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水稻品种N22强休眠性的QTL定位及遗传解析

作　者: 卢丙越
导　师: 江玲
学　校: 南京农业大学
专　业: 作物遗传育种
关键词: 水稻种子休眠 QTL 高代回交群体 NIL 精细定位突变体
分类号: S511
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

水稻种子休眠性是一个重要的农艺性状,与穗发芽抗性密切相关,关系到稻米的产量和品质。在水稻常规育种中,近年来培育的高产品种一旦在收获季节遇到高温多雨的天气就很容易发生穗发芽。休眠性强的品种可以抵抗穗发芽,但会导致田间出苗率低,出苗参差不齐,不利于水稻直播栽培方式的推广。因此,培育具有适度休眠性的优良水稻品种显得尤为重要。N22是强休眠的栽培品种,前人研究表明N22的强休眠性由1-2个主基因控制。本研究通过两种不同的方法对N22种子的强休眠性进行遗传研究。一是以无休眠的粳稻品种南粳35为轮回亲本,N22为供体分别构建了两个主效QTL,qSdn-1和qSdn-5的高代回交群体和近等基因系(NIL),利用高代回交群体分别对qSdn-1和qSdn-5进行了精细定位；二是对强休眠品种N22进行诱变处理,筛选与休眠相关的突变体,对筛选到的突变体进行遗传分析。两种方法相互结合,为揭示N22种子强休眠性的遗传机理奠定良好的基础。1.以无休眠粳稻品种南粳35为轮回亲本,强休眠的籼稻品种N22为供体,通过不断的回交和标记辅助选择分别构建了qSdn-1和qSdn-5的高代回交群体及近等基因系。2008年正季利用482株BC4F2(gSdn-1)和367株BC4F2(gSdn-5)分别对qSdn-1和qSdn-5进行了定位验证,将qSdn-1定位在SSR标记RM11669和RM1216之间,与标记RM11694共分离,qSdn-1可解释休眠表型变异的24.58%；将qSdn-5定位在标记RM480和RM3664之间,可解释休眠表型变异的17.58%。qSdn-1和qSdn-5的定位区间与之前定位的位置一致。并利用同时含有qSdn-1和qSdn-5位点的449株BC4F2(qSdn-1/qSdn-5)高代回交群体对两个位点间的互作进行了分析,结果表明qSdn-1和qSdn-5间不存在上位性,基因在休眠表型上的效应是可以累加的。为了进一步验证qSdn-1和qSdn-5对种子休眠的作用,我们还构建了含有qSdn-1或qSdn-5单个QTL,或含有qSdn-1和qSdn-5两个QTL位点及在这两个位点上都不含有N22片段的BC3F5高代群体。对这些高代回交家系的发芽情况进行统计,BC3F5(gSdn-1).BC3F5(qSdn-5)、BC3F5(qSdn-1/qSdn-5)和BC3F5(CK)的平均发芽率分别为7.9%、11.1%、6.1%和86.3%,这一结果进一步证明了qSdn-1和qSdn-5对N22种子的强休眠性起重要作用,是两个主效休眠位点,同时含有qSdn-1和qSdn-5两个位点的高代回交群体发芽率更低,这也证实了它们的作用是可以累加的。经7天50℃的干热处理,qSdn-1和qSdn-5控制的种子休眠便能彻底打破。2009和2010年正季利用遗传背景更加纯合的BC5F2和BC5F3高代回交群体对qSdn-1和qSdn-5分别进行了精细定位。2009年利用SSR标记RM128和RM11781从7300株BC5F2(qSdn-1)群体中筛选到95株极端表型的重组个体,对这些重组单株于2010年对表型进行后代(BC5F3)验证,通过进一步的加密标记将qSdn-1定位在标记L24和L34之间约655kb的范围内,与标记L27共分离；同样利用标记RM7452和RM3664从5888株BC5F2(qSdn-5)中筛选到111株重组个体,经交换单株验证后将qSdn-5定位在122kb的范围内,与Indel标记15-6共分离。qSdn-1和qSdn-5的精细定位一方面为进一步的图位克隆工作奠定了良好的基础,另一方面与休眠位点紧密连锁的标记可被用于分子标记辅助选择育种,培育具有适度休眠性的水稻优良品种对抗穗发芽。在精细定位的同时我们通过不断的回交及标记辅助选择构建了一套休眠QTL的NILs,即NIL (qSdn-1), NIL (qSdn-5)和NIL (CK)。2010年正季NIL (qSdn-1)、NIL (qSdn-5)和NIL(CK)的发芽率分别为23%、35%和98%,而NILs其它农艺性状与背景亲本南粳35没有差异,这也进一步验证了qSdn-1和qSdn-5对N22种子休眠性的作用。种子休眠通常与植物激素有密切的关系,通过外源激素及逆境处理实验表明NIL(qSdn-1)与NIL (qSdn-5)对ABA、GA和NaCl的敏感性存在差异,NIL (qSdn-5)对ABA、GA和NaCl表现的更加敏感,IAA处理实验NIL (qSdn-1)和NIL (qSdn-5)没有明显的差异,随IAA浓度的升高发芽率都有所上升。对外源激素及逆境处理响应的差异表明qSdn-1和qSdn-5潜在的基因调控种子休眠的机制有所不同。2.利用400Gy 60Co辐照N22种子,通过对突变表型的筛选获得两个弱休眠的突变体,暂时命名为Q4359和Q4646。Q4359和Q4646抽穗后35天收获的种子平均发芽率为43%和45%,较野生型N22发芽率高,而且在室温存放过程中突变体种子的休眠性较N22更容易破除,在种子萌发过程中突变体对ABA和NaCl的敏感性降低,且Q4359较Q4646对ABA和NaCl更加不敏感；N22种子发芽率随外源GA浓度的增加有所上升,而突变体Q4359和Q4646都表现出对GA不敏感；在对IAA的敏感性上突变体与N22没太大差异,发芽率都有所上升。突变体间的正反交实验表明Q4359和Q4646突变位点不等位,遗传分析实验表明两个突变性状都是由隐性单基因控制。之前的研究表明N22种子休眠性由1-2个主基因控制,通过定位分析检测到两个主效位点(qSdn-1和qSdn-5),是否是N22中的这两个主效基因发生突变导致种子休眠性减弱?于是我们利用Q4359和Q4646与无休眠的水稻品种南粳35构建分离群体对突变体中的休眠位点进行定位分析。在Q4359/南粳35 F2群体中共检测到3个控制种子休眠的QTL,其中第3染色体上检测的位点增强休眠性的等位基因来自南粳35；第5染色体检测的位置与前面定位的结果一致,为qSdn-5;另外还检测到一个控制种子休眠的新位点gSdn-9,LOD值5.5,可解释11.5%的表型变异。在Q4646/南粳35 F2群体中检测到2个控制种子休眠的QTL,位于第1染色体的QTL与之前定位的qSdn-1的位置一致,第3染色体检测的位点与Q4359/南粳35 F2群体的位置相同,增效基因同样来自南粳35。另外,像qSdn-2、qSdn-7和qSdn-11在本研究中也没被检测到。Q4359和Q4646的弱休眠表型可能是由于qSdn-1和qSdn-5位点突变引起的。

全文目录

摘要  7-10
ABSTRACT  10-13
第一章文献综述  13-45
  1 种子的休眠及萌发  13-25
    1.1 种子休眠性及其本质  13
    1.2 种子休眠的类型  13-15
      1.2.1 根据形成部位划分  14-15
      1.2.2 根据休眠形成时间划分  15
    1.3 种子休眠的影响因素  15-23
      1.3.1 影响种子休眠的外在因素  15-17
      1.3.2 影响种子休眠的内在因素  17-23
    1.4 种子休眠的破除  23-24
      1.4.1 物理方法  24
      1.4.2 化学方法  24
    1.5 种子的萌发  24-25
  2 种子休眠的遗传学研究  25-43
    2.1 种子休眠自然变异的遗传分析  25-40
      2.1.1 拟南芥及其它物种休眠QTL的定位  26-27
      2.1.2 水稻种子休眠QTL的定位  27-37
      2.1.3 控制水稻种子休眠性QTL的精细定位及图位克隆  37-40
    2.2 种子休眠性突变体的研究  40-43
  3 本研究的目的与意义  43-45
第二章水稻种子休眠主效位点qSdn-1和qSdn-5的精细定位及近等基因系的构建  45-75
  1 材料与方法  48-50
    1.1 供试材料  48
    1.2 表型鉴定  48
    1.3 DNA的提取及SSR分析  48-49
    1.4 QTL作图及统计分析  49-50
  2 结果与分析  50-70
    2.1 休眠主效位点qSdn-1和qSdn-5的验证  50-57
      2.1.1 验证群体的构建  50-52
      2.1.2 种子休眠QTL的定位  52-53
      2.1.3 qSdn-1和qSdn-5互作分析  53-55
      2.1.4 qSdn-1和qSdn-5对种子休眠的作用  55-56
      2.1.5 qSdn-1和qSdn-5种子休眠性的破除  56-57
    2.2 休眠主效位点qSdn-1和qSdn-5的精细定位  57-61
      2.2.1 qSdn-1和qSdn-5的小群体验证  57-59
      2.2.2 qSdn-1的精细定位  59
      2.2.3 qSdn-5的精细定位  59-61
    2.3 休眠主效位点qSdn-1和qSdn-5近等基因系的构建  61-70
      2.3.1 qSdn-1和qSdn-5近等基因系的构建  61-63
      2.3.2 qSdn-1和qSdn-5近等基因系的表型  63-65
      2.3.3 近等基因系对外源激素及逆境处理的响应情况  65-70
  3 讨论  70-75
    3.1 qSdn-1和qSdn-5的稳定表达  70-72
      3.1.1 与前人定位结果的比较  70-72
      3.1.2 qSdn-1和qSdn-5的稳定性  72
    3.2 qSdn-1和qSdn-5的精细定位  72-74
    3.3 qSdn-1和qSdn-5的应用  74-75
第三章水稻种子弱休眠突变体Q4359和Q4646的表型特性、遗传分析及QTL定位  75-95
  1 材料与方法  76-77
    1.1 供试材料  76
    1.2 表型鉴定  76
    1.3 DNA的提取及SSR分析  76
    1.4 连锁图谱的构建  76-77
  2 结果分析  77-91
    2.1 突变体的筛选  77
    2.2 突变体的表型  77-80
    2.3 Q4359和Q4646对外源激素及逆境处理的响应情况  80-84
      2.3.1 Q4359和Q4646对ABA的响应情况  80-82
      2.3.2 Q4359和Q4646对GA的响应情况  82
      2.3.3 Q4359和Q4646对IAA的响应情况  82-83
      2.3.4 Q4359和Q4646对NaCl的响应情况  83-84
    2.4 Q4359和Q4646的等位性分析  84
    2.5 Q4359和Q4646的遗传分析  84-85
    2.6 Q4359和Q4646的QTL分析  85-91
      2.6.1 连锁图谱的构建  85-87
      2.6.2 Q4359/南粳35 F2群体中休眠QTL的定位  87-89
      2.6.3 Q4646/南粳35 F2群体中休眠QTL的定位  89-91
      2.6.4 不同定位群体的QTL比较  91
  3 讨论  91-95
第四章全文小结  95-99
  1 全文结论  95-97
    1.1 水稻种子休眠主效位点qSdn-1和qSdn-5的精细定位及近等基因系的构建  95-96
    1.2 水稻种子弱休眠突变体Q4359和Q4646的表型特性、遗传分析及QTL定位  96-97
  2 本研究的创新之处  97-99
参考文献  99-117
附录  117-121
在读期间发表和投稿论文  121-123
致谢  123

水稻品种N22强休眠性的QTL定位及遗传解析

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