水稻籽粒灌漿速率基因GFR1的圖位克隆及優(yōu)異等位變異在自然群體中的發(fā)掘.pdf

1、水稻是重要的糧食作物，隨著耕地面積的減少和人口的增加，提高水稻產(chǎn)量成為解決糧食安全問題的必由之路，而雜交水稻的發(fā)展為水稻單產(chǎn)的提高作出了重要的貢獻(xiàn)。但迄今為止，我國的雜交水稻種植中主要以雜交秈稻為主，其種植面積已達(dá)到秈稻種植面積的70％左右。相比之下，雜交粳稻種植面積只占到粳稻種植面積的5％左右，兩者巨大的差距給雜交粳稻的發(fā)展帶來很大空間。水稻籽粒灌漿充實(shí)度是影響粒重從而直接影響稻谷產(chǎn)量的重要性狀。大穗是F1代雜交水稻的主要優(yōu)勢之一，而

2、大穩(wěn)型雜交稻尤其是大穗型雜交粳稻常常表現(xiàn)為籽粒灌漿不足，充實(shí)度不好，不僅達(dá)不到已有穎花數(shù)應(yīng)當(dāng)達(dá)到的產(chǎn)量，而且使整精米率下降，不能充分實(shí)現(xiàn)大穗型品種的增產(chǎn)潛力和商品價值。因此，研究和探明控制水稻籽粒灌漿速率的遺傳基礎(chǔ)和作用機(jī)理，對于確定水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效育種策略具有重要意義。本研究圍繞上述科學(xué)問題進(jìn)行了兩項(xiàng)研究，獲得的主要結(jié)果分述如下。
　　1.水稻籽粒灌漿速率基因GFR1的圖位克隆
　　本實(shí)驗(yàn)室之前的研究利用兩個粳稻品種稽稻和

3、C堡構(gòu)建的回交重組自交系群體(BC1F6)檢測到一個控制籽粒灌漿速率的主效QTL qGFR10(本研究命名為GFR1)。為了研究GFR1在籽粒灌漿中的遺傳效應(yīng)，我們從構(gòu)建的染色體片段置換系中分離出一個以C堡為背景，含有稽稻等位基因GFR1的近等基因系（NIL-qgfr1）。與C堡相比，NIL-gfr1的灌漿速率在灌漿前期顯著高于C堡。兩者在抽穗期、單株有效穗數(shù)、穗長、單穗總粒數(shù)和單穗實(shí)粒數(shù)上沒有顯著差異。NIL-gfr1在結(jié)實(shí)率、籽粒充

4、實(shí)度、千粒重及小區(qū)產(chǎn)量上均顯著的高于C堡，這表明NIL-gfr1灌漿速率的提高有助于水稻產(chǎn)量的提高。
　　我們利用NIL-gfr1和C堡構(gòu)建的次級F2群體進(jìn)行GFR1的精細(xì)定位。遺傳分析表明GFR1是一個單孟德爾因子。利用NIL-gfr1/C堡F2群體中灌漿速率快的1614個單株，我們將GFR1定位到10號染色體長臂末端34Kb的區(qū)間內(nèi)。在此區(qū)間有4個預(yù)測的開放閱讀框(ORFs)，通過測序?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，ORF1(LOC_Os10g36

5、400)的稽稻等位基因（GFR1-l）和C堡的等位基因（GFR1-c）的編碼序列中檢測到1個單核苷酸多態(tài)性(SNPs)位點(diǎn)和3個連續(xù)堿基的缺失。這些差異導(dǎo)致稽稻等位基因編碼的氨基酸序列中纈氨酸到丙氨酸的改變和一個丙氨酸的缺失。通過轉(zhuǎn)基因互補(bǔ)驗(yàn)證和轉(zhuǎn)基因過表達(dá)驗(yàn)證我們證明了ORF1就是GFR1。
　　我們利用C堡和NIL-gfr1與兩個不同的粳稻不育系9522A和徐2A進(jìn)行了配組，來評價GFR1在雜交粳稻育種中的利用價值。結(jié)果發(fā)現(xiàn)近

6、等基因系與不育系的配組在籽粒灌漿速率、充實(shí)度和小區(qū)產(chǎn)量上均高于對照C堡與不育系組合。因此，通過分子標(biāo)記輔助選擇，將稽稻等位基因?qū)霃V泛應(yīng)用的不育系中，可以改善雜交粳稻親本的籽粒灌漿速率從而提高雜交粳稻的產(chǎn)量。
　　2.水稻籽粒灌漿速率優(yōu)異等位變異在自然群體中的發(fā)掘
　　選用263個SSR標(biāo)記對由58個地方品種和37個推廣品種構(gòu)成的核心種質(zhì)群體進(jìn)行基因型鑒定，并于2011年和2012年調(diào)查該群體5個時期（開花后7天、14天、2

7、1天、28天和35天）的籽粒灌漿速率。
　　在95個水稻核心種質(zhì)構(gòu)成的群體中，5個籽粒灌漿時期水稻籽粒灌漿速率的表型變異很大，變異系數(shù)變幅為36.49％到118.26％，廣義遺傳率為87.5％到96.8％。群體結(jié)構(gòu)分析表明，該核心種質(zhì)群體被劃分為7個亞群。連鎖不平衡分析顯示，地方品種和推廣品種LD衰減(D'＜0.5)所延伸的最小距離分別是84.8 cM和60.3 cM，這表明地方品種LD衰減速度較推廣品種慢。
　　兩年共檢測

8、到與5個灌漿期籽粒灌漿速率相關(guān)的標(biāo)記24個，分布于水稻的1、2、3、4、5、6、8、9、11和12號染色體上。5個不同灌漿期檢測到的標(biāo)記分別為12、8、2、5和4，其中7個標(biāo)記(RM480，RM5818，RM525，RM6361，RM6314，RM224和RM72)與兩個時期籽粒灌漿速率相關(guān)。其中，貢獻(xiàn)率最高的標(biāo)記位點(diǎn)是位于6號染色體的RM528，該標(biāo)記與籽粒灌漿速率的14DAF時期顯著關(guān)聯(lián)，在2011年和2012年的貢獻(xiàn)率分別為25.