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水稻白叶枯病菌胁迫下的全基因组表达谱分析及水稻恢复系的白叶枯病抗性改良

作　者: 刘丙新
导　师: 杨长登
学　校: 中国农业科学院
专　业: 作物遗传育种
关键词: 水稻白叶枯病回交分子标记辅助选择近等基因系基因芯片品种改良
分类号: S511
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

白叶枯病是水稻生产上危害最大的细菌性病害之一。防治水稻白叶枯病最经济有效的方法是利用抗性基因培育抗病品种,然而一个抗病品种连续种植一定时间后常会丧失抗性。为更好地利用白叶枯病抗性基因,研究白叶枯病抗性基因的抗性机制以及抗性基因的利用方式势在必行。水稻白叶枯病抗性机理十分复杂。随着水稻全基因组的测序完成、基因芯片技术的成熟和水稻功能基因组的研究,利用基因芯片分析水稻在病原菌胁迫下的全基因表达谱差异已经成为现实。Xa23是目前利用最广泛、抗谱最广的抗性基因之一。为了解抗性基因Xa23的抗性机制并为克隆该基因提供信息帮助,本研究选用携带Xa23的BR1与恢复系亲本蜀恢527利用回交、自交结合分子标记辅助选择的方法建立关于白叶枯病抗性基因Xa23的抗感近等基因系。采用Affymetrix水稻表达谱芯片(含57381个探针)分析白叶枯病菌侵染12h后白叶枯病抗感NILs的全基因组表达谱表达变化。结果如下:1.用分布于12条染色体上的522对SSR引物在蜀恢527和BR1双亲之间筛选到多态引物87对,用这些多态引物在候选群体中筛选到两个株系(L16、L17)只在白叶枯病抗性基因Xa23位点有差异。农艺性状考察也表明这两个株系差异不显著,近等性极好。2.以感病材料L17为对照在抗病材料L16中共有911个表达差异基因,其中753个基因表达上调,158个基因表达下调。上调基因显著多余下调基因。从Gene ontology的分类结果可以看出,差异表达基因主要涉及细胞部件、细胞、生理过程、细胞过程和新陈代谢方面。KEGG pathway分析中差异表达基因主要为泛醌生物合成、核糖体、氧化磷酸化、类固醇合成、氨基酸的代谢、辅酶A途径的苯甲酸代谢、细胞色素P450的代谢、磷酸肌醇信号系统等。3. L16 vs L17的753个上调基因中,我们发现有预测功能的基因653个,注释为表达蛋白,但功能未知的有14个,注释为假设蛋白的有217个,没有任何注释信息的总共为100个。158个下调基因中,我们发现有预测功能的为139个,注释为表达蛋白,但功能未知的有3个,注释为假设蛋白的有30个,没有任何注释信息的总共为19个。在L16vsL17上调基因中有两个编码抗病性蛋白家族蛋白的基因(Os11g0588600、Os11g0640300),均位于11染色体上,有7个编码细胞色素P450的基因,有16个基因编码的蛋白质类型同为蛋白激酶类,有3个基因编码氧化还原酶和2个编码Myb转录因子的基因,有3个编码奇异果甜蛋白的病程相关蛋白的基因;在下调基因中也有2个编码细胞色素P450家族蛋白的基因,3个基因的编码蛋白为蛋白激酶类。为解释水稻受到白叶枯病侵染时内在的分子机理提供了信息。此外本研究还将白叶枯病抗性基因Xa23回交转育到宜恢1577恢复系中,经回交、自交以及随机选择条件下,在BC1F7和BC2F6中,进行前景选择、全基因组背景检测和农艺性状考察,分析了BC1F7和BC2F6群体中的遗传背景回复率和农艺性状回复度;并将回交改良后代中表现优异的部分材料与不育系天丰A测配,考察其配合力、恢复度和杂种优势,选育优势组合。结果如下: 1.分布于12条染色体上522对SSR引物在宜恢1577和BR1双亲之间共筛选到多态引物105对,多态比率为20.11%。用这105对SSR多态引物对13个BC1F7和11个BC2F6株系进行遗传背景检测。结果发现BC1F7的13个株系中,遗传背景回复率在60.10%-74.29%;在BC2F6的11个株系中,遗传背景回复率在81.43%-91.43%,分布与理论遗传背景回复率87.25%左右。表明随机选择下的BC1F7和BC2F6株系的遗传背景回复率都接近于理论遗传背景回复率。2.所有BC1F7和BC2F6改良恢复系的白叶枯病抗性都得到改良,白叶枯病抗性极好。BC1F7的13个株系在穗长和剑叶长性状上所有株系与轮回亲本宜恢1577比较均无显著性差异,在有效穗数和剑叶宽性状上除个别株系外其余都接近于宜恢1577,无显著性差异。BC2F6的11个株系中,在有效穗数和剑叶长性状上所有株系都无显著性差异;在穗长和结实率性状上大多数无显著性差异。BC2F6的改良后代株系比BC1F7的改良后代株系在有效穗数、穗粒数、结实率、千粒重等与产量紧密相关的性状上更接近轮回亲本。这与BC2F6的遗传背景回复率高于BC1F7是一致的。3. BC1F8的测交种中,在有效穗数、剑叶长和剑叶宽性状上全部表现无显著性差异;在穗长、穗粒数和单株理论产量性状上大多数无显著性差异;在结实率和千粒重方面与对照差异显著,受供体亲本影响较大。BC2F7的测交种,有效穗数性状上所有株系的测配种均无显著性差异。在穗长、穗粒数、结实率、单株理论产量、剑叶长和剑叶宽等性状上大多数均无显著性差异。在千粒重性状上全部表现比对照提高,且只有LT81、LT83和LT86的测配种无显著性差异。获得了3个具有白叶枯病抗性的产量上与对照相仿的杂交稻组合,可能可应用于生产。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-14
第一章文献综述  14-23
  1.1 白叶枯病抗性基因的发掘、鉴定与定位  15-16
  1.2 白叶枯病抗性基因在水稻育种中的应用  16-19
    1.2.1 白叶枯病抗性基因在常规育种中的应用  17
    1.2.2 白叶枯病抗性基因在分子标记辅助育种中的应用  17-19
  1.3 基因芯片技术及其在水稻病害研究中的利用  19-22
    1.3.1 基因芯片（Gene microarray）技术  19-20
    1.3.2 基因芯片在水稻病害机理研究中的进展  20-22
  1.4 本研究的目的及意义  22-23
第二章水稻抗感近等基因系的构建及其在白叶枯病菌胁迫下的表达谱分析  23-39
  2.1 材料  23
  2.2 方法  23-28
    2.2.1 近等基因系的构建及评价  23-24
    2.2.2 水稻白叶枯病田间接种及鉴定  24
    2.2.3 DNA 的提取  24
    2.2.4 SSR 引物扩增  24-25
    2.2.5 电泳检测  25-26
    2.2.6 基因芯片表达谱分析  26-28
  2.3 结果与分析  28-37
    2.3.1 近等基因系的构建及近等性评价  28-30
    2.3.2 RNA 质量检测  30
    2.3.3 芯片杂交质检报告结果与分析  30
    2.3.4 芯片数据情况  30-32
    2.3.5 差异表达基因筛选  32
    2.3.6 差异表达基因的功能注释  32-37
  2.4 讨论  37-39
    2.4.1 近等基因系的构建及近等性评价  37
    2.4.2 近等基因系用于Affymetrix 表达谱芯片的优缺点  37-38
    2.4.3 白叶枯病抗性的复杂性  38-39
第三章水稻恢复系白叶枯病抗性改良  39-47
  3.1 材料  39
  3.2 方法  39-41
    3.2.1 供试白叶枯病菌株、培养、接种、鉴定（见2.2.2 ）  39
    3.2.2 实验设计  39-40
    3.2.3 田间种植及农艺性状考察  40-41
    3.2.4 SSR 分子标记检测遗传背景回复率  41
    3.2.5 基于分子标记的遗传背景回复率的计算方法  41
  3.3 结果分析  41-45
    3.3.1 SSR 分子标记检测遗传背景回复率  41-43
    3.3.2 回交改良后代农艺性状考察  43-44
    3.3.3 部分回交改良株系与天丰A 测配  44-45
  3.4 讨论  45-47
    3.4.1 白叶枯病抗性基因回交转育方法的探讨  45-46
    3.4.2 SSR 分子标记检测遗传背景回复率  46-47
第四章全文结论  47-50
  4.1 结论  47-48
    4.1.1 水稻抗感近等基因系的构建及其在白叶枯病菌胁迫下的表达谱分析  47
    4.1.2 水稻恢复系的白叶枯病抗性改良  47-48
  4.2 本研究创新点与下一步工作计划  48-50
    4.2.1 本研究创新点  48-49
    4.2.2 下一步工作计划  49-50
参考文献  50-57
附录附表  57-60
致谢  60-61
作者简历  61

水稻白叶枯病菌胁迫下的全基因组表达谱分析及水稻恢复系的白叶枯病抗性改良

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