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《华中农业大学》 2011年
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水稻氮代谢基因的核苷酸多样性及其与产量性状的关联分析

丁泽红  
【摘要】:水稻作为重要的粮食作物,是全世界一半以上人口主食的重要来源。氮是植物生长所必需的大量营养元素之一,是农业生产中限制作物产量的重要因素。氮肥的过量施用不仅造成了严重的环境污染,而且还提高了水稻的生产成本。水稻拥有遗传资源丰富多样的自然群体,建立在自然群体之上的关联分析方法,已成为目前水稻重要基因发掘与利用的热点和焦点。关联分析不仅是发掘新基因的一种有效手段,还是联系结构基因组学和表型组学的一座桥梁,可以直接鉴定出与表型相关的目标基因或等位变异。随着分子生物学和测序技术的不断发展,许多基因被克隆并得到功能验证。本研究主要是利用测序技术,分析水稻氮代谢基因在水稻微核心种质和普通野生稻中的核苷酸多样性,分析群体中各基因及基因之间的连锁不平衡(LD)程度,并利用关联分析研究氮代谢基因与正常和低氮条件下的产量性状之间的关系,旨在发掘氮代谢基因的重要等位变异,为选育水稻氮高效品种提供理论依据。此外,本研究还为水稻氮代谢基因的起源和进化研究奠定了一定的试验数据。主要结果如下: 1.利用PCR扩增以及测序技术,获得7个氮代谢基因(包括OsAMT1;1、OsNRT1、OsNR1、OsGS1;1、OsNADH-GOGAT1、OsAS1和OsGDH1)在216份水稻品种(包括籼稻、粳稻和普通野生稻等)中的核苷酸序列信息。经比对拼接之后,各基因的测序序列长度范围为1608 bp (OsNADH-GOGAT1)-3506bp (OsGDH1),总的测序分析长度为16,899 bp。在7个氮代谢基因中总共检测到72个Inde1,它们主要分布在内含子和5'或3'非编码区序列;检测到330个SNP,在籼稻中有97个,粳稻中有71个,栽培稻中有103个,普通野生稻(O. rufipogon)中有240个。 2.对7个氮代谢基因的核苷酸多样性进行了比较分析。整体上,普通野生稻的核苷酸多样性要显著地高于籼稻和粳稻。籼稻和粳稻分别保留了普通野生稻大约33.5%和23.4%的核苷酸多样性。 3.将样本分为普通野生稻、地方品种和优良品种,进行核苷酸多样性分析后发现,氮代谢基因将近一半(45.7%)的遗传多样性都在水稻驯化(从普通野生稻到地方品种)的过程中丢失了,而在水稻品种改良(从地方品种到优良品种)的过程中基本没有什么变化。 4.在190份栽培稻中,对6个氮代谢基因(除了OsAMT1;1)的LD分析结果表明:OsGDH1的LD水平最高,其r2均值为0.96;OsAS1(r2=0.62);OsNRT1(r2= 0.45)和OsNADH-GOGAT1(r2=0.44)表现出中等的LD水平;OsNR1(r2=0.35)和OsGS1;1(r2=0.28)则表现出相对较低的LD水平。而且,在5个氮代谢基因(OsNR1、OsNRT1、OsGS1;1、OsNADH-GOGAT1和OsGDH1)之间也检测到较高的LD水平。 5.在190份栽培稻中,7个氮代谢基因共检测到24个主要单倍型(样本数5),单倍型数目的变化范围为1到5个,平均每个基因有3.4个单倍型。每种单倍型(除了H1)都有明显的偏籼或偏粳的属性。单倍型分析结果表明:尽管这些氮代谢基因分别位于不同的染色体上,但在每一个亚路径中,由于较强的LD水平,籼型的单倍型总是与籼型的在一起,粳型的单倍型总是与粳型的在一起。这可能与籼、粳亚种有不同的地理起源相关。 6.利用一般线性模型(考虑群体结构)对各氮代谢基因等位变异或单倍型与性状之间进行关联分析。整体上,OsNRT1与单株产量和结实率相关,OsNR1与千粒重相关,OsGS1:1与结实率和单株产量相关,OsNADH-GOGAT1与单株有效穗数和千粒重相关,OsAS1与单株有效穗数、每穗实粒数和单株产量相关,OsGDH1与千粒重相关。针对各氮代谢基因,分别找到了其影响表型的最优等位基因和单倍型。利用近等基因系对其中部分等位基因的遗传效应进行了验证。这些信息可应用于水稻育种实践中。 7.与普通野生稻相比,OsAMT1;1在栽培稻(包括籼稻和粳稻)中的核苷酸多样性极低(仅为普通野生稻的2.3%),且Tajima's D和Fu和Li's D*都达到了负的显著或极显著水平,暗示OsAMT1;1受到了正选择作用。绝大部分(182/190)栽培稻含有相同的OsAMT1;1等位基因;与两个其它氮代谢基因(Loc_Os01g48960和Loc_Os02g50240)相比,OsAMT1;1在地方品种和优良品种中的核苷酸多样性显著下降。 8.在94份栽培稻和19份普通野生稻中,对OsAMT1;1附近7个DNA片段进行了测序。结果表明,与普通野生稻相比,栽培稻的核苷酸多样性在OsAMT1;1前后大约100 kb的区域内急剧减少;EHH(Extended Haplotype Homozygosity)分析表明,在这100 kb的区域内,LD在栽培稻中维持着较高的水平而在普通野生稻中衰减得非常迅速。因此,认为OsAMT1;1受到了强的选择作用。
【学位授予单位】:华中农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:S511

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【参考文献】
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