水稻苗期耐冷性状的全基因组关联分析及主效QTL的精细定位与应用

摘要

植物在生长过程中会遇到各种变化的环境条件。其中，低温胁迫是影响作物生长、产量和限制作物地理分布的主要逆境环境因素之一。水稻是世界上最主要的粮食作物之一，世界上一半人口以大米为主食。水稻起源于热带和亚热带地区，相对于大麦、小麦等其它农作物，水稻对低温胁迫更为敏感，高纬度和高海拔地区的水稻也更容易遭受冷害的影响。即使在温度适宜区种植水稻，连续数天的低温也会对水稻的生长和产量造成重要影响。因此，发掘重要的水稻耐冷资源，并剖析其耐冷机制，有利于指导水稻耐冷分子设计育种。本研究利用全基因组关联分析方法，鉴定到一个主效的苗期耐冷QTL，并利用图位克隆方法对qCT11进行精细定位。主要结果如下:　　1.鉴定了550份来自53个国家的水稻种质苗期的耐冷性。结果表明大多数籼稻品种不耐冷，粳稻品种较耐冷。也发现了部分极耐冷的籼稻种质和极不耐冷的粳稻种质。水稻种质的耐冷性为育种等研究提供重要参考依据。　　2.过滤后用于GWAS分析的SNPs共有20，000个。SNP间距平均为18.6kb，远远小于水稻的LD衰退值。利用Kinship计算的亲缘关系值表明，550份水稻种质中绝大多数种质的亲缘关系较远。群体结构对GWAS分析的影响较小。　　3.运用EMMAX中混合线性模型分析方法，在11号染色体上检测到一个与苗期耐冷性的关联位点，包含52个极显著的SNPs，SNP区间为23，863，396bp-24，281，415bp。　　4.利用苗期不耐冷的明恢86和苗期耐冷性强的SL11-2构建的F2群体，在标记C11-2与标记C11-4之间的3.1Mb区间内定位一主效耐冷QTL，该定位区间包含了GWAS分析关联到的位点。qCT11的LOD值为25.2，能解释叶片存活率表型变异的46.3％，其增效等位变异来自SL11-2，加性效应值为18.9％。　　5.利用图位克隆的方法，将qCT11定位在标记CT11-120和CT11-66之间的30.0kb内，含有5个开放读码框。编码区测序发现，5个候选基因在双亲间均存在差异。除LOC_Os11g40140外LOC_Os11g40130、LOC_Os11g40150、LOC_Os11g40160和LOC_Os11g40170的氨基酸序列在双亲中存在差异。　　6.转录组分析发现，NIL-3442在低温处理2h和低温处理前相比，共有1673个差异表达基因，上调基因有916个，下调基因有757个。NIL-MH86在低温处理2h和低温处理前相比，共有1501个差异表达基因，上调基因有778个，下调基因有723个。植物激素信号转导和苯丙氨酸代谢途径在NIL-3442的低温耐受性上发挥着重要作用。　　7.将3442基因型的qCT11通过连续回交导入到培矮64s后，改良的培矮64s qCT11苗期耐冷性显著提高。同时，培矮64s qCT11与93-11杂交后，杂交种2YP9qCT11苗期的耐冷性与两优培九比也显著提高。qCT11是水稻苗期耐冷性的主效QTL，对改良籼稻不育系苗期耐冷性有重要应用价值。

目录

声明

摘要

英文缩略表

第一章引言

1．1低温胁迫对水稻的影响

1．1．1低温胁迫的类型

1．1．2低温胁迫对水稻生理代谢的影响

1．1．3水稻对低温胁迫的应答反应

1．1．4水稻低温胁迫的评价与鉴定方法

1．2水稻耐冷相关QTL和基因的研究进展

1．2．1水稻耐冷相关QTL的鉴定和定位

1．2．2 水稻耐冷相关基因的克隆

1．3全基因组关联分析在水稻研究中的应用

1．3．1全基因组关联分析

1．3．2全基因组关联分析的应用

1．4本研究的目的和意义

第二章水稻苗期耐冷性状的全基因组关联分析

2．1试验材料与方法

2．1．1试验材料

2．1．2表型鉴定

2．1．3 SNP基因型

2．1．4群体亲缘关系评估

2．1．5连锁不平衡分析

2．1．6全基因组关联分析

2．2结果与分析

2．2．1表型变异

2．2．2 SNP密度分布

2．2．3亲缘关系评估

2．2．4苗期耐冷性与SNP标记的全基因组关联分析

2．3讨论

2．3．1 苗期耐冷性的鉴定

2．3．2 SNP分布及群体结构对关联分析的影响

2．3．3表型与标记的全基因组关联分析

2．3．4全基因组关联分析的问题与展望

第三章qCT11的精细定位与应用

3．1试验材料与方法

3．1．1试验材料

3．1．2性状调查

3．1．3数据统计分析

3．1．4常规实验方法

3．1．5 qCT11的精细定位

3．1．6近等基因系的转录组测序分析

3．1．7表达量分析

3．1．8载体的构建

3．1．9 qCT11的应用

3．2结果与分析

3．2．1 QTL分析验证GWAS结果

3．2．2 qCT11的精细定位

3．2．3候选基因的预测与分析

3．2．4近等基因系的转录组分析

3．2．5含有qCT11的不育系苗期耐冷性评价

3．3讨论

3．3．1 QTL与GWAS的联合分析

3．3．2 qCT11候选基因的分析

3．3．4 qCT11提高不育系苗期耐冷性

第四章全文结论

参考文献

附录

致谢

作者简历