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普通野生稻遗传多样性及2个特有基因的功能初步研究

李文嘉  
【摘要】:水稻(Oryza sativa L.)是全世界最重要的粮食作物之一,世界上三分之一的人口以稻米为主要粮食。普通野生稻(Oryza rufipogon Griff.)被研究者广泛认为是栽培稻的祖先,保存着栽培稻不具有或已经消失了的许多优异基因,是水稻育种的天然基因库,所以研究普通野生稻的遗传多样性进,挖掘普通野生稻的优异基因并应用于水稻育种是当前水稻科学研究的重要方向。本研究以分布我国北纬18.73N至28.14N的12个普通野生稻为材料,以典型籼稻、粳稻为对照,对普通野生稻的叶绿体DNA(cpDNA)和第四染色体的分子遗传多态性进行研究,以期促进对普通野生稻分子遗传多态性的认识,为将普通野生稻资源更好的应用于水稻分育种提供更丰富的理论基础。另外,对17个三系不育系叶绿体DNA也进行了比较分析。主要研究结果如下: 1.普通野生稻与栽培稻叶绿体分子遗传多样性的研究 供试的12个普通野生稻和18个栽培稻在9个cpDNA多变区共计9080个碱基中,共检测到多态性碱基144个。其中普通野生稻间具多态性碱基117个表明分布在不同区域的普通野生稻间存在遗传分化。典型籼稻与典型粳稻之间有131个具亚种特征性差异碱基;爪哇稻在这些特征性位点的碱基序列与粳稻完全一致,说明爪哇稻的cpDNA与粳稻有更近的遗传关系。ORF29-TrnCGCA和ORF100两个扩增片段是快速区分籼粳两种类型cpDNA的分子标记,用这2个分子标记也可将12个普通野生稻cpDNA分成籼粳两种类型,但在9个cpDNA序列中,同一个普通野生稻在不同位点的籼粳属性不同,由此说明普通野生稻cpDNA具有一定籼粳分化趋势,但不能仅凭几对分子标记结果将普通野生稻像栽培稻一样分为型籼型或粳型。本研究支持籼型亚洲栽培稻和粳型亚洲栽培稻分别由具有一定籼粳分化趋势的普通野生稻演化而来的二元起源学说。 2.不同类型三系不育系材料cpDNA遗传多态性的比较 对17个不同细胞质来源的三系不育系材料cpDNA的遗传多态性进行比较表明,17个三系不育系可分为三种细胞质类型,即野败型、红莲型和BT型。生产中所称的印水型、冈型、K型不育系cpDNA的9个多变区序列与野败型完全一致,因此都应为野败型细胞质。野败型、红莲型细胞质虽然都来自于海南野生稻,但野败型叶绿体rps16内含子的第220-225位点具独有GTTGAG碱基序列,红莲型在rps16内含子的第595位具特有的碱基G,而其他材料都为T;所谓籼稻质源的BT型不育系cpDNA序列却仅在ccsA基因的540-543位点的碱基与籼稻相同,其余序列均与典型粳稻完全一致,因此本文结果认为BT型不育系的细胞质应为粳型,而粳稻cpDNA背景的ccsA基因的540-543位点的籼型特征性GCTT序列可作为BT型不育系cpDNA特征性分子标记。雄性不育系cpDNA的这些特征性碱基可作为相应不育细胞质类型的分子标记。推测这些特征性碱基是细胞质发生了遗传变异导致的,但这些突变序列与花粉不育有否关系有待于进-步研究。 3.普通野生稻与栽培稻第四染色体的分子遗传多样性分析 本研究选用471对SSR标记,对供试普通野生稻和栽培稻第四染色体的遗传多态性进行研究。供试普通野生稻在第四染色体上也呈现出丰富的遗传多态性,遗传距离分析显示普通野生稻内的遗传多样性远大于栽培稻内的遗传多样性,且普通野生稻中含有一些栽培稻中不具有的等位基因,说明从普通野生稻中发掘用于栽培稻品种改良的新基因具有巨大的潜力。通过比对典型籼稻、粳稻亚种间的遗传差异,在第四染色体上建立了141个籼粳亚种间的特征性分子标记。不同纬度来源的普通野生稻在141个籼粳特征性分子标记位点也出现了不同程度的籼粳分化趋势,聚类分析也显示一部分普通野生稻材料归为籼稻一支,另一部分归为粳稻一支。因此,本研究从水稻第四染色体的水平上再次为水稻二元起源学说提供了分子遗传学证据。与cpDNA不同,供试爪哇稻材料在第四染色体上出现了籼粳分化。因此,本文认为基于爪哇稻cpDNA与粳亚种一致性程度高,将爪哇稻归为粳亚种是适合的,但根据第四染色体以及前人关于ITS和IGS序列的遗传多态性分析的综合结果,将爪哇稻归为独立籼稻、粳稻亚种间的一个中间型亚种也有一定遗传基础。 4.普通野生稻第四染色体特有基因的筛选及其功能初步分析 本研究筛选得到2个位于第四染色体上的普通野生稻特有基因,并将这两个基因遗传转化到栽培稻中,对其中一个基因遗传转化植株的叶绿素和脯氨酸含量进行了测定,发现其叶绿素和脯氨酸含量均高于野生型对照。同时对此转基因植株进行了各种非生物逆境处理中,初步认为此基因可能与水稻耐高盐胁迫有关。 综上所述,通过对普通野生稻cpDNA和第四染色体的遗传多态性分析,发现普通野生稻具有丰富的遗传多态性,并且具有一定的籼粳分化趋势。这为亚洲栽培稻的二元起源学说提供了分子遗传证据。同时,本研究还筛选到普通野生稻特有的基因,并认为其中一个基因可能与水稻耐高盐胁迫有关,为加速对普通野生稻资源的认识并进一步挖掘应用普通野生稻种质资源提供了一定的理论参考。另外cpDNA序列差异为基础,将三系不育系材料分为野败型、红莲型和BT型,并首次提出区分3种细胞质的分子标记。


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