本文選題：水稻　切入點：秈粳亞種　出處：《揚州大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：水稻是我國最主要的糧食作物之一,提高水稻產(chǎn)量對于保障我國的糧食安全具有重要意義。為了進一步提高水稻產(chǎn)量潛力,越來越多的水稻育種家們認識到,稻屬不同種間、亞洲栽培稻的秈粳亞種間的強雜種優(yōu)勢和有利基因利用是進一步培育更高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)品種的必由之路,特別是秈粳亞種間有利基因的相互利用。然而,水稻種間、亞種間品種的生殖隔離不僅限制了雜種優(yōu)勢的直接利用,而且限制了有利基因在不同類型品種之間的交流。秈粳亞種間的生殖隔離是秈亞種和粳亞種連續(xù)積累的遺傳分歧的產(chǎn)物,生殖隔離有利于物種在自然界中的生存和發(fā)展,但是卻限制了不同種群之間基因的交流,是秈粳稻有利基因利用的最大障礙。雜種不育和雜種衰敗是秈粳亞種間后合子生殖隔離的兩種主要形式。關于雜種不育前人已經(jīng)進行了大量的研究,而對雜種衰敗遺傳機制的理解還比較匱乏。水稻不僅是重要的糧食作物,而且也是禾本科生物學研究的模式植物。因此,對水稻亞種間雜種衰敗的研究無論在生物進化學還是育種學都具有重要的理論意義和實際應用價值。本研究以粳稻Sasanishiki為輪回親本和秈稻Habataki為供體親本雜交構建的染色體單片段代換系(CSSL)和由此組合衍生的回交自交系群體(BIL)出現(xiàn)了不同程度的小穗育性降低的雜種衰敗現(xiàn)象,利用這兩個群體進行了雜種衰敗的遺傳分析和基因的克隆。主要研究結果如下：一、利用CSSL和BIL群體進行雜種衰敗的遺傳解析1.在揚州和海南兩個地點、多個年份里CSSL群體均觀察到小穗育性降低的株系,表明雜種衰敗在該組合中存在；進一步利用該群體進行了小穗育性QTL定位,結果表明,在第12號染色體標記RM6998附近能夠穩(wěn)定地檢測到控制小穗育性基因座qSF-12,說明qSF-12是控制秈粳雜種衰敗的關鍵基因座。2.在不同環(huán)境下對全部85個系的BIL群體的小穗育性進行了QTL定位。結果表明,檢測到多個QTL控制小穗育性,其中在第8號染色體標記C1121和第12號染色體標記C1069附近檢測到小穗育性相關的位點qSF-8和qSF-12在多個環(huán)境中均檢測到。分析表明在該群體中發(fā)現(xiàn)的第12號染色體上小穗育性位點與在上述CSSL群體中發(fā)現(xiàn)的位點是一致的,為同一個QTL位點。3.進一步利用BIL群體的85個系,通過比較qSF-8和qSF-12兩個座位的不同等位基因組合,發(fā)現(xiàn)在qSF-8和qSF-12位點均為Sasanishiki或者Habataki基因型的株系小穗育性表現(xiàn)正常,而qSF-8和qSF-12位點的染色體片段來源不同的株系小穗育性就明顯降低,表明qSF-8和qSF-12存在互作是導致水稻秈粳亞種間的雜種衰敗。二、水稻秈粳亞種間雜種衰敗關鍵基因HB-12的精細定位與功能分析1.分析CSSL株系發(fā)現(xiàn),第12號染色體有替換的代換系SL438的小穗育性較低(約30%),顯著低于親本Sasanishiki,進一步考察發(fā)現(xiàn)其花粉育性正常(約90%)而其部分胚囊敗育(約25%)。說明雌配子的部分敗育是導致SL438小穗育性降低的原因。2.利用代換系SL438與輪回親本Sasanishiki回交構建的次級F2群體用于精細定位qSF-12 (HB-12, Hybrid breakedown)將HB-12定位在第12號染色體上137kb的區(qū)間內,該區(qū)間內共有19個ORFs,其中具有cDNA全長的候選基因共有11個。通過候選基因編碼序列測序分析和RNA-seq表達特征比較,我們將LOC_Osl2g38850確定為HB-12的候選基因。互補實驗和RNAi實驗結果進一步證實LOC_Osl2g38850就是控制水稻秈粳亞種間雜種衰敗的關鍵基因HB-12的候選基因。3. LOC_Osl2g38850基因組序列全長5125bp,CDS序列1698bp,編碼一個含有566個氨基酸的DUF1336結構域蛋白。測序表明,Sasanishiki和Habataki的基因組序列之間的3bp堿基(GAT)差異位于LOC_Osl2g38850第10個外顯子上,Habataki多出的3個堿基位于終止密碼子前,恰好在一個閱讀框內編碼一個氨基酸,導致Habataki上多編碼了一個天冬氨酸,并且這一差異在秈粳亞種之間普遍存在。4.GUS染色和組織表達量分析表明,HB-12基因呈組成型表達,在莖、根、葉片、幼穗和葉鞘等組織均有表達,其中在莖和幼穗中的表達量最高,并且在幼嫩的胚囊中表達。將HB-12-GFP融合蛋白在水稻原生質體中瞬時表達顯示,該蛋白主要分布在細胞質和葉綠體中。5. Real-time PCR定量分析表明,LOC_Osl2g38850在胚囊發(fā)育中功能大孢子形成時期表達量最高。通過RNA-seq技術對Sasanishiki和SL438的幼穗進行轉錄組分析其中胚囊發(fā)育參考基因的表達情況,發(fā)現(xiàn)胚囊發(fā)育E3期是臨界點。在E1-2期,參考基因在Sasanishiki中表達要顯著低于SL438,在E3期參考基因的表達豐度相當,而進入E4-6期,參考基因的表達在Sasanishiki中顯著高于SL438。進一步分析表明,Sasanishiki和SL438的幼穗中減數(shù)分裂前和減數(shù)分裂階段的相關基因表達量無差異,推測HB-12主要在胚囊發(fā)育中功能大孢子形成時期起作用。6.轉錄組分析表明,HB-12基因的功能可能與細胞組分的合成相關。
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【學位授予單位】：揚州大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：S511

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1 戴寶生;棉花海陸種間偏分離與雜種衰敗遺傳機理及效應研究[D];華中農(nóng)業(yè)大學;2016年

2 李榮德;水稻秈粳亞種間雜種衰敗的遺傳解析及HB-12基因克隆[D];揚州大學;2016年

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本文編號：1599963