本文關(guān)鍵詞：水稻惡苗病抗性相關(guān)基因的鑒定及多抗基因的聚合育種利用

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【摘要】：水稻(Oryza sativa L.)是世界上最重要的糧食作物之一,養(yǎng)活50%的世界人口。與其它作物類(lèi)似,水稻也會(huì)遭遇許多病害,對(duì)產(chǎn)量造成一定的損傷。由F.fujikuroi真菌造成的水稻惡苗病,可導(dǎo)致作物產(chǎn)量減少達(dá)40%以上,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此,非常有必要對(duì)惡苗病做一個(gè)系統(tǒng)的的研究,為惡苗病抗性的分子遺傳機(jī)制研究的突破和深入研究提供參考。另外,抗性基因的挖掘最終是為了育種利用,目前,稻瘟病、白葉枯病、紋枯病、惡苗病、稻曲病、褐飛虱和白背飛虱等病蟲(chóng)害對(duì)水稻造成很大的產(chǎn)量損失。選育具有多抗基因的新品系,對(duì)確保水稻的產(chǎn)量安全至關(guān)重要。本研究對(duì)不同水稻品種接種惡苗病前后的幼苗進(jìn)行mRNA測(cè)序和蛋白質(zhì)組相對(duì)定量分析,同時(shí)利用RIL永久群體進(jìn)行惡苗病抗性的QTL定位研究,通過(guò)轉(zhuǎn)錄組與蛋白組定量聯(lián)合分析,以及QTL定位的結(jié)果,鑒定差異表達(dá)基因、差異表達(dá)蛋白和惡苗病抗性相關(guān)QTLs,闡述惡苗病抗性的分子遺傳機(jī)制,為惡苗病抗性基因的克隆和育種利用奠定基礎(chǔ)。在抗性基因的育種利用方面,本研究通過(guò)分子標(biāo)記輔助選擇(MAS)技術(shù)聚合抗病和抗褐飛虱基因,選育新的恢復(fù)系,并評(píng)價(jià)新品系在兩年不同氣候條件下人工接種病蟲(chóng)后的抗性表現(xiàn)。研究結(jié)果有利于水稻的抗性育種。1、將1個(gè)中抗惡苗病的秈稻品種9311和1個(gè)感病的粳稻品種日本晴通過(guò)RNA-Seq測(cè)序進(jìn)行表達(dá)譜分析。通過(guò)對(duì)照和處理的表達(dá)譜比較分析,9311品種共獲得1,152個(gè)差異表達(dá)基因,日本晴則獲得1,052個(gè)差異表達(dá)基因。進(jìn)一步比較兩個(gè)品種在轉(zhuǎn)錄組水平上的差異,發(fā)現(xiàn)兩個(gè)品種存在不同的表達(dá)模式。通過(guò)GO注釋和富集分析,雖然兩個(gè)品種具有一樣的與防御相關(guān)的GO條目,但有部分防御相關(guān)的GO條目在9311品種中特異性富集。對(duì)防御相關(guān)的差異表達(dá)基因的具體分析發(fā)現(xiàn),部分WRKYs,WAK和MAP3Ks與9311品種的惡苗病抗性有關(guān)。OsWAK112d在9311品種中上調(diào)。在日本晴品種中,與抗非生物逆境脅迫有關(guān)的POEI基因上調(diào)表達(dá)。進(jìn)一步分析了各染色體上差異表達(dá)基因占總轉(zhuǎn)錄本的比例,并結(jié)合已有文獻(xiàn)關(guān)于惡苗病抗性相關(guān)QTL定位的結(jié)果,我們推測(cè),9311品種感染惡苗病后,第1染色體上的與防御相關(guān)的WRKY和MARK基因被調(diào)控,這些基因可能發(fā)揮著重要作用。但還需對(duì)這些基因進(jìn)一步的鑒定和功能驗(yàn)證,可為水稻抗惡苗病分子育種奠定基礎(chǔ)。2、在轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究的基礎(chǔ)上,以抗病的9311品種接種惡苗病菌,利用TMT技術(shù),研究其蛋白質(zhì)組水平的變化。結(jié)果表明,鑒定到的蛋白數(shù)量為8694個(gè),其中差異表達(dá)蛋白有116個(gè),包括89個(gè)上調(diào)的和27個(gè)下調(diào)的差異表達(dá)蛋白；這說(shuō)明當(dāng)水稻面臨病害等逆境時(shí),往往需要通過(guò)調(diào)控更多蛋白的上調(diào)表達(dá),來(lái)抵御病菌的侵入。差異表達(dá)蛋白的PATHWAY富集分析表明,富集程度最高的主要包括苯丙氨酸代謝,氮素代謝,苯丙素的生物合成,二萜類(lèi)化合物的生物合成,花生四烯酸代謝和鈣信號(hào)通路等。這些代謝通路直接或間接參與水稻對(duì)惡苗病菌的抗病反應(yīng)。9311的蛋白組和轉(zhuǎn)錄組的關(guān)聯(lián)性分析發(fā)現(xiàn),蛋白質(zhì)組水平上116個(gè)差異表達(dá)蛋白對(duì)應(yīng)的基因與轉(zhuǎn)錄組水平發(fā)現(xiàn)的1152個(gè)差異表達(dá)基因之間共有22個(gè)基因關(guān)聯(lián),這些關(guān)聯(lián)基因在轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組水平的調(diào)控方向基本一致。GO注釋和富集結(jié)果表明,這些關(guān)聯(lián)基因主要在離子結(jié)合、囊泡和催化等方面發(fā)揮作用。研究結(jié)果為后續(xù)確定深入研究的代謝通路以及關(guān)鍵蛋白的鑒定提供依據(jù)。3、利用1個(gè)秈秈交重組自交系(RILs, Recombinant Inbred Lines)培矮64S/9311群體的132個(gè)株系,以及1個(gè)秈粳交重組自交系日本晴/9311群體的159個(gè)株系,進(jìn)行惡苗病抗性的QTL定位,其中培矮64S/9311群體在接種惡苗病菌后分別對(duì)其徒長(zhǎng)和苗重性狀進(jìn)行了分析和QTL定位,日本晴/9311群體群體調(diào)查了接種惡苗病菌后的徒長(zhǎng)性狀并進(jìn)行QTL定位分析。根據(jù)兩個(gè)RIL群體接種惡苗病菌后徒長(zhǎng)和苗重變化的性狀,以及定位群體已有的分子遺傳圖譜,共檢測(cè)到7個(gè)QTL,能解釋表型抗性變異的11.0%-22.3%。其中,以徒長(zhǎng)為惡苗病菌處理后調(diào)查的性狀,共檢測(cè)到4個(gè)QTL(qBE1.1, qBE9, qBE1.2和qBE3),它們分布于第1、3、9染色體；以苗重為調(diào)查性狀,共檢測(cè)到3個(gè)QTL (qBWl, qBW3和qBW6),它們分布于第1、3、6染色體。徒長(zhǎng)和苗重兩個(gè)性狀表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)。而且,QTL物理區(qū)間的比較發(fā)現(xiàn),培矮64S/9311群體苗重性狀相關(guān)的QTL和日本晴/9311的徒長(zhǎng)性狀相關(guān)的QTL的物理區(qū)間較接近,即,qBWl和qBE1.2、 qBW3和qBE3之間的物理區(qū)間有重疊。進(jìn)一步查詢表達(dá)譜分析獲得的關(guān)鍵基因的物理距離,并與已報(bào)道的惡苗病抗性QTL以及本研究獲得的QTL位點(diǎn)比較,發(fā)現(xiàn)惡苗病抗性相關(guān)的QTL或基因,基本上都分布在第1和3染色體上。4、通過(guò)雜交、回交,結(jié)合分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù),以及基于農(nóng)藝性狀的背景選擇育種技術(shù),獲得10個(gè)具有抗稻瘟病、白葉枯病和／或褐飛虱基因的新品系。10個(gè)新品系中只有HR13具有3個(gè)病蟲(chóng)害的抗性基因。通過(guò)分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù),HR39, HR41,HR42和HR43這4個(gè)新品系聚合了稻瘟病和白葉枯病抗性基因,未對(duì)褐飛虱抗性基因進(jìn)行檢測(cè)和聚合,但也表現(xiàn)為三抗,即抗稻瘟病、白葉枯病和褐飛虱。這可能和它們的供體親本中組14抗褐飛虱有關(guān)。聚合了Pi1和Pi2基因的新品系與具有單一抗性基因Pita的新品系在2013年的抗稻瘟病水平相當(dāng)；但是,在2012年,該年田間小氣候表現(xiàn)為稻瘟病易發(fā)氣候,聚合了Pi1和Pi2基因的新品系比具有單一基因Pita的新品系抗性更好,可能Pita基因易受環(huán)境影響。
【學(xué)位授予單位】：沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：S435.111.44

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本文編號(hào)：1297775