利用籼稻种质资源关联分析水稻苗期耐亚铁毒、锌毒和铝毒胁迫的QTL

摘要

土壤重金属污染严重影响水稻产量以及人民生活健康，因此，发掘耐重金属毒害的基因具有重要意义。本研究以国际水稻研究所(IRRI)收集的222份籼稻微核心种质资源为材料，结合700K高密度芯片进行水稻苗期耐亚铁毒、锌毒和铝毒的关联分析，并挑选极端抗、感材料进行转录组分析。同时将对铝毒表现极端抗、感的两个材料构建F2群体进行BSA分析，从基因组和转录组水平上对水稻苗期耐亚铁毒、锌毒和铝毒的分子遗传机制进行初步解析，为分子标记辅助选择改良水稻对亚铁毒、锌毒和铝毒的抗性提供有利等位基因和优良供体。主要研究结果如下:　　1.222份种质资源的群体结构分析　　本研究中所用的222份籼稻种质资源可以分为两个亚群，去除11份材料后，剩余的211份材料不存在明显的群体结构。去除稀有位点MAF(＜5％)后，从700K SNP中筛选到395553个SNP，平均覆盖水稻基因组的97.6％，两个相邻标记的最大距离平均为943bp。该群体的LD遗传距离大约为200kb。　　2.水稻苗期耐亚铁毒、锌毒和铝毒的QTL定位及候选基因挖掘　　在亚铁毒和锌毒试验中，分别定位到14个耐亚铁毒的QTL和16个耐锌毒的QTL。其中qSdw3a，qSdw3b，qSdw12和qSFe5/qSZn5在两种胁迫条件下均能检测到，表明这些区间可能存在耐亚铁毒和锌毒的共同基因。根据基因的功能注释，推测出5个QTL qSh6/qSdw6，qSdw3a，qSdw3b，gSwc5和gSFe2的候选基因。3个材料(CC55，CC123和CC155)对亚铁毒和锌毒具有较高的抗性。在苗期和芽期耐铝毒试验中，分别定位到15个和4个与耐铝毒相关的QTL，其中苗期定位到的qSdw5与芽期定位到的qGRl5a位于同一区间。根据基因的功能注释推，测出6个耐铝毒QTL qSh7，qSdw2，qSdw3a，qSdw5，qSwc3和qSwc8的候选基因。3个材料(CC105，CC163和CC268)对铝毒表现出较高的抗性，1个材料(CC180)对铝毒表现为极度敏感。　　3.利用BSA法定位新的耐铝毒基因　　由对铝毒表现极端差异的抗性材料CC105和敏感材料CC180构建的F2分离群体进行BSA测序分析。亲本平均测序深度13X，混池平均测序深度22X，利用双亲间568239个多态性SNP定位到耐铝毒的候选区域在第2染色体0.0-2.0Mb区间内。3个候选基因LOC_Os02g02580，LOC_Os02g03390和LOC_Os02g03530附近存在ΔSNP-index等于1的SNP位点。参考基因的功能注释，LOC_Os02g02580属于TBL蛋白家族，参与细胞壁多糖的乙酰化修饰，在拟南芥中与耐铝毒胁迫相关，是最有可能的候选基因。　　4.耐重金属胁迫相关基因的单倍型分析　　利用从水稻3K资源中挑选的354份材料对12个已知的耐重金属胁迫相关的基因和本研究定位的38个候选基因进行单倍型分析，共发现12个基因的单倍型在对应的表型间存在显著差异。其中，亚铁毒试验中定位的qSh6和qSdw6的候选基因LOC_Os06g17880的单倍型在对照和亚铁毒条件下存在显著差异，LOC_Os06g17880可能是影响水稻苗期耐亚铁毒胁迫的候选基因。gSdw3a的候选基因LOC_Os03g47360的单倍型在对照和处理(Fe、Zn和Al)条件下存在显著差异，该基因可能影响水稻苗期耐重金属胁迫。　　5.抗、感材料间的转录组分析　　分别挑选对亚铁毒、锌毒和铝毒的极端抗、感材料进行转录组分析，105个基因在亚铁毒、锌毒和铝毒抗、感材料间同时存在差异表达。GO富集分析结果表明，重金属抗、感材料间的差异表达基因主要参与离子运输、氧化还原酶活性、细胞死亡和ATP转运等生物过程。本研究发现的耐亚铁毒的LOC_Os06g17880和LOC_Os09g2700，耐锌毒的LOC_Os05g04410以及耐亚铁毒和锌毒的LOC_Os03g62170在转录组分析中表现为差异表达，这些基因很可能是水稻苗期亚铁毒、锌毒胁迫抗性相关的候选基因。

目录

声明

摘要

1．1 论文研究内容

1．2 土壤重金属污染

1．2．1 土壤重金属

1．2．2 重金属对植物的伤害

1．2．3 重金属对人体的危害

1．3 水稻对重金属元素的吸收及抗性机制

1．3．1 不同品种对重金属元素吸收的差异

1．3．2 水稻不同器官对重金属元素吸收的差异

1．3．3 水稻对不同重金属元素吸收的差异

1．3．4 植物对重金属胁迫的抗性机制

1．4 水稻耐亚铁毒、锌毒和铝毒胁迫的研究进展

1．4．1 水稻耐亚铁毒胁迫的研究进展

1．4．2 水稻耐锌毒胁迫的研究进展

1．4．3 水稻耐铝毒胁迫研究进展

1．4．4 水稻耐亚铁毒、锌毒和铝毒胁迫相关的基因

1．5 全基因组关联分析研究进展

1．5．1 全基因组关联分析

1．5．2 GWAS分析的优势

1．5．3 GWAS在水稻中的研究进展

1．5．4 GWAS分析中处理群体结构的方法

1．5．5 GWAS分析方法的局限性

1．6 BSA法挖掘候选基因

1．6．1 混合群体分离分析法

1．6．2 BSA法的优势及应用

第二章 关联分析定位水稻苗期耐亚铁毒和锌毒的QTL

2．1 材料与方法

2．1．1 试验材料

2．1．2 水稻苗期耐亚铁毒和锌毒的表型鉴定

2．1．3 地上部Fe2+和Zn2+含量的测定

2．1．4 表型数据分析

2．1．5 基因型数据分析

2．1．6 关联分析及候选基因确定

2．2 结果与分析

2．2．1 SNP基因型与群体结构

2．2．2 群体苗期耐亚铁毒和锌毒的表现

2．2．3 耐亚铁毒相关性状的QTL定位

2．2．4 耐锌毒相关性状的QTL定位

2．2．5 耐亚铁毒和锌毒重要QTL的候选基因分析

2．3 讨论

2．3．1 耐亚铁毒和锌毒QTL的遗传重叠

2．3．2 与前人定位到耐亚铁毒和锌毒的QTL或基因比较

2．3．3 耐亚铁毒和锌毒重要QTL候选基因的确定

2．3．4 本研究中GWAS定位的思考

2．3．5 对水稻耐亚铁毒和锌毒育种的启示

第三章 关联分析定位水稻苗期和芽期耐铝毒的QTL

3．1 材料与方法

3．1．1 材料和700K SNP

3．1．2 水稻苗期耐铝毒的表型鉴定

3．1．3 水稻芽期耐铝毒的表型鉴定

3．1．4 数据分析

3．2 结果与分析

3．2．1 群体苗期和芽期耐铝毒胁迫相关性状的表现

3．2．2 苗期耐铝毒相关性状间的相关

3．2．3 苗期耐铝毒相关性状的QTL定位

3．2．4 芽期耐铝毒相关性状的QTL定位

3．2．5 耐铝毒重要QTL的候选基因分析

3．3 讨论

3．3．1 耐铝毒相关QTL的遗传重叠

3．3．2 耐铝毒重要QTL候选基因的确定

3．3．3 与前人定位到耐铝毒相关QTL的比较

4．1 材料方法

4．1．3 DNA提取

4．1．4 文库构建

4．1．5 QC分析

4．1．6 混池SNP频率差异分析

4．2 结果与分析

4．2．1 亲本及F2群体在铝毒胁迫下的表现

4．2．2 测序数据统计结果

4．2．3 抗感池测序结果

4．2．4 双亲在候选基因上的序列差异

4．2．5 双亲在Nratl上的序列差异

4．2．6 利用3K材料验证候选基因

4．3 讨论

第五章 耐重金属相关基因的单倍型分析

5．1 材料与方法

5．1．1 材料

5．1．2 耐重金属胁迫的表型鉴定

5．1．3 单倍型获取与筛选

5．2 结果与分析

5．2．1 种质资源在亚铁毒和锌毒胁迫下的表现

5．2．2 单倍型分析结果

5．3 讨论

第六章 重金属抗感材料的转录组分析

6．1 材料与方法

6．1．1 材料

6．1．2 耐重金属胁迫的表型鉴定

6．1．3 总RNA提取

6．1．4 样品检测及文库构建

6．1．5 序列比对

6．1．6 差异表达基因分析

6．2 结果与分析

6．2．1 极端材料的表型

6．2．2 测序原始数据统计及比对

6．2．3 差异表达基因的相关性分析

6．2．4 抗感材料间的差异表达基因分析

6．2．5 差异表达基因的聚类分析和GO富集分析

6．3 讨论

第七章 全文结论

参考文献

附表

附图

附录

致谢

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