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。     

水稻花器官数目突变体mf2的鉴定和基因定位

水稻的花器官发育影响着水稻的产量与品质。本研究通过¹²C重离子诱变航恢7号获得一个水稻花器官突变体multi-floret 2 (mf2), 其稃片、浆片、雄蕊、雌蕊增多, 多数小穗内具2~3朵类似小花。mf2内外稃不能很好勾合, 而且形状和维管束的数目都产生了一定程度的变化。电镜扫描幼穗发现花器官的变异在幼穗分化期的各花器官原基分化时就已形成。另外, 该突变体的抽穗期推迟, 株高降低, 穗数增多, 表明其营养生长也受到一定的影响。遗传分析表明mf2突变体表型受单隐性核基因控制。利用SSR、InDel分子标记将MF2定位于第1染色体的标记SSR39108和InD39210之间, 区间大小约为102 kb。     

水稻花色素苷合成调节基因hrd1(t)的鉴定

【目的】对籼稻种质hrd1紫叶性状进行遗传分析和基因定位。【方法】在特籼占13与02428杂交后代中获得籼稻紫叶材料hrd1。对hrd1主要农艺性状及表型进行观察;配制hrd1与02428的F1、F2、BC1F1群体,观察紫叶与绿叶性状的分离情况,明确其遗传模式;进一步利用F2群体实现紫叶性状基因的精细定位和候选基因遴选。【结果】hrd1在2叶期的叶尖出现紫色,并逐步扩散至全株大部分组织,成熟期农艺性状与对照（特籼占13）具有较大差异。hrd1叶绿素含量正常,花色素苷含量显著高于对照。遗传分析表明其紫叶性状受1对隐性核基因hrd1(t)控制,该基因位于第4染色体InDel标记HRD10和HRD21之间,物理距离为32.5 kb。对该区域候选基因测序,发现hrd1在LOC_Os04g50660基因（编码WD和G-beta重复域蛋白）的第3外显子发生单碱基突变（A→C）,导致其编码的第196位氨基酸由对照的赖氨酸变为苏氨酸。【结论】hrd1(t)编码WD40类转录因子,可能参与花色素合成调控。     

水稻开颖半不育突变体的观察、遗传分析和基因定位

【目的】通过对一份航天诱变水稻（Oryza sativa L.）开颖半不育突变体ohss（open-hull semi-sterility）进行形态特性调查、遗传分析和基因定位,筛选候选基因,为下一步基因克隆和功能分析奠定基础。【方法】以籼稻品种航恢七号为材料,通过“神舟八号”飞船搭载,诱变获得一份水稻开颖半不育突变体ohss。对其进行形态特征解剖观察,分析颖花器官发育突变特点。调查突变体和野生型的花粉可育率、自然结实率和套袋自交结实率,对其育性进行鉴定。随机选取5个成熟单株,考察穗部谷粒相关性状并进行统计分析。通过覆盖全基因组的SSR分子标记检测,解析空间诱变的分子变异效应。以航恢七号、Francis和02428与突变体ohss配制杂交组合,观察F₁和F₂植株的花器官表型,进行?²测验,对突变性状进行遗传分析。以02428/ohss的F₂分离群体作为目标基因定位群体,同时利用SSR标记以及新开发的多个InDel分子标记开展基因定位研究。利用RAP水稻基因组注释数据库对定位区间的候选基因进行预测,通过序列比对和基因表达分析筛选候选基因。【结果】开颖半不育花器官突变体ohss与野生型相比,抽穗期穗部明显包茎,颖花发育出现异常,内外稃片瘪弱、扭曲变形且开裂不抱合,颖花内部发育类似内稃状的器官,部分颖花没有内稃的分化。ohss发育异常颖花中可育花粉率58.74%,导致单株结实率、穗重、穗实粒数与野生型相比极显著降低。全基因组SSR标记检测表明突变体ohss总变异频率为0.0336,除了第7、12染色体未检测到突变位点,其他染色体上检测到突变频率范围为0.0143-0.0889。遗传分析结果显示ohss的开颖半不育表型受单隐性核基因ohss(t)控制,并将ohss(t)定位在水稻第3染色体上2个InDel标记InDel6043和InDel6070之间约27.6 kb的物理距离内。该区域有3个预测注释基因,序列比对和表达分析表明突变体ohss的OsMADS1编码区及启动子序列未发生突变,但是表达模式发生强烈改变。【结论】开颖半不育的花器官发育突变体ohss受单隐性核基因ohss(t)控制,ohss(t)定位在水稻第3染色体上InDel6043和InDel6070标记之间约27.6 kb的物理距离内,其OsMADS1的编码序列及5′UTR区未发生碱基突变但表达受到强烈抑制。     

基于高密度Bin图谱的水稻抽穗期QTL定位

以粳稻品种02428和籼稻品种玉针香进行杂交, 按单粒传法连续自交10代, 得到包含192个株系的重组自交系(RIL)作图群体。通过对两亲本重测序及RIL群体简化基因组测序, 构建了包含2711个Bin标记的高密度遗传图谱。该图谱各染色体标记数在162~311个之间, 标记间平均物理距离为137.68 kb。将亲本及192个株系分别于4个环境下采用随机区组种植, 并记录抽穗期。使用WinQTL Cartographer 2.5软件的CIM分析方法, 进行抽穗期相关QTL检测及定位。在4个环境下定位到影响抽穗期的QTL共14个, 分布于第1、第2、第3、第7、第8、第9和第10染色体。其中, qHD2.2和qHD10.2能在3个环境中被重复检测到, 表型贡献率分别为5.14%~11.15%和5.35%~16.97%, 分别能缩短抽穗期1.66 d和1.56 d, 具有聚合育种的应用价值。通过物理位置比对, 14个QTL中有11个与前人定位在相同或邻近区域, qHD1.1、qHD2.2和qHD9.1尚未见报道。经对qHD2.2详细分析, 在其染色体区间内找到3个与抽穗期相关的注释基因LOC_Os02g46450、LOC_Os02g46710和LOC_Os02g46940, 其中LOC_Os02g46450已被克隆。测序分析发现, 这3个基因在两亲本间都存在差异, 可作为候选基因。     

稻米蒸煮品质性状与分子标记关联研究

【目的】调查分析代表性水稻种质重要的品质性状和淀粉RVA谱变异,筛选与性状显著关联的分子标记,为稻米品质改良提供依据。【方法】以48份国内外水稻多样性种质为材料,进行稻米品质性状变异调查分析;利用快速淀粉粘滞测定仪(rapid visco analyzer)鉴定材料淀粉RVA谱。利用已报道的稻米淀粉合成相关基因等位标记及稻米籽粒相关QTL连锁分子标记对种质材料进行基因分型。利用GLM模型进行分子标记与品质性状的关联检测,并对显著关联标记进行逐步回归分析;评估等位基因及其组合对目标性状的表型影响效应,同时鉴别对应优异等位基因型及载体品种。【结果】供试材料在直链淀粉含量(AC)、胶稠度(GC)和碱消值(ASV)等表现出广泛的表型变异和多样性,变异系数为26.5%—36.3%。RVA谱检测表明崩解值、消减值和回复值等在材料间具有明显差异,能较好地反映不同种质的淀粉糊化特性。相关分析表明,AC与冷胶黏度、消减值和回复值呈显著正相关,与最高黏度和崩解值呈显著负相关;GC同时与消减值和回复值呈显著负相关。利用154个多态性标记共检测到491个等位变异,基因多样性平均为0.447,多态信息含量(PIC)平均为0.390。性状-标记关联检测共获得22个与稻米品质性状显著关联的位点,单个关联标记位点解释的表型变异(R~2)范围为14.11%—75.62%。GBSSI是影响AC和GC的主效基因,分子标记Wx-G/T对AC和GC的表型变异解释率分别为61.44%和41.87%。SSIIa是影响ASV的主效基因,alk-GC/TT和SSIIa-F对ASV的表型变异解释率分别为75.62%和74.46%。利用显著关联标记构建AC、GC和ASV的回归模型方程,决定系数分别为85.30%、40.62%和80.38%。【结论】水稻淀粉RVA谱与AC、GC和ASV密切相关,利用RVA谱可更全面地评价稻米品质性状。利用稻米品质表型-分子标记关联,共鉴定出22个与品质性状显著关联的位点,其中5个位点同时与AC和GC关联。回归模型表明标记的组合可产生不同的表型效应。     

水稻培矮64S空间诱变突变株系的花培效应研究

利用"实践八号"农业卫星搭载籼稻光温敏不育系培矮64S的干种子,对诱变后代19个突变株系进行了花药培养研究,考察了愈伤组织的诱导与分化情况。结果表明,与对照原种相比空间诱变后代的花药培养力发生了变化,其中H17、H11、H14、H6花药培养力提高,突变后更适合于花药培养;另外,在改良白苗分化方面也有所成效,但效果不大,H8、H6的白苗分化率与对照原种相比得到了有效的降低,其中以H6综合性状表现较好。利用航天技术与花药培养技术相结合,不仅能快速筛选出花药培养力高的优良单株,同时为今后开展籼稻材料的花药培养和选育新的不育系研究打下基础。     

一种基于图像分析的稻谷粒型性状 测量方法的建立及应用

建立了一种准确、高效率、高通量测量水稻粒型的新方法——图像分析测量法。利用扫描仪批量获取稻谷籽粒样品的数码图像,借助图像裁剪工具进行图像分割处理和Smart Grain软件进行图像分析获得粒型相关的指标数据,可简易快速测量大批量不同样品的籽粒粒长、粒宽、截面积和圆度等多个性状指标。对相同样品用手工刻度尺测量和Smart Grain软件测量所得的数据进行显著性检验,结果表明,在本试验中两种测量方法测定结果差异不显著,相关系数接近1,达到极强相关。新建立的水稻粒型测量方法,在水稻重组自交系群体多个粒型性状指标的高通量测量中得到应用,测量效率得到提高。     

“神舟八号”搭载‘航恢173’种子的当代生物效应及SSR分析

水稻空间诱变的当代效应与地面其他常用的理化诱变方法存在较大差别,并且不同航天器的诱变效应往往也不尽一致。为了探明搭载“神舟八号”飞船的当代效应及其特征,以籼稻‘航恢173’种子经“神舟八号”搭载诱变当代(SP₁)为材料,考察其发芽率、苗高、成熟期株高、剑叶长和宽、主穗长和结实率等7个性状,探讨“神舟八号”搭载的当代效应,并与250 Gy ⁶⁰Co-γ射线辐照当代(G₁)和1% EMS诱变处理当代(E₁)进行对比;进一步利用位于水稻12条染色体的24个SSR标记对100个混合SP₁样品（300个单株）进行变异检测,以期从分子水平了解“神舟八号”搭载的诱变效应。结果表明,与对照相比,SP₁的发芽率、主穗结实率分别显著和极显著下降,而其余5个性状差异不显著;对比分析表明,与“神舟八号”搭载对植株后期生长无明显影响不同的是,G₁和E₁的植株其后期生长受到促进,导致G₁、E₁和SP₁在株高、剑叶长和宽上均存在显著或极显著差异。SSR座位的扩增结果表明,仅SSR标记RM267在1个样品中检测到明显的变异条带,变异频率约为0.014%。     

基于籼粳杂交重组自交系的水稻籽粒性状的遗传变异研究

为研究多环境条件下籽粒性状的遗传变异及性状间相关性,解析籽粒性状遗传规律。以细长型籼稻品种‘玉针香’和短圆型粳稻品种‘02428’为亲本构建的含192个株系的RIL(重组自交系)群体为研究材料,在4种环境下分别对籽粒相关的16个性状进行相关性分析和遗传变异解析。结果表明,两亲本的粒型、垩白性状存在显著差异,其中,‘玉针香’精米长宽比、垩白粒率和垩白度分别为4.03、1.00%和0.18%,‘02428’精米长宽比、垩白粒率和垩白度分别为1.45、87.40%和52.21%。RIL群体各性状的平均值介于两亲本之间,分布频率呈趋于单峰的正态分布,符合数量性状遗传规律。多环境下变异分析表明,大部分籽粒性状受环境及环境与株系互作不同程度的影响;而谷粒面积、谷粒圆度2个性状受环境、环境与株系互作的影响均不显著。遗传群体各性状变异系数为6.34%~84.55%,广义遗传力为4.26%~70.67%。粒长、粒宽、垩白粒率、垩白度间呈明显互作关系。在RIL群体中筛选获得4个在穗部性状、粒质量和稻米外观品质等方面综合表现较为优良的株系,具有较高育种价值。说明:基于遗传背景明确的重组自交系群体,可解析籽粒性状的遗传变异规律,并有效创制优异育种材料。