三種供氮水平下控制水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的分子遺傳基礎(chǔ)剖析.pdf

1、隨著人們對(duì)資源和環(huán)境問題嚴(yán)峻性認(rèn)識(shí)的不斷加深，以節(jié)省資源、保護(hù)環(huán)境為前提的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展熱潮波及全球。作物遺傳改良的目標(biāo)和重點(diǎn)不僅僅是提高作物的產(chǎn)量潛力，而且還要高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)、抗逆兼顧。
　　 水稻是我國主要的糧食作物之一，水稻的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)直接關(guān)系到我國乃至世界的糧食安全。近年來由于稻田長期大量施用氮肥，雖然水稻產(chǎn)量水平得到了較大幅度的提高，但隨之而來的是水稻生產(chǎn)成本逐年提高，效益遞減現(xiàn)象嚴(yán)重，同時(shí)氮肥的過度施用，還帶來肥料

2、利用率降低、環(huán)境污染等一系列問題，在過去幾十年間，人們通過大量施用氮肥來提高糧食產(chǎn)量達(dá)到了一定的效果。但隨著氮營養(yǎng)元素施用水平的提高，逐漸表現(xiàn)出氮肥施用量與產(chǎn)量的提高并不成正比例增長，反而有負(fù)增長的趨勢(shì)。挖掘和利用水稻自身的潛力、培育和利用氮素利用效率高和耐低氮條件的水稻品種是解決這一問題最有效的途徑。
　　 近年來，隨著基因組學(xué)的發(fā)展和生物統(tǒng)計(jì)軟件的完善，特別是分子標(biāo)記技術(shù)在遺傳育種領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，以連鎖不平衡(linkage

3、 disequilibrium，LD)為基礎(chǔ)的關(guān)聯(lián)分析(association analysis)方法為水稻數(shù)量性狀遺傳的研究提供了新途徑，也為作物的分子設(shè)計(jì)育種提供了新的思路，它與基于連鎖作圖的數(shù)量性狀位點(diǎn)(quantitative trait loci，QTL)定位結(jié)果可相互驗(yàn)證、相互補(bǔ)充。
　　 本研究以一套水稻重組自交系群體(RILs)和一套中國栽培稻微核心種質(zhì)為材料，分別在3種氮肥水平(N300、N150、N0)、兩種

4、生態(tài)環(huán)境(上海雨季、海南旱季)下對(duì)控制水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子等田間表型特性進(jìn)行調(diào)查分析，并借助相應(yīng)的分子連鎖圖譜和群體的基因型等信息，進(jìn)行基于連鎖作圖的QTL定位分析和基于連鎖不平衡的關(guān)聯(lián)分析，以期探討不同氮肥水平下控制水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的分子遺傳基礎(chǔ)，為水稻氮高效育種提供有用的種質(zhì)資源和標(biāo)記信息，并應(yīng)用于水稻氮高效分子聚合育種。主要結(jié)果如下：
　　 1.分別在N300、N150和N0三種氮肥水平下，對(duì)來源于HR5/ZS97的重

5、組自交系群體(RIL，共188個(gè)株系)，進(jìn)行基于單株產(chǎn)量(GYPP)及產(chǎn)量構(gòu)成因子(單株穗數(shù)PNPP、單穗實(shí)粒數(shù)GNPP、單穗總粒數(shù)FGPP和百粒重HGW)的聯(lián)合QTL定位分析，共檢測(cè)到57個(gè)主效QTL，涉及到41個(gè)染色體區(qū)間，其中N300、N150和N0水平下各檢測(cè)到的主效QTL數(shù)分別為15個(gè)、23個(gè)和19個(gè)，每個(gè)QTL解釋的表型變異都較小，最大的QTL解釋表型效應(yīng)的13.3％。另外，在N0水平下檢測(cè)到2個(gè)主效QTL(qGYPP-4b

6、和qGNPP－12)，分別解釋表型變異的10.9％和10.2％。
　　 2.共檢測(cè)到30對(duì)控制產(chǎn)量及其構(gòu)成的上位性QTL，這30對(duì)上位性互作位點(diǎn)涉及除SFP以外的其他5個(gè)性狀，包括11條染色體上的45個(gè)位點(diǎn)，其中N300、N150和N0水平下分別為11對(duì)、11對(duì)和8對(duì)，其中大部分上位性QTL互作位點(diǎn)發(fā)生在非主效QTL之間。
　　 3.相關(guān)分析和通徑分析表明，在N300和N150條件下，SFP對(duì)YPP的貢獻(xiàn)最大，直接通徑系

7、數(shù)分別為0.809和0.783，相應(yīng)的相關(guān)系數(shù)為0.549**和0.605**。而在低氮條件下(N3)，雖然SFP與YPP的相關(guān)系數(shù)最大(R=0.553**)，但SFP主要是通過FGPP對(duì)YPP產(chǎn)生影響，F(xiàn)GPP對(duì)YPP的直接通徑系數(shù)達(dá)0.816。
　　 4.基于全基因組218個(gè)多態(tài)性位點(diǎn)，考慮群體結(jié)構(gòu)和親緣關(guān)系，采用混合線性模型，在P≤0.01水平下，分別在E5(2008，上海)和E6(2009，海南)兩環(huán)境下，N300、N1

8、50和N0三種氮肥水平下，對(duì)一套中國栽培稻微核心種質(zhì)(160份材料)的田間產(chǎn)量相關(guān)性狀：單株穗數(shù)(PNPP)、穗長(PL)、單穗實(shí)粒數(shù)(GNPP)、單穗總粒數(shù)(FGPP)、結(jié)實(shí)率(SFP)、百粒重(HGW)、單株產(chǎn)量(GYPP)、地上部生物學(xué)產(chǎn)量(SDW)和植株含氮量(NCP)等9個(gè)性狀表型值與多態(tài)性位點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。每次試驗(yàn)中各性狀在全基因組范圍內(nèi)檢測(cè)到6-26個(gè)顯著關(guān)聯(lián)的標(biāo)記位點(diǎn)，分布于全部12條染色體上。這些顯著關(guān)聯(lián)位點(diǎn)中，大部分

9、位于其他研究中定位到的QTL或基因所在區(qū)間。
　　 5.本研究通過關(guān)聯(lián)定位和QTL分析，檢測(cè)出大量的在三種氮肥水平下特異表達(dá)的位點(diǎn)/QTL，同時(shí)也檢測(cè)到一些共同表達(dá)的QTL/位點(diǎn)。大多數(shù)QTL/位點(diǎn)只在一種氮肥水平下檢測(cè)到，表明水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子在不同的氮肥條件下生長是受不同的基因調(diào)節(jié)控制的。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)少數(shù)主效QTL/位點(diǎn)被定位在第1、2、3、5、7、10染色體上的相同區(qū)域，這些區(qū)域可能存在控制和調(diào)節(jié)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成的關(guān)鍵基因