水稻分蘗和葉片相關(guān)性狀的QTL分析及突變體基因定位.pdf

1、人們依賴稻米作為主要口糧使水稻成為最重要的糧食作物之一，較小的基因組、已知的基因組序列以及易于農(nóng)桿菌介導(dǎo)的遺傳轉(zhuǎn)化和與其它禾谷類植物的共線性使水稻占據(jù)了單子葉模式植物的位置。正是水稻在社會(huì)生活中如此重要的地位，在生物研究中如此優(yōu)秀的品質(zhì)，人們對水稻的優(yōu)良種質(zhì)的篩選和各類生物學(xué)過程機(jī)理的研究從未停止過，尤其是關(guān)系水稻產(chǎn)量形成和穩(wěn)定的各種性狀和生物學(xué)過程。這其中，分蘗和光合無疑非常重要，分蘗和光合過程的穩(wěn)定及相關(guān)各類性狀的正常發(fā)展對水稻最終

2、產(chǎn)量起著無可替代的作用。同時(shí)，分子生物學(xué)的快速發(fā)展為研究某類性狀或生物學(xué)現(xiàn)象提供了成熟便捷的解決方案。突變體庫構(gòu)建、QTL分析和圖位克隆等平臺(tái)的成熟與廣泛流行，促使水稻的生物學(xué)研究步入了一個(gè)嶄新的時(shí)期。正是基于這樣的背景,本研究利用目前已經(jīng)非常成熟的QTL分析，對關(guān)系水稻最終產(chǎn)量形成的分蘗和光合相關(guān)性狀一葉片耐光氧化力進(jìn)行了QTL定位研究，以期明晰這些性狀的遺傳特性，為分子育種提供可資利用的分子標(biāo)記；本研究還借助本試驗(yàn)室龐大的水稻突變體

3、庫，鑒定出了多個(gè)少分蘗和葉色突變體，并采用圖位克隆策略對引發(fā)這些突變體表型變異的基因進(jìn)行了分子定位，為將來深入研究分蘗和光合相關(guān)性狀的分子機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。以下為本研究所進(jìn)行的相關(guān)研究、目前所取得的研究進(jìn)展及研究意義的簡要概述： 1 本研究利用兩份在粳稻日本晴EMS化學(xué)誘變庫中發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)少蘗突變體rcn8和rcn9為實(shí)驗(yàn)材料。兩者最高分蘗數(shù)都在4個(gè)以下，株高較野生型未發(fā)生顯著改變，此外，rcn9還伴有少量斑點(diǎn)銹。遺傳分析表明，這兩

4、份rcn突變體分別受一對隱性基因控制；與7個(gè)已知的少蘗突變體進(jìn)行等位性分析表明，兩者皆屬于新發(fā)現(xiàn)的少蘗突變體，并命名為rcn8和rcn9。將兩者再分別與93-11雜交，建立了兩個(gè)F2分離群體。根據(jù)已公布的水稻SSR標(biāo)記及水稻基因組序列設(shè)計(jì)SSR引物，利用分離群體進(jìn)行了連鎖分析，將這兩個(gè)隱性少分蘗基因分別定位于第1染色體的長臂(119.6 cM)和第6染色體的短臂(63.6 cM)上，為進(jìn)一步對RCN8和RCN9基因的克隆和功能研究奠定了

5、基礎(chǔ)； 2 莖蘗消長動(dòng)態(tài)是水稻發(fā)育過程中重要的生理現(xiàn)象，同時(shí)莖蘗數(shù)也是重要的農(nóng)藝指標(biāo)。本研究利用非條件及發(fā)育QTL分析方法研究水稻莖蘗消長的遺傳控制。利用由127和120個(gè)株系組成，分別來源于窄葉青8號(hào)和京系17及春江06和臺(tái)中本地1號(hào)的兩個(gè)DH群體為材料(分別稱為DH-1和DH-2群體)，以多個(gè)時(shí)期的莖蘗數(shù)為指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)非條件及發(fā)育QTL定位，并對兩個(gè)群體的定位結(jié)果進(jìn)行全基因組比較QTL定位。DH-1群體定位到條件與非條件QT

6、L共44個(gè)，分布于第3和12條染色體以外的其他10條染色體上；DH-2群體定位條件和非條件QTL共計(jì)70個(gè)，除第7染色體外其他11條染色體均有分布。通過全基因組比較QTL定位，在兩個(gè)群體間共計(jì)確定了10對(共26個(gè))處于相似的物理位置可能為相同QTL的位點(diǎn)，其中有6對(14個(gè))位點(diǎn)均在相同時(shí)期內(nèi)被檢測到，很可能包含有控制莖蘗數(shù)的主效數(shù)量基因。發(fā)育QTL的分析結(jié)果表現(xiàn)出了豐富的時(shí)空性，并能夠在不同程度上解釋影響莖蘗數(shù)的非條件QTL的變化。

7、本實(shí)驗(yàn)雖然在不同群體的相似物理區(qū)域定位到了同類型的QTL，但顯著性、效應(yīng)值和貢獻(xiàn)率差異較大，因此這些QTL的精確位置及基因本質(zhì)還需深入研究； 3 為進(jìn)一步研究分蘗的分子機(jī)理，本研究選取了一個(gè)來源于窄葉青8號(hào)和京系17花藥培養(yǎng)獲得的DH群體中的株系DH78，該株系植株表現(xiàn)明顯的少分蘗表型，但株高也顯著降低，能夠正常結(jié)實(shí)。利用DH78與親本京系17的F2群體中87個(gè)突變型單株進(jìn)行了突變基因初步定位，將突變基因DFT1定位于第2染色體

8、上。利用進(jìn)一步擴(kuò)大的群體，最終將DFT1基因所在染色體區(qū)間縮小為91 kb，序列注釋表明該區(qū)域包含有有14個(gè)開放閱讀框。更為有趣的是DFT1基因位點(diǎn)與本實(shí)驗(yàn)室之前進(jìn)行的雙氮條件分蘗數(shù)和株高QTL定位研究中定位到的兩個(gè)QTL，座位ph2-3和tp2-2處于相同區(qū)域。而DFT1和ph2-3及tp2-2之間的關(guān)系則還需要進(jìn)一步的研究； 4 高位分蘗是水稻生產(chǎn)中常見的現(xiàn)象，同時(shí)高位分蘗與水稻的馴化也存在密切的聯(lián)系。本實(shí)驗(yàn)利用來源于窄葉青

9、8號(hào)和京系17及春江06和臺(tái)中本地1號(hào)的兩個(gè)DH群體為材料(即DH-1和DH-2群體)，對水稻高位分蘗的遺傳特征進(jìn)行了研究。采用復(fù)合區(qū)間作圖法，在DH-1群體中共定位到3個(gè)OTL座位qHOT3、qHOT6-1和qHOT8，分別位于第3、6和8染色體；對DH-2群體的QTL，定位共檢測到相關(guān)位點(diǎn)2個(gè)，分別位于第6和12染色體。同時(shí)，在兩個(gè)群體中分別檢測到3對和7對上位性互作位點(diǎn)。雖然比較QTL定位表明在兩個(gè)群體中并未定位到區(qū)間一致的QTL

10、座位，但兩個(gè)群體均在第6染色體定位到QTL座位說明水稻第6染色體對高位分蘗具有重要的影響； 5 通過對一個(gè)水稻淡黃葉突變體材料ygl3進(jìn)行遺傳分析，表明它是受到一個(gè)單隱性基因控制。為了定位該突變基因，本實(shí)驗(yàn)利用ygl3和中花11的F2群體進(jìn)行基因初步定位，將其定位于水稻第二號(hào)染色體短臂的SSR標(biāo)記RM6874和RM5764之間。進(jìn)一步擴(kuò)大群體后最終將YGL3定位在位于BAC克隆OSJNBb0088N06上的STS標(biāo)記STS2和S

11、TS6之間約60 kb的區(qū)間內(nèi)。對這一區(qū)域進(jìn)行基因預(yù)測分析發(fā)現(xiàn)，其中包含一個(gè)與葉綠素合成相關(guān)的基因一谷氨酸t(yī)RNA合成酶基因。對該基因測序發(fā)現(xiàn)突變體較野生型相比有三個(gè)堿基(GAG)的缺失，導(dǎo)致了一個(gè)氨基酸(Glu)的缺失，因此很可能是該基因的突變引起了黃綠葉的表型變異； 6 依托本實(shí)驗(yàn)室龐大的突變體資源，本研究還對另一個(gè)黃綠葉突變體ygl4進(jìn)行了基因定位。借助成熟的圖位克隆策略和ygl4與臺(tái)中本地1號(hào)配組獲得的1116株F2突變

12、單株，最終將控制ygl4突變表型的隱性基因YGL4定位于第1染色體SSR標(biāo)記SSR1與RM297間250 kb的區(qū)間內(nèi)，基因注釋表明該區(qū)間還有一個(gè)葉綠體發(fā)育相關(guān)的類囊體膜磷蛋白，因此將其確定為候選基因，對該基因的測序研究正在進(jìn)行之中； 7 利用由127個(gè)株系組成，來源于秈稻品種窄葉青8號(hào)和粳稻品種京系17的加倍單倍體群體，以耐性指數(shù)和敏感性指數(shù)為指標(biāo)，采用QTL Mapper 1.6統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行水稻耐光氧化反應(yīng)特性的QTL定位和

13、上位性分析，共檢測到控制耐性指數(shù)的1個(gè)加性效應(yīng)QTL，位于第3染色體上；控制敏感性指數(shù)的加性效應(yīng)QTL 5個(gè)，分別位于第1、1、6、8和9染色體上。還檢測到3對影響耐性指數(shù)的加性×加性上位性互作效應(yīng)QTL，5對敏感性指數(shù)的上位性QTL。同時(shí)還對41個(gè)常見親本進(jìn)行了光氧化實(shí)驗(yàn)篩選。本研究利用目前較為流行的QTL分析和圖位克隆策略對水稻分蘗及光合相關(guān)性狀進(jìn)行了研究，并取得一定的成果，對目前取得的研究結(jié)果還需要進(jìn)一步的深入研究才能服務(wù)于水稻分