水稻“紫色互补”性状的遗传分析及其在纯度检测中应用

摘要

准确、快速、经济的杂交种纯度鉴定方法是保障杂交水稻生产安全的重要措施之一。目前普遍采用的海南种植鉴定结果滞后，而粒型和酚染色鉴定结果不准确，蛋白质电泳由于稳定性和多态性较差无法大规模应用，分子标记技术过程繁琐、对仪器设备和人员素质要求较高，并不适合广大基层水稻育种与生产单位使用。纯度鉴定的另一条途径是，利用苗期易识别的性状设计杂交组合。当前设计主要是以不育系携带易目测的隐性性状，父本携带显性性状，配置杂交组合。这种设计可以有效区分不育系自交结实混杂，但是对串粉和机械混杂无能为力，易导致检测结果的假阳性偏高。
　　本研究在利用籼粳交杂种优势时，发现了“紫色互补”现象，并对“紫色互补”进行了遗传分析，同时通过实例论证了该现象在杂交水稻纯度鉴定上的应用价值。获得如下主要结论:
　　（1）芽鞘、稃尖、柱头均无紫色的粳稻材料GH102与同样无紫色的籼型不育系杂交，F1种子的稃尖和柱头无紫色，但是F1发芽后长出的芽鞘却带有紫色线条，F1植株所结的种子（F2）稃尖和柱头呈紫色。这种父母本无紫色而杂交种后代有紫色的现象被称为“紫色互补”。
　　（2）遗传分析显示，“紫色互补”现象受两对显性基因调控，这两对基因共同调控水稻稃尖、柱头和芽鞘紫色的形成。通过图位克隆的方法，将这两对基因分别定位在第6染色体和第1染色体，功能互补试验结果显示这两对基因分别是OsC1和OsDFR。
　　（3）序列分析显示，无紫色的籼稻材料是由于OsC1基因第三外显子10bp的缺失导致移码突变所致，而OsDFR功能正常；粳稻GH102恰恰相反，OsC1功能正常，OsDFR在第二外显子的无义突变，导致蛋白质合成提前终止，使其功能丧失。由于GH102与无紫色籼稻材料突变的基因不同，所以它们配组能产生“紫色互补”现象。
　　（4）功能研究表明，芽鞘紫线的形成需要光的参与，与光的种类无关，但是蓝光能大大提高OsC1和OsDFR基因的表达量。光激活OsC1基因的表达，OsC1基因再激活OsDFR表达，从而导致花青素合成。
　　（5）逆境可诱导花青素在叶鞘中表达，这种诱导是通过产生活性氧的方式激活了花青素合成，活性氧提高了OsC1和OsDFR基因的表达量。
　　（6）利用“紫色互补”现象，可通过两步法准确鉴定杂交种纯度。第一步，观察F1种子稃尖和柱头颜色，将稃尖和柱头紫色的种子去除，这些稃尖和柱头紫色的混杂种子多为芽鞘紫线单株；第二步，观察发芽种子的芽鞘，芽鞘上无紫色线
　　条的为混杂种，有紫线的为真杂种。且这种鉴定方法可与芽率鉴定同步进行，具有鉴定周期短，用工少，成本低等优点。
　　（7）紫色互补”性状可用来区分机械混杂。OsC1和OsDFR共同调控稃尖、柱头和芽鞘紫色的形成。水稻为自花授粉作物，稃尖、柱头和芽鞘的基因型是一致的，表现为稃尖、柱头和芽鞘紫色要么同时存在，要么同时消失。但是杂交水稻却不同，F1稃尖、柱头和芽鞘基因型不一致，稃尖和柱头由母本发育而来，表现为无紫色，芽鞘为受精卵发育而来，为父母本杂合体，表现为有紫线。所以，在纯度检测时，通过（6）中的第一步，观察稃尖和柱头颜色，将有紫色的种子鉴别出来，这些种子即为芽鞘有紫线的混杂株；对于芽鞘无紫线的混杂株，（6）中的第二步观察芽鞘就可将其与真杂种区分开，因为真杂种具有芽鞘紫线。
　　（8）本研究中，“紫色互补”性状在籼稻区可以区分串粉株。由于杂交组合双亲稃尖和柱头均无色，在制种田，稃尖和柱头紫色的单株特别容易被识别和去除，而混入的稃尖和柱头无色单株，在籼稻区，和不育系一样，都是OsC1功能缺失型，无法实现“紫色互补”，所以串粉结出的种子，芽鞘无紫线。纯度检测时，通过（6）中的第二步观察芽鞘紫线就可以将“串粉”株鉴别出来。
　　（9）提出在籼稻区，设计基因型为Osc1 Osc1 OsDFR OsDFR的不育系和基因型为OsC1 OsC1 Osdfr Osdfr的恢复系，配组杂交组合，产生“紫色互补”性状，用于准确、快速、经济检测杂交种纯度，并通过分子标记辅助选择的方法初步验证了该设计的可行性。

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附图清单

附表清单

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第一章 文献综述

1、杂交水稻种子纯度检测

2 花青素

3 本研究的目的和意义

第二章 水稻紫色互补性状的发现及在杂交种检测中的应用

1 材料与方法

2结果与分析

3、讨论

第三章 水稻“紫色互补”性状的遗传分析和基因克隆

1 材料与方法

2 结果与分析

3、讨论

第四章 花青素在芽鞘和叶鞘的表达调控分析

1 材料与方法

2 结果分析

3 讨论

第五章 “紫色互补”性状用于分子育种

1材料与方法

2结果与分析

3、讨论

第六章 全文结论与展望

1 主要结论：

2 下一步工作和展望：

参考文献

致谢

作者简介

攻读博士学位期间发表文章及专利