水稻耐冷QTL定位以及分子机理研究进展

水稻耐冷性是培育广适、多抗性品种的重要性状之一,其不仅影响水稻品种的种植区域,而且对保障世界粮食的安全生产具有重要意义。本论文通过综述近年来水稻耐冷分子遗传研究的主要进展:(1)水稻耐冷QTL的定位概况;(2)主效QTL精细定位、克隆及其分子机理;(3)CBF、MYB转录因子参与的耐冷分子机理调控网络,以期为今后水稻耐冷分子机理研究提供参考。     

水稻苗期耐Cd胁迫的QTL定位分析

[目的]进行水稻苗期耐Cd胁迫的QTL初步定位。[方法]（1）以Lemont（美国）和Dular（印度）杂交建立的重组自交系（RILs）群体,包括123个家系和亲本在内,用含有0.2mg/L镉的水培液进行处理,以不加镉培养的水培液作为对照,考察了叶绿素含量、根长、株高、叶长等4个性状,并转换成抗性指数,用于评价水稻对Cd污染的抗性指标。（2）在已构建的以109个引物为基础的遗传图谱上进行复合区间定位。[结果]（1）共检测到9个加性QTLs,涉及1,2,3,11等4条染色体,其中,以叶绿素抗性指数为指标,检测到3个与耐Cd有关的QTLs 分别位于第2,3,11染色体上,解释了14%,9%,9%的表型变异;（2）以根长抗性指数为评价指标,只定到1个位于第1染色体上控制耐Cd的QTLs,解释了9%的表型变异; （3）用株高抗性指数进行定位,共有3个与耐Cd相关的QTLs,位于1,1,11染色体上,分别解释了10%,27%,10%的表型变异;（4）而以叶长抗性指数进行水稻秧苗耐Cd性表现的QTL定位,结果发现也有2个QTLs与其耐Cd 反应有关,它们分别位于1,11染色体上,解释了21%,12%的表型变异。分析表明,在采用不同评价指标所检测到的9个与耐Cd相关的QTLs中,有7个集中于第1和第11染色体上,其中第1染色体上有4个,第11染色体上有3个。（结论）以株高和叶绿素抗性指数为评价指标,检测到的QTLs最多,根长抗性指数为评价指标的最少。研究还发现在第1和第11染色体上的相同区间内同时检测到以不同抗性指数为评价指标的多个与耐Cd相关的QTLs,推测它们可能是功能相同的几个紧密连锁的非等位基因,也可能就是同一等位基因的不同表现形式,从而也说明了该评价指标用于基因定位的准确性和可行性。     

水稻苗期耐冷QTL的图谱整合

提高水稻苗期耐冷性是寒地水稻育种的主要目标之一。本研究利用生物信息学手段,收集整理了来自11个作图群体共96个与水稻苗期耐冷性相关的QTL信息。通过Biomercator2.1和共有标记映射,将QTLs整合到参考图谱cornell2001上,并通过元分析的方法计算真实QTLs。建立了水稻苗期耐冷QTLs的一致性图谱,共发现18个"真实QTLs"及其连锁标记。为水稻苗期耐冷基因的精细定位、图位克隆以及分子辅助育种奠定基础。     

水稻千粒重QTL定位分析

以粳稻南粳35和耘稻N22杂交得到的F:群体为研究对象,通过构建遗传连锁图谱,对控制水稻千粒重的QTL进行定位。结果表明,千粒重在F:群体中呈正态分布,表现为数量性状特征;利用Win QTLcart2.5软件共检测到3个控制千粒重的QTL,分别位于第3和第6染色体上,其中第3染色体检测到2个QTL, qTGW3a,qTGW3b和qTGW6分别解释千粒重表型变异的15.03%,17.65%和7.87%,qTGW3a增加千粒重的基因来自南粳35,qTGw3b和qTGW6的增效基因来自私稻品种N22;3个位点基因的作用方式均为加性,在育种中应用潜力较大。     

水稻地方品种苗期耐盐QTL的定位

水稻耐盐遗传位点的发掘可为耐盐遗传机制的研究提供理论基础,为耐盐品种培育提供基因资源。以云南地方籼稻品种扎西玛与江苏著名优质粳稻品种南粳46为亲本构建的水稻重组自交系群体为研究对象,鉴定了各株系的苗期耐盐性,结合该群体的分子连锁图谱对控制水稻苗期耐盐性QTL进行分析,共检测到4个QTLs:qSST-1、qSST-3、qSST-5和qSST-11,分别位于第1,3,5,11号染色体上。4个QTLs的增效等位基因均来自于亲本南粳46。经比较发现有3个QTLs与已克隆水稻耐盐基因不在同一染色体区间,说明为新的耐盐基因候选位点。结果对进一步发掘和利用新的水稻耐盐QTL具有重要意义。     

水稻幼苗耐Al3+胁迫的QTL定位分析

用珍汕97B/密阳46构建RIL群体及其遗传图谱,对其种子采用纸培法育苗和培养,并设2个Al³⁺浓度（20 mg/L和30 mg/L）胁迫处理,以处理20 d后的幼苗相对根长（%）和相对苗高（%）为耐Al3+胁迫指标,用于QTL定位分析。结果表明,以相对根长为指标,检测到2个耐Al³⁺胁迫的主效应QTL,即qRAC(r)2和qRAC(r)11,其中qRAC(r)2在2个胁迫处理下均被检测到,有效基因来自于珍汕97B,贡献率较大（12.92%和16.15%）,表现出较强的耐Al³⁺胁迫功能。以相对苗高为指标,还检测到qRAC(s)11-2（20 mg/L Al³⁺）和qRAC(s)11-1（30 mg/L Al³⁺）2个主效应QTL,它们均位于第11染色体。耐Al³⁺胁迫的QTL上位性分析还表明,总的QTL上位性互作效应比主效应QTL的作用更大,且显示出相当的复杂性,在不同胁迫浓度下,基因间可以通过不同的互作方式,表现出对高Al³⁺胁迫的耐性。以相对根长为指标,检测到8对上位性互作,涉及1、2、3、5、6、10等6条染色体的15个QTL位点;以相对苗高为指标,共检测到6对上位性互作,涉及第1、2、3、5、6、7、8、9、12等9条染色体;且几乎所有互作均发生在背景因子的QTL位点间。     

不同环境条件下水稻耐冷相关农艺性状的QTL分析

以冷敏感的日本粳稻品种十和田与强耐冷的云南地方粳稻品种昆明小白谷为亲本构建的重组自交系群体(recombinant inbred line,RIL)225个家系为作图群体,构建了含132个SSR标记的分子连锁图谱,采用复合区间作图法对主穗和分蘖穗的特定结实率、单株结实率、穗长和株高在5种不同环境条件下进行QTL比较分析。结果表明,在云南省弥勒县(2012,正常生长环境)、嵩明县(2012,2013,自然低温胁迫环境)、丽江市(2012,2013,自然低温胁迫环境)5种环境条件下,主穗和分蘖穗中共检测到58个QTL,分布于第1~11染色体上,单个QTL对表型的贡献率在2.74%~18.43%之间。其中,仅在主穗中被检测到的QTL有24个,仅在分蘖穗中被检测到的QTL有16个,主穗和分蘖穗中同时被检测到的QTL有18个。在两种及其以上环境能重复检出的QTL 17个,但没有1个QTL在5种环境中均能检测到,表明数量性状基因的表达易受环境的影响。     

水稻苗期耐低氮相关性状的QTL定位

水稻低氮相关性状的遗传分析对研究氮素吸收和利用效率及培养耐性品种具有重要意义。缺氮是限制作物生长和产量提高的重要因素。利用一套以9311为遗传背景携带日本晴置换片段的染色体片段置换系为材料,对低氮胁迫下水稻苗期性状进行了QTL定位。共定位到高氮和低氮下株高、主根长、根干质量、苗干质量和总干质量及其相对性状的44个QTLs,其中2种氮水平下检测到28个QTLs,低氮与高氮相对性状检测到16个QTLs。检测到2个QTL热点区,聚集了不同氮水平及其相对性状的多个QTLs,通过搜索预测基因,发现这2个区域包含氮代谢的关键基因,说明极有可能是氮吸收和利用相关基因控制了这些QTLs的表达。以上结果将为利用分子标记辅助选育耐低氮品种提供依据。     

水稻芽性状耐冷性的QTL分析

低温发芽和芽期耐冷性是影响水稻芽生长发育的两个重要因素.本试验利用182个越光(粳型)/Kasalath(籼型)//越光回交重组自交株系(backcross recombinant inbred lines,BILs),对2个芽性状耐冷性(低温发芽和芽期耐冷性)进行QTL(quantitative trait loci)定位和相关性分析.结果表明,BIL群体中这2个芽性状耐冷性均呈连续分布,属于数量性状遗传,两性状间的相关性不显著;控制低温发芽的4个QTL分布于第1、7、9、11染色体上,其贡献率为6.72～12.78%;芽期耐冷性相关的4个QTL分布在第4、6(2个QTL)和11染色体上,贡献率为6.61%～14.93%;其中第11染色体上的2个QTL位于相同区域内,并且其增强耐冷性等位基因均来自耐冷性较差亲本Kasalath.本研究结果及其中检测到的QTLs两侧的连锁分子标记可为水稻芽性状耐冷性分子育种提供理论依据.     

水稻萌发耐淹性种质资源筛选及QTL定位

作者用水培的方法研究水稻不同生育期缺磷的影响,结果证明：幼苗期缺磷的影响最显著,表现出生长缓慢,分蘖减少。因此,栽培水稻在幼苗期及分蘖期充分供应磷肥有特别重要意义。     

水稻苗期耐淹相关性状QTL分析

以相同淹水条件下存活率差异较大的籼稻TN1与粳稻春江06(CJ06)为亲本构建的DH群体为试材,考察了DH群体及其双亲与苗期耐淹相关的5个性状,各性状均表现为连续分布,且都存在一定数量的双向超亲遗传类型,受多基因控制。使用分子连锁图谱进行QTL分析,共检测到16个与苗期耐淹有关的QTL,包括4个中胚轴长度QTL、3个株高QTL、3     

水稻萌发耐淹性种质资源筛选及QTL定位

萌发耐淹性种质资源的筛选、耐低氧萌发基因的挖掘和利用是选育适宜直播水稻新品种的基础。为简便、高效的评价种质资源的萌发耐淹性,本研究对来自不同年代和地区的191份粳稻种质资源进行了萌发耐淹性鉴定,共获得12份萌发耐淹性强的种质资源,其中连粳15号表现出较强的低氧萌发能力。利用其与籼稻品种黄莉占构建的F2:3分离群体,采用模拟大田的鉴定方法,在水稻1号、3号、9号、10号染色体上共检测到4个QTL,即qGS1、qGS3、qGS9和qGS10。共解释表型变异的70.9%,其中qGS1、qGS3和qGS10,能够被重复检测到,贡献率分别为19.2%~24.0%、12.6%~14.7%、19.1%~20.5%,是稳定表达的QTL位点。这些种质资源和QTL的发现为耐低氧发芽水稻新品种的培育提供了重要的亲本资源、基因资源和标记资源,同时也为选育优良直播稻品种提供了理论依据。     

水稻闭颖授粉QTL的初步定位分析

水稻闭颖授粉遗传位点的发掘旨在研究其闭颖授粉机制。本研究利用闭颖水稻品系RV2429为母本,开颖授粉水稻品系Koshihikari为父本杂交得到F1代,F1自交得到F2,以双亲本及F2为研究材料,对双亲本的粒型及花器官结构进行比较,推测出浆片体积增加较小是RV2429闭颖授粉的原因。统计F2群体的开花表型和基因型,通过QTL IciMapping 4.1软件分析,初步定位到4个与闭颖授粉相关的QTLs,qCL4.1(4.75%),LOD值为2.559 3、qCL6.1 (5.12%),LOD值为2.999 1、qCL11.1 (5.06%),LOD值为2.799 6和qCL12.1(4.77%),LOD值为3.052 1,分别在4、6、11、12染色体上。本研究结果明确了控制水稻闭颖授粉的新基因位置,为以后的精细定位提供了实验依据,为加快闭颖授粉的育种进程提供帮助,对抑制基因漂流具有重要意义。     

水稻幼苗耐Al3+胁迫的QTL定位分析

用珍汕97B/密阳46构建RIL群体及其遗传图谱，对其种子采用纸培法育苗和培养，并设2个Al³⁺浓度（20 mg/L和30 mg/L）胁迫处理，以处理20 d后的幼苗相对根长（%）和相对苗高（%）为耐Al3+胁迫指标，用于QTL定位分析。结果表明，以相对根长为指标，检测到2个耐Al³⁺胁迫的主效应QTL，即qRAC(r)2和qRAC(r)11，其中qRAC(r)2在2个胁迫处理下均被检测到，有效基因来自于珍汕97B，贡献率较大（12.92%和16.15%），表现出较强的耐Al³⁺胁迫功能。以相对苗高为指标，还检测到qRAC(s)11-2（20 mg/L Al³⁺）和qRAC(s)11-1（30 mg/L Al³⁺）2个主效应QTL，它们均位于第11染色体。耐Al³⁺胁迫的QTL上位性分析还表明，总的QTL上位性互作效应比主效应QTL的作用更大，且显示出相当的复杂性，在不同胁迫浓度下，基因间可以通过不同的互作方式，表现出对高Al³⁺胁迫的耐性。以相对根长为指标，检测到8对上位性互作，涉及1、2、3、5、6、10等6条染色体的15个QTL位点；以相对苗高为指标，共检测到6对上位性互作，涉及第1、2、3、5、6、7、8、9、12等9条染色体；且几乎所有互作均发生在背景因子的QTL位点间。     

一个水稻苗期耐冷性的主效QTL精细定位研究

苗期耐冷性是影响水稻生长发育的重要因素之一。此实验以低温导致叶片卷曲的卷曲度作为水稻苗期耐冷性指标,采用182个越光（粳型）/kasalath（籼型）//越光回交重组自交系（backcross recombinant inbred lines,BILs）和162个RFLP分子标记,对苗期耐冷性进行QTL（quantitative trait loci,QTL）定位分析。结果表明,BIL群体中苗期耐冷性均呈连续分布,属于数量性状遗传,并检测到4个控制苗期耐冷性的QTL,分布在第1、3、11、12染色体上,其贡献率为7.4%～21.9%,所有能增强耐冷性等位基因均来自越光;并在其目标区域内进一步设计分子引物把位于第12染色体上的主效qCTS-12定位在约77kb区域内。此研究结果及其检测到的QTLs两侧的连锁分子标记可为水稻苗期耐冷性分子育种以及相关基因克隆提供理论依据。     

水稻苗期耐冷相关性状QTLs的初步定位

本研究以粳稻品种藤坂5号与籼稻品种江西丝苗为亲本杂交构建的F2分离群体(137个株系)为作图群体,对F2:3家系的3叶期水稻幼苗冷处理(10℃/8℃,昼/夜)5 d、恢复培养7 d后的耐冷级别、叶枯萎度及苗成活率进行完备区间作图。在分子标记连锁分析过程中共检测到6个控制水稻耐冷性相关性状的QTLs,其中,控制耐冷级别、叶枯萎度及苗成活率的QTLs各有2个,而且每个性状的2个QTLs都分别定位在第8染色体的RM22772-C61344和第11染色体的M100-RM26567区域内,这些QTLs具有较高的耐冷表型贡献率(14.09%~28.60%)。QTL的定位结果采用置换检验(Permutation test)进行了验证,发现控制耐冷级别的2个QTLs的F值都超过了QTL检测的阈值,而叶枯萎度和苗成活率2个性状的QTLs中各有1个QTL(q LWR-8和q SR-11)的F值超过了QTL检测的阈值。研究结果显示在第8和11染色体确实存在2个与水稻耐冷性相关的位点,可为进一步的分析和精细定位打下基础,也为耐冷水稻品种育种和种质创新提供理论依据。     

黄瓜耐弱光性状的QTL定位

应用“欧洲八号×秋棚”为亲本获得的重组自交系群体为材料,以叶面积增长量为鉴定指标,在弱光条件下(光照强度80滋mol·m-2·s-1,光照时数8h白天/16h夜,温度25℃白天/18℃夜)对黄瓜的耐弱光性状进行了研究。发现该RIL群体的双亲在弱光条件下的叶面积增长量存在明显差异。应用该群体构建的具有234个标记位点的连锁图对控制黄瓜耐弱光的数量性状基因(QTL)进行了研究。共定位了5个叶面积增长量的QTL,每个QTL的贡献率在7.3%~20.2%之间。其中1个QTL显示正效加性效应,4个QTL显示负效加性效应。     

水稻分蘖相关性状的QTL定位与分析

应用147个SSR标记,对水稻测序品种日本晴(Nipponbare以下简称Nipp) ×广陆矮4号(部分测序,以下简称GLA)的F2群体进行基因检测,构建了全长为1736.6cM、覆盖水稻基因组12条染色体的连锁图,采用QTLCart1.7 统计软件对水稻分蘖相关性状如分蘖数、穗数、有效分蘖数、分蘖率等4个性状的基因座位进行定位分析,检测到5个主效果基因和17个微效基因,同时结合基因组研究的最新成果,对7个与标记间遗传距离为0(QTL POS=0)的QTLs进行生物信息学的分析,尝试用QTL定位预测基因的功能。     

水稻茎秆抗倒伏相关QTL定位与分析

水稻的倒伏问题一直是制约其产量的重要因素之一。不断发掘、利用水稻抗倒伏性状相关QTL,选育出抗倒伏品种,从而提高水稻收获指数,是新时期水稻理想株型和高产育种相结合的重要育种方向。本研究利用Vary Lava 1312和华恢1 462构建的F2:3群体,基于全基因组构建遗传连锁图谱,对水稻基部茎秆直径(BCM)、伸长第一节茎秆直径(FCM)、伸长第二节茎秆直径(SCM)和株高(PH)进行QTL(quantitative trait locus)分析。2013年和2014年两年表型数据共检测到19个控制茎宽的QTLs和4个控制株高的QTLs。其中,位于第1染色体和第9染色体上的5个茎宽QTLs(q BCM1,q BCM9,q FCM1,q FCM9.1和q SCM1)和2个株高QTLs(q PH1.1和q PH9)在两年中均被检测到。位于第1染色体上RM4011-RMYP41231区间内的QTL在两年重复中均具有较好的稳定性。此区间的QTLs对各节茎秆直径的表型变异解释率为2.69%~16.22%,这些稳定检测到的QTLs对于利用分子标记辅助选择改良水稻抗倒伏提供了重要的基因资源。     

水稻粒型和粒重的QTL定位分析

利用以两个籼稻品种H359和Acc8558为亲本杂交建立的重组自交系群体及相应的分子标记连锁图，对水稻粒长、粒宽和粒重进行了QTL定位分析。检测到15个与粒长有关的QTL、17个与粒宽有关的QTL及16个与粒重有关的QTL，它们可分别解释75．91％、76．20％和81．40％的表型变异。其中在5号染色体上检测到1个控制粒宽的主效QTL，可解释26．65％的表型变异。粒长和粒宽之间虽然相关显著，但相关系数很小(r=0．180)。而QTL分析结果也显示，两者的QTL位置很少相同。这说明粒长和粒宽有不同的遗传基础。粒长和粒宽与粒重的相关系数分别为0．781和0．461，直接通径系数分别为0．7220和0．3299。QTL定位结果也显示，粒长与粒重的QTL位置相近或重叠的较多。因此，粒长对粒重的贡献较大。