花粉介导的水稻（Oryza sativa L.）基因漂移及其模型的研究

论文摘要

栽培水稻不同品种间的基因漂移会导致受体品种的种子纯度和质量发生下降。栽培水稻到其野生近缘种的基因漂移会影响野生近缘种群体的遗传组成和遗传结构，甚至可能对野生近缘种群体的发展和延续构成威胁。转基因水稻的环境释放和商品化生产，可能会使得外源转基因通过基因漂移扩散至非转基因水稻品种及其野生近缘种，从而可能会引发一系列的生物安全问题。为了对栽培水稻品种间以及栽培水稻到其野生近缘物种的基因漂移进行预测，本研究以栽培水稻品种间(包括转基因和非转基因水稻品种间)的基因漂移为研究平台，通过设计可控的田间实验，对花粉介导的水稻基因漂移进行了系统的研究。通过应用SSR(simple sequence repeat)分子标记技术以及潮霉素抗性基因筛选法对基因漂移产生的杂种进行鉴定，本研究总共对400多万份的水稻幼苗进行了检测。本研究的主要结果和结论如下：(1)栽培水稻品种间的基因漂移频率极低，所检测的不同水稻组合的最大基因漂移频率均小于1％。(2)花粉受体的异交率可能是影响水稻基因漂移频率的主要限制因子，较高的异交率通常导致较高的基因漂移频率，同时异交率决定了基因漂移频率的最大值。(3)近距离的花粉竞争会对水稻的基因漂移造成显著影响，基因漂移频率的大小与相对花粉密度呈明显的正相关。(4)水稻的基因漂移频率随与花粉源距离的增加而迅速衰减，实验显示基因漂移频率在6m以后就下降至0.01％以下，这意味着距离隔离可以有效降低水稻品种间的基因漂移。(5)在实验条件下，花粉源的大小对基因漂移频率的影响不显著，这可能和供体花粉密度随与花粉源距离的增加而迅速衰减有关。模型模拟显示，随着花粉衰减系数的减小，花粉源大小对于基因漂移的效应会越来越明显，不同距离上的基因漂移频率会随着花粉源的增大而增大，但增加的幅度会迅速减小，最后基因漂移频率趋于某一极限值。(6)对水稻基因漂移的规模效应的研究显示，基因漂移频率并没有随着实验规模的增大而呈现相应的增长趋势，模型模拟的结果更显示了逐渐下降的趋势，这意味着小规模的水稻基因漂移实验可以为大规模的水稻生产提供参考数据。(7)在只有一种供体花粉授粉的情况下，水稻的基因漂移频率与花粉密度成正比。(8)强烈的自花授粉竞争可能是导致栽培水稻品种间极低的异交率以及基因漂移频率的主要原因之一。(9)对水稻花粉流的研究显示，在赶粉的实验条件下，于远离花粉源的90 m处仍然检测到花粉分布，回归分析显示水稻的花粉可以传播100 m以上，甚至在远离花粉源的200 m的距离处仍然可能有花粉分布，这表明水稻的花粉可以传播非常远的距离。(10)本研究构建了花粉介导的水稻基因漂移模型。该模型能很好地对本研究的实验结果进行模拟和解释，从而能够用于对实际的水稻基因漂移进行估计和预测。(11)应用模型对水稻的基因漂移进行模拟的结果显示，对于通常的异交率小于1％的栽培水稻品种而言，以受体水稻在花粉供体和受体间种植5 m左右的缓冲带就足以使其间的基因漂移频率降至0.9％以下。然而，对栽培水稻到其野生近缘种的基因漂移进行模拟的结果表明，栽培水稻到野生稻的基因漂移频率较高并且可能会对邻近的较大范围内的野生近缘种群体造成影响。本研究结果能为水稻基因漂移的控制和管理提供科学依据。特别对于栽培水稻品种间的基因漂移而言，本研究所得的模型能直接应用于对其进行模拟和估计。本研究对于其他的自花授粉以及风媒传粉作物(如小麦)的花粉介导的基因漂移研究而言，具有重要的参考价值。特别是花粉介导的基因漂移模型的一般形式，在风媒传粉作物间应该是一致的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1 基因漂移的概念
• 2 基因漂移是生物进化过程的一部分
• 3 基因漂移对栽培作物及其野生近缘种的影响
• 4 基因漂移导致的转基因逃逸及其潜在后果
• 5 基因漂移的检测方法
• 5.1 基因漂移的间接检测法
• 5.2 基因漂移的直接检测法
• 6 水稻基因漂移研究的意义
• 7 水稻基因漂移的研究进展
• 7.1 栽培水稻品种间的基因漂移研究
• 7.2 栽培水稻及其野生近缘种间的基因漂移研究
• 7.3 分析和讨论
• 8 本研究的目的、意义和内容
• 第二章 不同水稻品种基因漂移频率的变异
• 1 材料和方法
• 1.1 实验材料
• 1.2 实验设计
• 1.3 SSR分析和杂种的检测
• 2 实验结果
• 3 讨论
• 4 小结
• 第三章 相对花粉密度对基因漂移频率的影响
• 1 材料和方法
• 1.1 实验材料
• 1.2 实验设计
• 1.3 转基因和非转基因水稻杂种的鉴定
• 1.4 转基因漂移频率的计算和统计分析
• 2 实验结果
• 3 讨论
• 4 小结
• 第四章 花粉供体与受体的距离以及花粉源大小对基因漂移的影响
• 1 材料和方法
• 1.1 实验材料
• 1.2 实验设计
• 1.3 转基因杂种的鉴定
• 1.4 转基因漂移频率的计算
• 1.5 数据分析
• 2 实验结果
• 3 讨论
• 4 小结
• 第五章 水稻基因漂移的规模（scale）效应
• 1 材料和方法
• 1.1 实验材料
• 1.2 实验设计
• 1.3 转基因杂种的鉴定
• 1.4 数据分析
• 2 实验结果
• 3 讨论
• 4 小结
• 第六章 花粉密度以及自花授粉竞争对基因漂移的影响
• 1 材料和方法
• 1.1 实验材料
• 1.2 实验设计
• 1.3 转基因杂种的鉴定
• 1.4 花粉计数
• 1.5 数据分析
• 2 实验结果
• 3 讨论
• 4 小结
• 第七章 水稻的花粉流（pollen flow）模型
• 1 材料和方法
• 1.1 研究地点
• 1.2 实验设计
• 1.3 花粉计数
• 1.4 数据分析
• 2 实验结果
• 3 讨论
• 4 小结
• 第八章 水稻的基因漂移（gene flow）模型
• 第九章 结论与展望
• 参考文献
• 在读期间发表或拟发表的论文
• 致谢