水稻氮胁迫基因表达谱研究及耐低氮特性数量性状分析

论文摘要

氮是作物生长发育必需的矿质营养元素中需求量最大的元素，是氨基酸、蛋白质、核酸、叶绿素、激素等的组成成分。随着人们对作物产量需求的提高，氮肥的施用量也急剧增加，然而氮肥的利用效率却不断下降，水稻田中氮肥的利用效率比旱田更低。大量的氮素经淋洗和径流作用流失到水体中使湖泊、水库发生富营养化，带来了严重的环境问题。研究作物氮代谢的机理，提高作物对氮肥的吸收、利用效率是农业可持续性发展的必由之路。 本研究以水稻品种明恢63为实验材料，分析水稻幼苗在受到低氮胁迫情况下植株体内基因在表达上的变化，探讨氮代谢调控的规律，鉴定可能的氮高效基因。同时我们以优良的杂交组合汕优63衍生的重组自交系群体，分别在正常营养条件和低氮胁迫条件下种植，考察其地上、地下生物学产量，结合分子标记遗传连锁图谱，进行了QTL定位分析。本研究的主要结果如下： 1．建立了基因表达谱研究的cDNA芯片技术平台。建立和完善了从芯片制作、反转录、探针标记、芯片杂交、图象扫描到数据分析等一整套的cDNA芯片技术。不同荧光染料标记的技术重复之间，重复性好，相关系数在0.9以上。 2．制作了一批cDNA芯片，芯片中11494个水稻ESTs代表了水稻的10422个基因。在水稻品种明恢63幼苗受到低氮胁迫后的20分钟、1小时和2小时三个时间点上，共有471条ESTs表达量发生了明显的改变，其中115条ESTs的表达量上升，358条表达量下降。 3．对差异表达克隆进行了功能分析后，得到一些低氮胁迫初始阶段水稻幼苗基因表达调控的规律：光合作用基因和能量代谢基因在低氮胁迫后下降表达；参与生物与非生物逆境胁迫的基因有下降表达也有上升表达；调节基因在低氮胁迫后有下降表达也有上升表达；已知的氮代谢基因表达量没有明显变化。 4．定位研究中，所有性状在重组自交系群体中均表现超亲分离，表明了控制这些性状的基因在两个亲本中都有广泛的分布。正常氮水平下地上部干物重、根干重和植株干物重与它们在两种氮水平下的比值之间呈明显的负相关，表明了群体中各基因型家系存在一种趋势，即低氮与正常氮水平下比值越高的植株，它们在正常氮水平下的生长量越小。但是也有一些家系它们的比值和正常氮水平下的表现都比两个亲本和F1要好。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1.文献综述
• 1.1 作物的氮素营养
• 1.1.1 作物体内氮的含量和分布
• 1.1.2 氮的生理功能
• 1.2 土壤氮素形态、相互间的转化及其有效性
• 1.2.1 土壤无机态氮
• 1.2.2 土壤有机态氮
• 1.3 作物对氮素的吸收利用
• 1.3.1 植物对氮肥的吸收
• 1.3.2 植物对氮的同化利用
• 1.4 芯片技术
• 1.4.1 DNA芯片的制作
• 1.4.2 DNA芯片技术的应用
• 1.5 数量性状遗传规律和研究方法
• 1.6 本研究的目的和意义
• 2 材料和方法
• 2.1 水稻低氮胁迫表达谱研究的材料方法
• 2.1.1 水稻材料的种植
• 2.1.2 总RNA提取和mRNA分离
• 2.1.3 差减文库的构建
• 2.1.4 cDNA芯片的制作
• 2.1.5 探针标记、芯片杂交、洗涤、扫描
• 2.1.6 芯片杂交实验设计
• 2.1.7 数据处理与分析
• 2.2 水稻耐低氮胁迫数量性状分析材料方法
• 2.2.1 水稻材料
• 2.2.2 材料种植
• 2.2.3 性状考察
• 2.2.4 遗传图谱构建和群体单株基因型分析
• 2.2.5 数据分析
• 3 结果与分析
• 3.1 差减杂交文库的结果
• 3.2 表达谱分析实验重复之间的相关性
• 3.3 部分克隆的NORTHERN验证
• 3.4 芯片结果的总体情况
• 3.5 差异表达克隆的功能分析
• 3.6 光合作用基因在低氮胁迫后下降表达
• 3.7 能量代谢基因低氮胁迫后下降表达
• 3.8 参与生物与非生物逆境胁迫的基因有下降表达也有上升表达
• 3.9 调节基因在低氮胁迫后有下降表达也有上升表达
• 3.10 已知的氮代谢基因表达量没有明显变化
• 3.11 数量性状分析中各性状的表型变异
• 3.12 连锁图谱的构建
• 3.13 根干重QTL位点
• 3.13.1 低氮胁迫下根干重QTL位点
• 3.13.2 正常氮水平下根干重QTL位点
• 3.13.3 两种氮水平下根干重比QTL位点
• 3.14 地上干物重QTL位点
• 3.14.1 低氮胁迫下地上部干物质重QTL位点
• 3.14.2 正常氮水平下地上部干物质重QTL位点
• 3.14.3 两种氮水平下地上部干物质重比QTL位点
• 3.15 植株干物质重QTL位点
• 3.15.1 低氮胁迫下植株干物质重QTL位点
• 3.15.2 正常氮水平下植株干物质重QTL位点
• 3.16 各性状QTL位点间的相互关系
• 3.17 数量性状定位与低氮胁迫差异表达克隆的关系
• 4 讨论
• 4.1 对芯片结果的理解
• 4.2 芯片杂交分析方法讨论
• 4.3 QTLs位点的特性及其与已知氮代谢基因间的关系
• 4.4 两种氮水平下生物学产量比作为耐低氮特性指标在农业上的意义
• 4.5 进一步研究的思考
• 参考文献
• 附录1 实验程序
• 附录2 全部差异表达克隆
• 附录3 个人简历
• 致谢