效应及其染色体定位

2.4主栽品种抽穗期基因型分析结果

3水稻抽穗期QTL的效应及分子定位

3.1水稻抽穗期的QTL定位

3.2水稻抽穗期QTL位点与己知质量性状基因的关系

3.3水稻抽穗期QTL位点间的互作关系

4水稻抽穗期基因/QTL的克隆及其遗传网络

4.1水稻抽穗期感光基因Se-5的克隆

4.2 Hd1的克隆及功能分析

4.3 Hd6的克隆及功能分析

4.4 Hd3a的克隆及功能分析

4.5 Ehd1的克隆及功能分析

4.6水稻感光性的遗传调控途径

5分子设计育种

5.1分子设计育种的内容

5.2水稻分子设计育种的发展背景

6存在的问题与展望

6.1水稻抽穗期QTL的稳定性和育种应用

6.2水稻抽穗期QTL与主基因的关系

6.3水稻抽穗期基因的地理分布规律

6.4杂交稻生育期超亲晚熟问题

6.5关于显性早熟基因在水稻育种中的利用

7本研究的目的和意义

第二章早籼水稻品种抽穗期基因型分析

1材料和方法

1.1供试材料

1.2试验处理

1.3统计调查及分析方法

2结果与分析

2.1感温性分析

2.2E1位点的等位性分析

2.3 Se-1位点的等位性分析

2.4Ef-1位点的等位基因

2.5隐性感光抑制位点分析

2.6测验种×待测品种”F2群体抽穗期的分离

3讨论

3.1早籼水稻品种的抽穗期基因型规律

3.2隐性感光抑制基因在早籼中的应用

第三章中籼水稻品种抽穗期基因型分析

1材料和方法

1.1供试材料

1.2田间试验与统计分析

2结果与分析

2.1 E1、E3和Se-1位点的等位性分析

2.2Ef-1位点的等位基因

2.3隐性感光抑制位点分析

2.4测验种×待测品种”F2群体抽穗期的分离

3讨论

3.1中籼水稻抽穗期基因型

3.2水稻抽穗期基因型与种植制度

3.3杂交中籼表现广适性的遗传基础

第四章晚籼水稻品种抽穗期基因型分析

1材料和方法

1.1供试材料

1.2试验处理

1.3统计调查及分析方法

2结果与分析

2.1E1位点的等位性分析

2.2 Se-1位点的等位性分析

2.3Ef-1位点的等位基因

2.4隐性感光抑制位点分析

3讨论

3.1典型晚籼抽穗期基因型规律

3.2早晚兼用型籼稻品种的基因型特征

3.3抽穗期基因型规律与设计育种

第五章水稻抽穗期QTL表达稳定性分析

1材料与方法

1.1供试材料

1.2抽穗期调查及统计分析

1.3 QTL分析

2结果与分析

2.1 BIL群体、RIL群体及置换系群体抽穗期表现及其变异

2.2图谱构建

2.3抽穗期基因的分子定位及效应分析

3讨论

3.1控制水稻抽穗期的基因资源丰富，遗传基础复杂

3.2 QTL表达稳定性的机理

3.3不同群体间抽穗期QTL位点的差异

3.4稳定表达的QTL在设计育种中的应用

第六章隐性感光抑制基因dth-8的精细定位与育种利用

1材料和方法

1.1试验材料

1.2试验设计

1.3 QTL分析

1.4分子标记的开发

2结果和分析

2.1在3种环境下抽穗期及短日处理效应的表现

2.2抽穗期的QTL定位

2.3 qDTHh-8的感光抑制效应及其遗传分析

2.4 Asominori和IR24的感光及基本营养生长基因型

2.5感光抑制基因、感光基因的效应及互作分析

2.6感光抑制基因的初定位

2.7感光抑制基因的高密度连锁图谱及BAC重叠群构建

2.8侯选基因分析

3讨论

3.1感光抑制基因dth-8的定位和分离

3.2不同遗传背景下等位基因的差异

3.3感光抑制基因dth-8的遗传模式

3.4感光抑制基因dth-8在杂交稻选育中的应用

第七章全文讨论和结论

1全文讨论

2全文结论

参考文献

致谢

在读期间发表论文