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水稻重要农艺性状遗传基础解析及株型QTL精细定位

姜树坤  
【摘要】:本研究:(1)利用一目惚、丰锦、笹锦、日本晴、沈农265、秋田小町、辽粳263、02428和辽粳294等9个粳稻品种及河田香稻、Kasalath、Habataki、IR36、R99和IR3等6个籼稻品种为材料构建了用于水稻基因型分析的高信息量SSR框架图;(2)比较了沈农265和丽江新团黑谷的F2群体与RIL群体的遗传信息,并利用RIL群体及构建的连锁图谱对剑叶相关性状、穗相关性状、籽粒相关性状、株高及其构成因素和3个不同生育时期的叶绿素含量进行QTL分析,并分别进行深入比较;(3)对同时控制穗长、节间长和剑叶长的重要株型相关基因qPCL9进行精细定位。主要结果如下: (1)用489对SSR引物对9份粳稻和6份籼稻材料进行SSR标记分析,每条染色体的总体多态性信息量(PIC)值分布于0.4039~0.5840之间,籼稻亚种内的PIC值分布于0.3685~0.4952之间,粳稻亚种内的PIC值分布于0.1326~0.3164之间,籼稻的多态性高于粳稻。以PIC值作为主要参考指标筛选出适于遗传多样性分析的199对SSR引物(总体PIC值0.50),从中选择建立了包含141个SSR引物的多样性分析体系。筛选出籼粳特异性引物93对,其中包括17对核心引物、48对二级引物和28对三级引物。确定了32对适于粳稻遗传多样性分析的引物(粳稻PIC值0.50)。这些引物能很好地反映品种间的遗传多样性。 (2)比较分析了F2群体和RIL群体的遗传信息及控制剑叶相关性状(剑叶长、剑叶宽和比叶重)的QTL:1)多数标记在染色体上的顺序相同,但标记间距不同。F2群体中30个标记显著偏离孟德尔分离比例(P0.05),13个标记极显著偏离预期的(1:2:1)孟德尔分离比例(P0.0),其中19个偏向SN265,11个偏向LTH。RIL群体中62个标记显著偏离预期的(1:2:1)孟德尔分离比例(P0.05),38个标记极显著偏离预期的(1:2:1)孟德尔分离比例(P0.01),其中43个偏向SN265,19个偏向LTH。偏分离标记共形成10个偏分离区域,其中有6个区域同时出现在在两个群体中。2)RIL群体检测QTL的能力强于F2群体,F2群体共检测到7个控制剑叶性状的QTL(2个控制剑叶长;4个控制剑叶宽;1个控制比叶重),而RIL群体共检测到17个控制剑叶性状的QTL(7个控制剑叶长;5个控制剑叶宽;5个控制比叶重),在两群体中同时检测到的QTL有4个,分别是9号染色体上控制剑叶长的qFLL9; 4号染色体上控制剑叶宽的qFLW4;12号染色体上控制剑叶宽的qFLW12.1和6号染色体上控制比叶重的qSLW6。其中控制比叶重的qSLW6(加性效应值为1.956mg/cm2),极富研究与应用价值。 (3)12个穗部性状和3个籽粒性状在RIL群体中表现为接近正态的连续分布,变异幅度大,呈现双向超亲分离。共检测到控制12个穗部性状的QTL 39个,包括控制穗长的QTL有4个;控制一次枝梗数的QTL有5个;控制二次枝梗数的QTL有3个;控制每穗颖花数的座位有2个;控制每穗实粒数的QTL有2个;控制一次枝梗颖花数的QTL有5个;控制每个一次枝梗上的颖花数的QTL有5个;控制二次枝梗颖花数的QTL有5个;控制每个二次枝梗上的颖花数的QTL有4个;控制结实率的QTL有4个;控制一次枝梗结实率的QTL有2个;控制二次枝梗结实率的QTL有3个。这些QTL分别在第2、4、7、11和12号染色体上形成QTL簇,这一现象很可能是穗部性状显著相关的遗传基础。检测到控制籽粒性状的QTL13个,其中包括控制千粒重的QTL4个;控制粒长的QTL5个;控制粒宽的QTL4个。其中第2染色体RM250-RM207区域同时控制粒长和粒宽,第3染色体中部同时控制粒长和千粒重,第9染色体RM24412-H90区域同时控制粒长、粒宽和千粒重。 (4)对水稻株高及其构成因素进行QTL定位,并与控制赤霉素和油菜素内酯合成及信号转导的相关基因进行比对分析发现。RIL群体的株高及各构成因素均呈正态分布。株高与各构成因素间呈正相关,且相关系数由上至下递减。相邻的构成因素间呈极显著的正相关,而相距较远的构成因素间的相关性减弱甚至负相关,进一步分析表明株高主要受倒1和倒4节间长度的影响。共检测到控制株高及其构成因素的QTL 21个,分布在第1、2、3、5、6、7、8、9、11和12号染色体上。其中位于第9染色体上的QPH9b即直立穗基因EP1(DEP1或qPE9-1)对于水稻的株高起着很重要的作用,其主要通过影响倒1和倒2节间的长度来影响株高,该基因的分子功能与之前发现的众多控制株高的基因均不同,可能是一个种新的调控株高的机制。通过比较21个QTL与赤霉素和油菜素内酯合成及其信号转导相关基因发现,该群体株高的遗传基础极其复杂,根据比较分析的结果提出了株高调控的可能分子机制。 (5)对水稻分蘖期、抽穗期和成熟期的叶绿素含量以及生育后期的持绿能力进行QTL定位分析。检测到5个控制分蘖期叶绿素含量的QTL、7个控制水稻抽穗期叶绿素含量的QTL和10个控制成熟期叶绿素含量的QTL,分布在除第5染色体以外的11条染色体上。比较它们与编码叶绿素合成及降解过程中的重要酶的基因发现,虽然生育前期检测到的QTL较少,但对应的叶绿素合成降解相关基因却较多。随生育期的推移,检测到的QTL数目增多,但对应的叶绿素合成降解相关基因却减少。暗示生育前期大多数叶绿素合成(降解)相关基因表达的水平差异不大,后期控制叶绿素合成降解的个别关键基因表达水平增加。并以此为基础提出了叶片生育后期持绿的两种可能生理基础。 (6)利用F2和RIL群体在第9染色体上RM566-RM160之间鉴定到一个同时控制穗长、秆长和剑叶长的重要区域,暂命名为qPCL9。为了避免其它位点的干扰,利用标记辅助选择筛选到9号染色体长臂目标区段杂合,而背景纯合的剩余杂合单株qPCL9。在该单株衍生的889个F2个体中,未检测到三个性状之间的重组现象,因此我们推测此三个性状由同一个基因控制。因为RHL-qPCL9表现为短穗、短秆(短节间)和短剑叶表型,且其后代分离为短(658):长(231)=2.85:1.00(χ2=0.4593,P0.05)符合3:1的分离比,判断qPCL9为隐性基因。并利用该群体将qPCL9定位在标记RM24423和RM24434之间,根据RAP数据库的注释,该区间为198-kb,包含17个预测基因。考虑基因的表达位置和功能,AK107584(similar to cytochrome P450 monooxygenase CYP92A1)、AKl 11616(similar to elicitor-inducible cytochrome P450)和J065094C22 (similar to cytochrome P450)可能是候选基因,但也不排除其它预测基因的可能。


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