【摘要】：隨著全球的人口增長(zhǎng),解決世界糧食安全問(wèn)題,是擺在農(nóng)業(yè)科學(xué)家眼前的重要課題。種子大小是由粒長(zhǎng)、粒寬、粒厚和谷粒充實(shí)度等因素共同決定的,也是水稻產(chǎn)量決定因素中遺傳率最高的。非洲野生稻(O.barthii)是非洲栽培稻(O.glaberrima)的野生祖先種,其籽粒較大,是改良非洲栽培稻和亞洲栽培稻(O.sativa)的重要種質(zhì)資源。發(fā)掘非洲野生稻控制粒重的基因能對(duì)提高非洲稻和亞洲栽培稻的產(chǎn)量具有重要意義。本研究從以非洲野生稻W(wǎng)1411為供體,非洲栽培稻IRGC102305為受體的滲入系中鑒定了一個(gè)籽粒變大的滲入系GIL25,在4號(hào)染色體長(zhǎng)臂定位到一個(gè)控制粒長(zhǎng)的QTL,將其命名為GL4(GrainLength4),并對(duì)GL4進(jìn)行了圖位克隆和功能分析,主要研究結(jié)果如下:1.與IRGC102305相比,滲入系GIL25籽粒粒長(zhǎng)增加13.6%,千粒重增加16.8%,單株產(chǎn)量增加14.3%。組織細(xì)胞觀察結(jié)果表明粒長(zhǎng)增加是由穎殼的縱向細(xì)胞變長(zhǎng)所致,而且GIL25表現(xiàn)出易落粒性。利用GIL25和IRGC102305雜交構(gòu)建分離群體,將控制粒長(zhǎng)的基因(Grain Lngth 4,GL4)定位到第4染色體長(zhǎng)臂末端5.9 kb區(qū)間上。非洲栽培稻基因組該定位區(qū)間只有一個(gè)預(yù)測(cè)基因:ORGLA04G0254300。利用來(lái)自GIL25的等位基因構(gòu)建互補(bǔ)載體,并轉(zhuǎn)化到親本IRGC102305,獲得12株陽(yáng)性單株,轉(zhuǎn)基因植株籽粒顯著增長(zhǎng),該研究結(jié)果表明ORGLA04G0254300就是控制粒長(zhǎng)的GL4基因。2.GIL25與IRGC102305的GL4基因序列在編碼區(qū)有4個(gè)SNP和一個(gè)6 bp的插入缺失。利用16份非洲野生稻和67份非洲栽培稻對(duì)這5個(gè)變異進(jìn)行單倍型分析發(fā)現(xiàn),SNP2與粒長(zhǎng)的相關(guān)性最高。進(jìn)一步構(gòu)建SNP2的定點(diǎn)突變載體并轉(zhuǎn)化IRGC102305,結(jié)果發(fā)現(xiàn)15個(gè)轉(zhuǎn)基因株系的籽粒都顯著增加,證明SNP2是引起非洲栽培稻IRGC102305籽粒變小的關(guān)鍵變異位點(diǎn)。3.對(duì)93份非洲栽培稻和94份非洲野生稻重測(cè)序數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,根據(jù)SNP2位點(diǎn)或GL4上下游5 kb區(qū)間主成分分析都可以將非洲栽培稻分為兩類,其中SNP2為T的非洲栽培稻廣泛分布于西非,且在馴化過(guò)程中受到了強(qiáng)烈的選擇。4.比較亞洲栽培稻和非洲栽培稻基因組序列發(fā)現(xiàn),GL4基因與亞洲栽培稻的落粒基因SH4等位,在以特青為背景的近等基因系NIL-GL4or,NIL-GI4os和NIL-GIAog中發(fā)現(xiàn),與OrGL4相比,OgGL4能夠使栽培稻落粒性降低的同時(shí)減小籽粒長(zhǎng)度;OsGL4能夠降低栽培稻的落粒性,但是并不影響籽粒大小,說(shuō)明OsGL4為更有利的等位變異。綜上所述,在非洲栽培稻馴化過(guò)程中,選擇GL4基因的一個(gè)SNP變異造成非洲栽培稻籽粒變小和落粒性喪失。GL4基因的克隆不僅為非洲栽培稻起源與馴化研究提供了直接的分子證據(jù),同時(shí)揭示了非洲栽培稻馴化過(guò)程中籽粒變小的分子遺傳基礎(chǔ),為進(jìn)一步改良非洲栽培稻和亞洲栽培稻產(chǎn)量提供了理論參考。
【圖文】：

圖２－１粒形基因的作用途徑以及相互作用引自Ｚｕｏｅｔａｌ．邋２０１４逡逑植物生長(zhǎng)代謝是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，各種影響因素相互作用最終形成籽粒。目要途徑，蛋白酶體的降解，植物激素和Ｇ蛋白途徑之間可能存在相互作用。一個(gè)己知的大�；虻木酒贩NＮ４】ｌ的千粒重達(dá)到了驚人的７０克，這五個(gè)基因包括逡逑

為了進(jìn)一步研究觀察導(dǎo)致籽粒大小和落粒性表型變化的細(xì)胞結(jié)構(gòu)差異，對(duì)穎殼表面細(xì)胞和離逡逑層進(jìn)行了掃描電鏡觀察和徒手切片觀察。取開花后３５天的成熟籽粒穎殼，經(jīng)過(guò)掃描電鏡試驗(yàn)觀逡逑察發(fā)現(xiàn)，與ＩＲＧＣ１０２３０５相比，ＧＩＬ２５的穎殼內(nèi)外表面細(xì)胞長(zhǎng)度增加（圖３－３ａ－ｅ），在體式顯微鏡下逡逑觀察發(fā)現(xiàn)，ＩＲＧＣ１０２３０５外穎縱軸的細(xì)胞數(shù)目與ＧＩＬ２５無(wú)顯著差異（圖３－３ｆ）。這些結(jié)果表明ＧＩＬ２５逡逑的籽粒變長(zhǎng)是由于穎殼細(xì)胞增長(zhǎng)所導(dǎo)致的，與細(xì)胞分裂無(wú)關(guān)。取開花當(dāng)天的稻穗，徒手縱切籽粒逡逑與枝梗連接處，既離層所在部位，，經(jīng)吖啶橙染色，在激光共聚焦顯微鏡下觀察到，ＧＩＬ２５的離層逡逑是連續(xù)完整的，而ＩＲＧＣ１０２３０５在維管束處并不形成離層細(xì)胞，整個(gè)離層處于不完整狀態(tài)（圖３－３ｇ，逡逑ｈ）。在籽粒成熟時(shí)，取籽粒與枝梗連接處的斷面，經(jīng)過(guò)掃描電鏡觀察到，ＧＩＬ２５的離層斷面光滑，逡逑而ＩＲＧＣ１０２３０５的斷面在外圈光滑，內(nèi)圈則是凹凸不平的。離層細(xì)胞在籽粒成熟時(shí)會(huì)自動(dòng)分離，逡逑而其他細(xì)胞則不會(huì)（圖３－３ｉ，邋ｊ）。這種凹凸不平的表明正是由于離層細(xì)胞缺失，當(dāng)發(fā)生外力作用逡逑時(shí)
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：S511.9

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