亚种间杂交与玉米C型pepc基因利用改良水稻光合特性

摘要

“超级稻”计划于1996年正式启动，在保持良好株型、高光能利用率的基础上进一步提高单叶光合效率，将是“超级稻”育种计划实现的可靠保证。本研究以单叶光合效率为研究重点分别对通过杂种优势利用和外源基因转移两种方式配制的F1进行了研究。一方面，用Kitaake作父本，分别与蜀恢527、蜀恢881、绵恢725、Lemont及香大粒等5个遗传差异不同的母本杂交，考察不同遗传距离F1的光合特性和干物质转运等情况，拟揭示遗传距离远近与生物学优势和产量优势的关系。另一方面以转玉米pepc基因种质为基因供体，设计pepc基因的特异性引物进行MAS选育，培育了含有pepc基因、且遗传背景与轮回亲本相似性达到95％以上的蜀恢881改良系，并研究了它与3个籼型不育系冈46A、776A及2480A配制的F1光合特性以及改良蜀恢881不同株系配合力。主要结论如下： 1、亲本与F1之间叶肉细胞对CO2的同化能力存在差异。在高光通量密度(PFD)条件下，5个F1净光合速率(Pn)明显高于双亲或双亲之一，且在没有气孔限制情况下，亲本胞间CO2浓度(Ci)值相对于F1还有上升。 2、5个F1因为具有不同的遗传差异而表现出不同的光合优势。在表观量子效率(AQY)、羧化效率(CE)、CO2补偿点(CCP)等光合生理指标方面的比较中，籼粳亚种间F1(绵恢725/Kitaake、蜀恢527/Kitaake、蜀恢881/Kitaake)对2个亚种内F1香大粒/Kitaake(粳爪交)、Lemont/Kitaake(不同生态型的粳粳交，美国稻属于特殊粳稻)具有明显的优势，而蜀恢881含有粳型血缘，蜀恢881/Kitaake也比典型籼粳亚种间F1绵恢725/Kitaake、蜀恢527/Kitaake优势稍逊一筹。 3、籼粳亚种间F1农艺性状的竞争优势明显，株高、有效穗等方面表现较为突出。在理论产量—库容的比较中，蜀恢881/Kitaake＞绵恢725/Kitaake＞蜀恢527/Kitaake＞Lemont/Kitaake=香大粒/Kitaake。 4、印证了“亚种优势、距离适度”这一利用亚种间杂种优势的可行技术路线。极差的结实率限制了籼粳交F1生物学优势向经济产量优势的转化，阻碍了籼粳亚种问杂种优势的利用，茎秆中可溶性糖含量的测定结果也显示了籼粳交杂种大量的同化产物积存在茎秆中未能转运。蜀恢881/Kitaake虽同为籼粳交，但蜀恢881具有一定的粳性血缘，库容优势明显，而且结实率仅次于香大粒/Kitaake，达63.1％，同化产物的转运也较另外两个籼粳交F1好得多。 5、建立了分子标记辅助选择、光合生理生化指标鉴定和田间综合农艺性状考察相结合筛选含玉米pepc基因水稻的成熟技术体系。对蜀恢881改良系遗传背景的分析表明，蜀恢881改良系遗传背景与轮回亲本的相似度为97.09％～99.03％，差异的位点仅有1～3个，显示应用该体系，pepc基因成功地实现向籼稻受体的转移。 6、含有pepc基因F1光合生理表现优于相应对照。在6个关键生育期以及剑叶完全展开后不同时期光合指标的动态检测显示，含有pepc基因的3个F1PEPCase活力均显著高于各自对照，净光合速率(Pn)也有所提高，分析表明PEPCase活力与净光合速率(Pn)有极显著的相关性(0.6081**)。另外，3个含有pepc基因F1的表观量子效率(AQY)、光补偿点(LCP)、羧化效率(CE)均高于对照，CO2补偿点(CCP)较对照低，在光饱和点(LSP)和CO2饱和点(CSP)时的净光合速率(Pn)也高于相应对照。 7、在拔节期和始穗期测定相应的光合生理指标来筛选含有pepc基因材料可以获得理想的效果。含有pepc基因杂交稻、转pepc基因种质Kitaake和含有pepc基因蜀恢881改良系用同样方法进行了光合生理指标的考察，对其结果比较后发现，转pepc基因种质Kitaake和含有pepc基因蜀恢881改良系PEPCase活力都在拔节期表现最高，蜀恢881改良系的净光合速率(Pn)也在拔节期最大；转pepc基因Kitaake在始穗期净光合速率(Pn)达到最高，但拔节期净光合速率(Pn)表现也较好。可见，pepc基因在籼粳两种遗传背景中的表达行为是一致的。虽然PEPCase活力和净光合速率(Pn)达到的最高时期在含有pepc基因的不同F1之间有差异，但几乎也集中在拔节期和始穗期。 8、881P与881R是近等基因系，遗传背景相似度在95％以上，用它们分别与不育系杂交，含有pepc基因F1在光合生理与单株生产能力上的优势主要是由导入的C4pepc基因引起，从育种实践上表明了利用C4高光效基因的可行性。 9、含有pepc基因杂交稻的水分利用效率(WUE)得到显著提高。在无水分胁迫条件下，一方面pepc基因对CO2亲和力高，能够同化更多的CO2，从而含有pepc基因F1的净光合速率(Pn)表现较对照高；另一方面，含有pepc基因F1气孔运动受到影响，气孔开度较对照低，从而影响到蒸腾速率(Tr)在对应的观测点较对照低。所以，在全生育期，无论对于倒二叶还是剑叶，含有pepc基因F1的水分利用效率(WUE)表现都要优于相应的对照，这是净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)共同作用的结果。 10、含有pepc基因F1单株产量相对于对照的平均增幅达41.48％，对亲本单株产量配合力效应的分析中，鉴定出Line1和Line6的GCA效应较高，值得今后进一步考察与利用。对于776A/Line6，它的单株生产能力在所有的F1中表现最好，是进一步考察的重点。

目录

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摘要

1文献综述

2材料与方法

3结果与分析

4讨论

参考文献

硕士期间发表的学术论文

致谢