籼稻背景的单片段代换系群体的构建

以国内、外12个水稻品种（包括8个籼稻品种和4个粳稻品种）为供体亲本，利用回交和微卫星标记辅助选择相结合的方法构建了一个以籼稻品种“华粳籼74”为遗传背景的单片段代换系（SSSL）群体。该群体由260个不同的SSSL组成，其代换片段分布在水稻的12条染色体上，长度分布于0.2～109.9 cM，平均长度为19.9 cM；代换片段的总长度为5 166.0 cM，相当于水稻基因组总长度的3.4倍，代换片段在水稻基因组上的覆盖率为83.8%。这些SSSL的代换片段包含了水稻基因组丰富的等位基因变异，将在基因（QTL）的定位、克隆、功能分析及水稻分子育种中具有重要的利用价值。     

利用单片段代换系鉴定巴西陆稻IAPAR9中的粒型基因

水稻粒型是由多基因控制的复杂数量性状,是稻米产量和品质的重要影响因子,水稻粒型基因的定位与遗传研究有助于稻米产量与品质的协同改良。本研究利用巴西陆稻IAPAR9为供体、以华南地区高产籼稻品种华粳籼74为受体,构建的153份水稻单片段代换系材料,连续两季通过单因素方差分析和邓肯氏多重比较,结合代换片段重叠群作图,定位了13个控制水稻粒型及粒重的QTL。这13个位点分别分布于水稻1、2、4、5、6、7、9和11号染色体上,包括9个控制谷粒长的QTL、1个控制谷粒宽的QTL和3个控制千粒重的QTL。其中, qGL1-2、qTGW1-2和qGL11为新鉴定的QTL位点。新的粒型QTL定位将为进一步的基因克隆与粒型遗传调控网络解析提供依据和线索,也可为稻米产量与品质协同改良提供新的种质资源。     

水稻粳型亲籼系的分子标记辅助育种

分子标记辅助聚合育种是累加有利基因的有效手段。培育粳型亲籼系是有效克服水稻籼粳亚种间杂种不育性，从而利用水稻亚种间杂种优势的重要途径之一。本研究利用以PCR为基础的分子标记进行辅助选择，对不同粳型亲籼系中不同分化度的特异亲和基因进行了聚合，并将4个抗白叶枯病基因和来源于IR24的两个恢复基因导入粳型亲籼系中。主要结果如下：1、以粳型亲籼系G2417-2-1和粳型广亲和系G2605为亲本构建分离群体，利用本研究筛选的与S-b，S-c,S-d三个F1花粉不育基因座位紧密连锁的PCR标记进行辅助选择。在F2共选择到特异亲籼聚合植株6株，它们分别是58号，93号，94号，115号，139号，200号；广亲和聚合植株4株，它们分别是11号，14号，121号，177号。2、对当选聚合系的亲籼性和亲粳性综合分析表明：各个特异亲籼聚合系的亲粳性之间及各个广亲和聚合系的亲籼性之间都有显著差异。特异亲籼聚合系的平均亲籼性和平均亲粳性与亲本G2417-2-1相比都没有显著差异。广亲和聚合系的平均亲籼性高于亲本G2605，平均亲粳性显著低于亲本G2605。这些聚合系的亲和性与其MAS基因型相一致。3、利用四类粳型亲籼系与携带有2个恢复基因和4个抗白叶枯病基因的品系构建回交群体，应用本研究筛选的以PCR为基础的分子标记进行辅助选择。在BC1F1共选择到2个恢复基因和4个抗白叶枯病基因全杂合的植株19个，其中以IC31为受体的5株，以IC32为受体的11株，以IC33为受体的2株，以IC34为受体的1株。4、当选的19个单株自交繁殖BC1F2，利用与目标基因紧密连锁的单一分子标记进行MAS。共选择到各类可供进一步利用的材料393株，其中携带有两个纯合恢复基因的植株158株，同时携带有两个纯合恢复基因和两个纯合显性抗白叶枯病基因的植株40株。5、从上述158个植株中选出两个显性抗性基因均纯合或者任意三个抗性基因均纯合的植株共45株，通过标记加密进一步验证其基因型。结果表明，在Rf3，Rf4，Xa4，Xa21，xa5和xa13等六个基因座位上均带有纯合基因型的植株有3株。本研究通过粳型亲籼系不同分化度的特异亲和基因的聚合获得了新粳型亲籼系；通过聚合恢复基因和抗白叶枯病基因到粳型亲籼系中，使粳型亲籼系不仅能解决亚种间杂种不育性，用于两系杂交稻育种，而且由于具有抗白叶枯病基因，可以改善其对白叶枯病的抗性；由于有恢复基因而具有恢复能力，从而可以实现籼粳亚种间的三系配套。     

水稻单片段替换系群体的建立及QTL分析

农作物大多数性状都是由多基因控制的数量性状，对数量性状基因座(quantitative trait loci，QTL)进行鉴定和定位对作物遗传育种具有重要意义。单片段替换系(single segment substitlationulines，SSSI。)消除了遗传背景的干扰，是用于QTL分析的重要试验材料。本研究以6个水稻品种为供体，利用回交和微卫星标记辅助选择相结合的方法，建立了以华粳籼74为遗传背景的水稻单片段替换系群体，并选用其中的59个单片段替换系对水稻24个重要农艺性状的QTL进行了鉴定；还利用一个单片段替换系的次级分离群体对抽穗期基因Hd-3-1进行了定位。主要试验结果如下：1 对供体亲本苏御糯、IR64、IRAT261、成龙水晶米、Lemont和IAPAR9与华粳籼74之间的微卫星标记多态性进行了检测，6个供体亲本与华粳籼74之间的多态率分别为56．33％、34．93％、59．31％、33．19％、55．90％和56．55％。2 对回交的遗传效应进行了分析，在BC2F1和BC3F1单株中检出替换片段的平均数分别为8．93个和4．37个，在BC2F1和BC3F1单株中检出替换片段的平均长度分别为32．23cM和27．63cM，BG2F1和BC3F1受体亲本基因组的回复率分别为81．55％和92．32％。3 建立了118个以华粳籼74为遗传背景的单片段替换系，其中包括86个不同的单片段替换系。这些单片段替换系分布于水稻12条染色体上，10号染色体上的单片段替换系最多，有16个。单片段替换系中替换片段的平均长度为23．0cM，全部单片段替换系对水稻基因组的覆盖率为57．11％。4 利用59个单片段替换系对水稻24个重要农艺性状的QTL进行了鉴定，总共鉴定出了248个QTL，分别为25个抽穗期QTL、1个有效穗数QTL、13个穗颈长QTL、16个株高QTL、5个穗长QTL、7个倒一节间长QTL、8个倒二节间长QTL、4个倒三节间长QTL、7个倒四节间长QTL、12个剑叶长QTL、22个剑叶宽QTL、13个倒二叶长QTL、14个倒二叶宽QTL、4个倒三叶长QTL、12个倒三叶宽QTL、14个一次枝梗数QTL、2个二次枝梗数QTL、5个总粒数QTL、10个结实率QTL、6个着粒密度QTL、11个粒长QTL、13个粒宽QTL、11个粒形QTL、13个粒重QTL。5 利用替换作图法对一些QTL进行了定位，将其中22个QTL定位在10cM的区段以内。6 利用一个单片段替换系的次级分离群体，将完全显性早熟基因Hd-3-1定位在3号染色体短臂上，微卫星标记PSM304、PSM305和PSM306位于Hd-3-1靠近短臂末端的一侧，与Hd-3-1的遗传距离分别为2．4cM、2．7cM和3．3cM；RM569和RM231位于另一侧，与Hd-3-1的遗传距离分别为5．1cM和8．9cM。本研究建立了单片段替换系的构建和QTL鉴定的试验技术体系，为分子标记技术应用于作物遗传育种提供了新的思路和途径。     

基于广西普通野生稻染色体单片段代换系的Rf3和Rf4复等位基因的恢复效应分析

本研究以5份广西普通野生稻材料DP15、DP29、DP30、DP50和DP63为供体亲本,以栽培稻品种9311为受体亲本,通过杂交及多代回交获得携带Rf3或Rf4基因座位的染色体单片段代换系8个。进一步将分别携带Rf3和Rf4基因座位的单片段代换系两两杂交、自交,筛选出同时具有这2个基因座位的双片段聚合系2个。通过野败型细胞质不育系(WA-CMS)盟抗A对单片段代换系和双片段聚合系进行恢复力测定。研究结果显示:(1)8个单片段代换系对盟抗A的恢复能力有显著不同:来自DP15的Rf3基因与来自DP15、DP30、DP50和DP63的Rf4基因具有强恢复力,它们的F1植株花粉育性达到86.18%~91.13%;来自DP29的Rf4基因具有较强的恢复力,其F1植株花粉育性为81.21%;来自DP29的Rf3基因具有弱恢复力,其F1植株花粉育性为7.00%;而来自DP30的Rf3基因没有恢复能力,其F1植株花粉育性仅为0.33%。(2)Rf3或Rf4基因的聚合效应在不同供体间表现不同:来自DP29的较强恢复基因(Rf429)与弱恢复基因(Rf329)间聚合呈现显著的累加效应;而来自DP15的2个强恢复基因(Rf315和Rf415)聚合后没有进一步提高恢复能力。研究结果表明,利用广西普通野生稻挖掘育性恢复基因是有效的,获得了多个对野败型细胞质不育系(CMS-WA)盟抗A具有强恢复力的Rf3或Rf4位点复等位基因,可供育种研究利用。     

构建水稻优良恢复系背景的重叠片段代换系及其效应分析

通过回交程序结合分子标记辅助选择构建了一套以优良籼稻恢复系9311为背景、导入片段来源于粳稻日本晴的代换系群体。该套群体由125个代换系组成,每系含有单一或少量导入染色体片段,导入片段间相互重叠或衔接能覆盖粳稻全基因组。代换系的平均背景回复率为98.4%,导入片段平均长度为20.9 cM,纯合和杂合导入片段分别占水稻基因组的1.4%和0.2%。利用该群体,两年共检测到31个QTL影响水稻穗重、穗长、结实率和秃顶等性状;导入片段QTL对穗重和结实率均起减效作用。该套重叠片段代换系将为重要性状的基因定位、功能鉴定以及籼粳杂交育种研究提供极有价值的遗传材料。     

一个具有主效晚抽穗基因的水稻染色体片段代换系的鉴定、形态分析及Ehd4-2定位

抽穗期是决定水稻品种种植地区和季节适应性的重要农艺性状,鉴定抽穗期基因对水稻生产具有重要意义。本研究采用高代回交和SSR标记辅助选择相结合的方法获得了1个以日本晴为受体亲本、西恢18为供体亲本的含有1个控制晚抽穗表型的主效单基因的水稻染色体片段代换系Z315。Z315携带来自西恢18的5个代换片段,分布于第1、第3、第6和第7染色体上,平均代换片段长度为7.39 Mb。Z315的叶绿素含量、株高、穗长、倒一节间长、倒二叶长、倒三叶长、有效穗数、每穗实粒数和总粒数均显著高于受体日本晴,暗示其代换片段可能携带这些性状的QTL。进一步利用日本晴与Z315杂交产生的F1和F2群体对晚抽穗基因进行遗传分析和分子定位。该晚抽穗表型受1对隐性核基因控制,最终将该基因定位于第3染色体RM14283和RM6349之间,物理距离为233 kb。对该区间进行候选基因预测和测序,发现1个与抽穗相关的编码锌指蛋白的基因LOC_Os03g02160在日本晴和Z315间存在差异,该基因可能与Ehd4等位,称作Ehd4-2。由于染色体片段代换系除代换片段外与受体亲本一致,因此本研究无论对进一步分离其他QTL还是进行基因聚合育种均具有较大利用价值。     

施锌对香稻产量、香气和品质的影响

采用盆栽试验,以香稻桂香占、培杂软香、香气单片段代换系品14和品15及其受体亲本华粳籼74为材料,研究锌(Zn)肥对香稻产量、香气和品质的影响。结果表明,施锌能显著增加桂香占和品15的有效穗数,桂香占、品14、品15和华粳籼74的每穗总粒数,桂香占、培杂软香、品15和华粳籼74的结实率;各品种施锌处理实际产量均高于对照,基施锌肥对桂香占的增产作用最大;施锌能显著提高不同品种香稻籽粒2-AP含量,其中对桂香占的增香效果最好;施锌能显著提高桂香占、培杂软香和华粳籼74的糙米率,提高5个品种香稻的整精米率;施锌能显著降低桂香占和培杂软香的垩白粒率,降低培杂软香的垩白度,但施锌显著增加了品14、品15和华粳籼74的垩白面积,降低了5个香稻品种稻米的胶稠度而提高了直链淀粉含量。     

基于单片段代换系的水稻粒型QTL加性及上位性效应分析

以分子标记辅助选择的手段有目的地进行基因聚合育种,对于加快育种进程具有重要的意义。而基因的加性和上位性效应是决定基因聚合能否成功的关键。本文以16个单片段代换系(SSSL)及15个双片段代换系分析了水稻粒型性状QTL的加性及上位性效应。共检测到9个水稻粒型性状QTL,包括4个粒长QTL、1个粒宽QTL和4个籽粒长宽比QTL,分别位于第2、第3、第4、第7和第10染色体上。此外,还检测出7对双基因互作,其中3对为有显著效应的两座位间互作,1对为两座位均没有显著效应的座位间互作,3对为1个有显著效应的座位与1个没有显著效应的座位间互作。本文结果进一步揭示了同一粒长QTL与不同单片段代换系聚合时会产生不同的互作效应,只有当上位性效应与目标基因的加性效应同向时,才可以达到明显改良粒长的效果。而且,2个长粒或2个短粒QTL聚合很难再产生更长或更短的籽粒。以上结果对于通过分子标记辅助育种手段改良水稻粒型具有重要意义。     

用单片段代换系（SSSLs）研究水稻株高及其构成因素QTL加性及上位性效应

株高是典型的数量性状,易受遗传背景和环境等因素的影响。单片段代换系和双片段聚合系减少了个体间遗传背景的干扰,是鉴定QTL和研究QTL上位性的新型遗传材料。本研究采用随机区组试验设计方法以初级单片段代换系间杂交衍生的16个次级单片段代换系和15个双片段聚合系分析了株高及其构成因素QTL的加性效应及加性×加性上位性效应。共鉴定出11个QTL,其中3个株高QTL,1个倒1节间长QTL,2个倒2节间长QTL,2个倒3节间长QTL和3个倒4节间长QTL,分布于第4、6和10染色体上。鉴定出23对双基因互作,其中7对为没有显著效应的座位间互作,16对为有显著效应的QTL与没有显著效应的座位间互作。结果表明,QTL加性效应和QTL间的上位性效应都是株高及构成因素的重要遗传组成。通过单片段代换系杂交衍生的次级单片段代换系和双片段聚合系可提高QTL鉴定和上位性分析的灵敏度。     

Identification and application of major quantitative trait loci for panicle length in rice (Oryza sativa) through single‐segment substitution lines

Panicle length (PL), an important yield‐related trait, strongly affects yield components, such as grain number, grain density and rice quality. More than 200 panicle length quantitative trait loci (PL QTLs) are identified, but only a small number are applied in rice breeding. In this study, we performed QTL analysis for PL using 42 single‐segment substitution lines (SSSLs) derived from nine donors in the genetic background of HJX74. Fourteen QTLs and five heterosis QTLs (HQTLs) for PL were recognised. Three QTLs and four HQTLs acted positively, and the other eleven QTLs and one HQTL acted negatively. By scanning the single heterozygous background region of the F₂ population with large‐genetic‐effect SSSLs, we mapped PL loci qPL6‐2 and qPL7‐1 to different locations on chromosomes 6 and 7, respectively, in three consecutive years of independent trials. The genetic effects of these QTLs were further assessed. qPL6‐2 demonstrated the most positive additive effect (QTL), whereas qPL7‐1 achieved the most positive dominant effect (HQTL) for PL. These results indicated that the pyramiding of PL QTLs might increase grain yield and facilitate the application of the beneficial allele in hybrid rice breeding.     

基于“多基因聚合-早世代组配”策略的水稻分子改良研究

传统水稻育种技术最主要瓶颈是选择效率低和周期长。为了提高水稻优异材料选育和杂交稻组配效率,创新水稻分子育种策略,利用分子标记辅助选择多基因聚合和早世代杂交组配,展开水稻恢复系分子改良和杂交新组合的调查评价。供体亲本H318与恢复系亲本华占进行杂交,通过选择和设计关键有利基因的分子标记,利用毛细管电泳基因分型技术,将Wxb、fgr、Xa23、Pi2、Pi46以及Pita 6个稻米品质、香味、抗白叶枯病和抗稻瘟病相关功能基因进行聚合利用。通过多世代的田间生物学性状调查,米质、抗性等表型鉴定,获得14份以恢复系华占为遗传背景,目标基因纯合的优质、双抗和香型稳定的水稻株系。依据材料稳定遗传特性,将改良后代株系与生产应用的不育系进行测配和组合的调查评价,筛选获得潜在优良杂交稻。在育种进程中采用"多基因聚合-早世代组配"策略,实现多个有利基因快速聚合,定向改良稻米品质和抗病性等关键性状,并且促进杂交水稻组合的高效选育。     

优良水稻染色体片段代换系Z746的鉴定及重要农艺性状QTL定位及其验证

粒型、株高及穗部组成性状与产量形成密切相关,是水稻重要农艺性状,但遗传基础复杂。染色体片段代换系是用于复杂性状遗传研究的良好材料。本研究鉴定了一个以日本晴为受体、西恢18为供体亲本的水稻优良染色体片段代换系Z746。Z746携带来自西恢18的7个代换片段,平均代换长度为3.99 Mb,其株高、粒长和穗部性状均与受体存在显著差异。进一步通过日本晴与Z746杂交构建的次级F2群体共检测到36个相关QTL,分布于2号、3号、4号、6号和11号染色体。其中5个可能与已克隆基因等位,如qPH3-1等,8个可被多次检出,表明这些是遗传稳定的主效QTL。Z746的粒长主要由4个QTL(qGL3、qGL4、qGL2、qGL6)控制,其中qGL3和qGL4对粒长变异的贡献率分别为60.28%和27.47%。株高由5个QTL控制,穗长由4个QTL控制,每穗粒数由2个QTL控制,千粒重由2个QTL控制。然后以MAS在F3共选出8个单片段代换系,并以此在F4进行了相关QTL验证,共有24个QTL可被8个单片段代换系(SSSL)检出,重复检出率为66.7%,表明这些QTL遗传稳定。本研究为目的QTL的进一步遗传机制研究及分子设计育种奠定了良好基础。     

利用选择导入系QTL聚合设计方法改良水稻产量相关性状

培育和种植高产水稻品种是解决粮食短缺危机最有效的方法之一。利用轮回亲本明恢86和供体亲本ZDZ057、辐恢838和特青构建了3个BC2F4高产选择导入系群体,从中选择5个稳定的高产导入系培育了4个聚合群体WD135/WD190、WD190/WD250、WD208/WD258、WD135/WD258。通过对4个F4聚合群体进行大田表型鉴定,考察产量及其相关性状。选取55个SSR多态性标记对聚合群体进行基因型鉴定,并利用性状-标记间的单项方差分析进行产量及相关性状的QTL检测和根据遗传搭车理论对增产的聚合系基因型的分析结果进行卡方检测。方差分析结果表明,穗长和单株产量在所有4个聚合群体中都存在显著或者极显著基因型差异,抽穗期没有差异,其余性状在不同群体中表现不尽一致。在4个聚合群体中,一共有57个聚合系产量高于轮回亲本,增产幅度从0.36%～72.7%,其中有40个聚合系高于其各自的聚合亲本。与轮回亲本和导入系亲本相比,高产聚合系的单株有效穗数、每穗实粒数和每穗颖花数有了一定程度的提高。高产聚合系增产的主要原因是由于单株有效穗数、每穗实粒数和每穗颖花数得到了改良。利用卡方检验和单项方差分析分别检测到22和20个与产量及相关性状有关的QTLs,其中10个QTL与前人定位的结果一致。聚合亲本携带的QTL在聚合群体的效应与导入系群体估算的不完全一致。说明利用选择回交导入系进行复杂性状聚合改良虽然可以部分消除QTL与遗传背景的互作,但是QTL之间的上位性互作可能仍然起着一定的作用。本研究采取的产量聚合系定位方法可靠性较好,为复杂性状的聚合系定位提供了一个新途径。     

Development and trait evaluation of chromosome single-segment substitution lines of <Emphasis Type="Italic">O. meridionalis</Emphasis> in the background of <Emphasis Type="Italic">O. sativa</Emphasis>

O. meridionalis is a wild species belonging to AA genome in the Oryza genus, which has a lot of beneficial genes for improvement of cultivated rice. In the present study, 99 chromosome single-segment substitution lines (SSSLs) were developed carrying donor segments of O. meridionalis in the genetic background of an indica cultivar, Huajingxian 74 (HJX74). The total lengths of the 99 substituted segments in the SSSLs were 1580.16 cM, with an average length of 15.11 cM per substituted segment, covering 873.94 cM and 54.98% of O.meridionalis genome. Phenotypic investigations of the SSSLs showed that three SSSLs had red pericarp, awn and showed seed shattering, respectively, indicating that these genes of O. meridionalis responsible for these traits have been transferred to the SSSLs. And wide variations were observed in seven quantitative traits including heading date and yield-related traits in 82 SSSLs.At P ≤ 0.001, 77 SSSLs showed significant differences compared with HJX74 in at least one trait either in the fall of 2014 or spring of 2015, and a total of 28 stable QTLs were detected in 24 SSSLs in both seasons. These results suggest that the SSSLs library of O. meridionalis developed in this study offers a good germplasm platform for the identification and transformation of beneficial genes of O. meridionalis, and facilitates the conservation of gene resources of O. meridionalis in vivo for long periods.     

日本晴/R1126水稻重组自交系群体粒形性状QTL定位

为阐明大穗型籼稻品系R1126稻谷籽粒性状的遗传机制,以其与粳稻日本晴构建的重组自交系F10为材料,通过连续2年田间种植并测定各株系的籽粒粒长、粒宽和粒厚等表型性状,结合利用SSR和SFP等分子标记构建的遗传图谱,对控制该群体的稻谷粒形性状进行了QTL分析。2年试验共检测到10个控制粒长、粒宽和粒厚性状的QTL,其中q GL3-1、q GL3-2和q GL9这3个粒长QTL,以及q GW2和q GW5这2个粒宽QTL在2年试验中能被重复检测;而粒厚性状在2年试验中检测到5个QTL,但均只在1年试验中出现。根据连锁的分子标记信息,q GL3-2、q GW2和q GW5可能分别与已报道的主要粒形基因GS3、GW2和GW5等位;而q GL3-1和q GL9可能为新的粒长QTL,且在2年试验中具有很好的重演性和稳定性,两者的加性效应均能使粒长增加0.2 mm以上,对于改善稻谷外观品质性状具有较好的潜在应用价值。     

Substitution mapping of QTLs for blast resistance with SSSLs in rice (Oryza sativa L.)

Rice blast, caused by fungal pathogen Magnaporthe grisea Barr., is one of the most devastating rice diseases worldwide. It has greatly affected the rice production and quality. Development of resistant cultivars is the most effective and economical way for controlling this disease in rice. In this study, 114 of the single-segment substitution lines (SSSLs) in rice were inoculated at seedling stage by 16 rice blast isolates. The substituted segments in the 114 SSSLs distributed on 12 chromosomes with coverage of 57.32% of rice genome. Fifteen of the SSSLs were different in blast resistance from the HJX74 recipient. The SSSL W23-7-6-5-2-2 showed 100% of resistance frequency. A total of 11 QTLs for blast resistance were detected on chromosomes 1, 2, 3, 6, 10, 11 and 12 in rice. They were mapped at chromosomal intervals of 2.2?C46.2?cM, of which 6 QTLs were mapped at less than 10.0?cM. Six of the 11 QTLs were first reported in this paper.