栽培稻籼粳亚种间遗传差异及分子标记初步研究

论文摘要

亚洲栽培稻（O.sativa）分为籼稻（O.sativa ssp.indica）和粳稻（O.sativa ssp.japonica）两个亚种,它们在农艺性状、产量和品质等方面各具特点,利用籼粳杂交选育高产新品种以及选育具强配合力的杂交稻亲本已成为水稻育种的重要技术途径。但对籼粳杂交后代高产新品种以及强配合力亲本都未曾进行过深入的分子遗传分析,对其高产和强配合力形成的原因缺乏理论认识,这方面研究较薄弱的重要原因是因为对籼稻和粳稻亚种间分子遗传差异研究不够深入。本文利用核糖体DNA非编码区序列差异以及SSR、ISSR、SRAP、TRAP分子标记对籼稻和粳稻两亚种间的遗传差异进行分析,旨在促进对栽培稻种内遗传多样性的认识,为分析籼稻和粳稻两亚种间的遗传差异和籼粳杂交后代的遗传特点提供一些新的启示。促进分子记技术在籼粳杂交育种中的应用。主要结果如下:1、以普通野生稻（O.rufipogon）为外类群,对栽培稻籼亚种和粳亚种18个材料的核糖体基因（rDNA）内转录间隔区（internal transcribedspacers,ITS）全序列进行了比较分析。研究结果发现,栽培稻种内总变异位点23个,占总碱基数的5.41%;8个信息位点,占总碱基数的1.82%。籼亚种ITS全序列的长度变化范围为425～430 bp,G+C含量变化范围为74.25%～75.59%;粳亚种ITS序列总长度为425bp,G+C含量变化范围为74.25%～75.59%。以ITS全序列构建的系统树能将栽培稻区分为籼、粳2个亚种群,爪哇稻与籼稻有较近的亲缘关系。2、利用rDNA基因间区（Intergenic spacer,IGS）序列对栽培稻种内不同亚种以及亚种内不同品种的亲缘关系进行分析,栽培稻种内IGS序列长度为2130-2145 bp,G+C含量74.59%～75.29%,变异位点229个,占10.70%,信息位点76个,占3.51%。IGS序列中籼亚种和粳亚种之间有38个亚种标志性碱基差异,亚种间的碱基差异主要分布在IGS 5′端近400 bp的序列中。用IGS序列构建的系统树能将栽培稻的籼亚种和粳亚种分为两大类,亚种内不同亲缘关系的品种也能区分开。爪哇稻与粳稻有较近的亲缘关系。3、利用SRAP、TRAP、SSR、ISSR标记系统对典型籼稻和粳稻进行了比较研究,四种分子标记都呈极显著相关。共检测到90条特异性标记带可作为区分籼亚种和粳亚种的分子标记,其中SSR有17条,ISSR有18条,SRAP有25条,TRAP有30条。利用水稻籼粳基因组数据库对SSR、TRAP籼粳特异标记定位分析表明,籼粳特异性分子标记在编码区和非编码区都有分布,且许多为数量性状（QTL）位点。对通过杂交途径选育出的籼型不育系进行籼粳型血缘分析表明,供试材料中都含有部分粳型标记,其中超级稻母本培矮64S有更多粳型血缘。四种分子标记都检测到爪哇稻既有丰富的籼型特异性标记,又有较丰富的粳型特异性标记,表明爪哇稻是介于籼型和粳型之间的中间类型。加上爪哇稻ITS序列偏籼,而IGS序列偏粳的矛盾结果,本文研究结果支持将爪哇稻作为栽培稻中一个独立亚种的观点。对普通野生稻进行籼粳特异性分子标记分析发现,不同分子标记在不同材料中其偏籼或偏粳性虽然存在差异,但总的规律是普通野生稻既含有籼型特异性带,又有粳型特异性带,体现了普通野生稻籼粳分化不明显的原始性。普通野生稻既含有籼型特异性带,又有粳型特异性带的研究结果是对亚洲栽培稻双起源学说的有力支持,既籼稻和粳稻分别起源于普通野生稻,而不是由普通野生稻到籼稻,再由籼稻到粳稻的演化方向。实验结果表明四种分子标记系统可以较好的应用于籼粳特异性分子标记分析,而SRAP和TRAP标记有更好的应用潜力。4、以典型籼稻广陆矮四号为母本,以典型粳稻秋光为父本进行杂交,在F2代群体中根据程氏指数选择粳型、偏粳型、偏籼型、籼型等类型的代表性单株,进行连续加代繁殖到F7代,测定其农艺性状和程氏指数。同时对杂交后代的籼型、粳型的核糖体DNA的ITS序列进行比较分析。结果表明,籼粳杂交F2代中存在大量的两种亲本的ITS序列,并在部分序列中出现一定的碱基突变。伴随着连续加代繁殖,ITS序列通过序列消除而趋同演变（同步进化）,到F4代出现明显的ITS主序列,到F7代其主序列已接近纯合,但在部分重复序列中仍存在单碱基的差异。本研究认为,通过定向选育,籼粳杂交后代到F6-F7代其农艺性状基本稳定,到F7代其遗传物质趋于稳定,但在碱基水平上还没有真正纯合。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 引言
• 1.1 核糖体DNA非编码区在植物系统学中的研究进展
• 1.1.1 核糖体DNA（nrDNA）内转录间隔区ITS的研究进展
• 1.1.2 核糖体DNA IGS序列在植物中的应用
• 1.2 分子标记在水稻中的应用
• 1.2.1 SSR标记在水稻的研究进展
• 1.2.2 ISSR标记及其在水稻研究中的进展
• 1.2.3 SRAP分子标记在植物研究中的应用
• 1.2.4 TRAP分子标记的应用
• 1.3 本实验研究背景、目的和意义
• 第二章 栽培稻种内RDNA基因ITS序列分析及系统学意义
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 材料
• 2.1.2 方法
• 2.2 结果与分析
• 2.2.1 栽培稻种内ITS序列变异分析
• 2.2.2 栽培稻籼粳亚种ITS序列遗传距离及系统树构建
• 2.3 讨论
• 第三章 栽培稻种内RDNA基因IGS序列分析及系统学意义
• 3.1 材料和方法
• 3.1.1 材料
• 3.1.2 方法
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 栽培稻种内IGS序列长度和G+C含量比较分析
• 3.2.2 栽培稻籼粳亚种间IGS序列比较分析
• 3.2.3 粳亚种内IGS序列比较分析
• 3.2.4 籼亚种内IGS序列比较分析
• 3.2.5 栽培稻种内IGS序列系统树构建
• 3.3 讨论
• 第四章 籼稻和粳稻亚种间特异性分子标记的研究
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 材料
• 4.1.2 方法
• 4.2 结果与分析
• 4.2.1 4种分子标记的多态性分析
• 4.2.2 籼稻和粳稻亚种间特异性分子标记分析
• 4.2.3 籼型杂交稻亲本的籼粳特异分子标记的分析
• 4.2.4 爪哇稻中籼粳特异分子标记的分析
• 4.2.5 普通野生稻中籼粳特异分子标记的分析
• 4.2.6 固定引物籼粳特异性分子标记基因特点及相关性状分析
• 4.2.7 供试材料的遗传相似性分析
• 4.2.8 SSR、ISSR、SRAP、TRAP聚类分析
• 4.2.9 结合SSR、ISSR、SRAP、TRAP分子标记构建的树状图
• 4.2.10 四种分子标记的相关性分析
• 4.3 讨论
• 第五章 籼粳亚种间杂交后代ITS序列遗传规律分析
• 5.1 材料与方法
• 5.1.1 材料
• 5.1.2 方法
• 5.2 结果与分析
• 5.2.1 籼粳亚种间杂交后代主要农艺性状及程氏指数变化规律
• 5.2.2 籼粳亚种间杂交后代ITS序列纯合规律分析
• 5.3 讨论
• 主要创新点及进一步研究设想
• 参考文献
• 附录:博士在读期间已经发表和拟发表的论文
• 致谢