水稻高代回交导入系选择群体的选择响应与遗传重叠研究

论文摘要

选择在自然进化和育种中的地位至关重要。根据群体遗传学的基本原理，当群体中发生对选择有利的等位基因替代时，与之紧密连锁的位点也会发生相应的基因频率变化，使得有利等位基因的频率上升，而不利等位基因的频率下降，这个现象称之为“遗传搭车”（Genetic Hitchhiking）效应。在高代回交导入系的选择群体中，“遗传搭车”或一因多效都可能造成性状间的遗传重叠（Genetic Overlap）。选择响应（特别是分子水平的选择印迹）和遗传重叠是高代回交导入系选择群体在分子育种利用中的两个基本问题。本研究对经过干旱下产量极端选择的水稻“高代回交抗旱选择导入系”群体进行了基因型分析，考察了选择群体的等位基因频率和连锁不平衡等遗传结构。通过模拟检测和实际分析，对选择的目标性状和非目标性状进行了考察。考量了基于“遗传搭车”原理的等位基因频率偏离分析在选择群体目标性状相关位点检测中的应用；同时结合方差分析（ANOVA）和连锁不平衡检测，对选择群体的部分目标和非目标性状进行了相关位点的定位，并着重考察相关性状间的遗传重叠，探究染色体片段的选择性导入对非目标性状可能造成的影响。主要研究结果如下：1、高代回交导入系群体分子水平的选择响应（分子水平的选择印迹）对343个BC2代抗旱选择导入系的基因型分析和133个BC2随机导入系的模拟定向选择分析都表明，选择的效应主要表现为选择群体等位基因频率的极端偏离（标准差的显著增大）以及连锁不平衡标记对数的极显著增加，这种变化在实际选择的群体中主要受到供体和受体亲本的影响。2、随机大群体的模拟选择分析以随机大群体为对照，对根据干旱胁迫下的表型数据进行极端选择模拟而产生的3个定向选择亚群体以及2个随机小群体，进行了等位基因频率偏离、连锁不平衡分析、目标性状和非目标性状的方差分析检测。结果表明，可以借助基于“遗传搭车”原理的等位基因频率偏离检测来定位与选择目标性状相关的位点，其结果与大群体方差分析的吻合程度在33.3％～57.1％之间，相对简单的性状（抽穗期）检测效果好于复杂性状（产量）。选择群体的方差分析对等位基因频率的偏离检测可以起到一定的补充作用。群体本身存在的以及抽样所形成的偏分离对存在真实超导入位点的检出影响不大，但会在非导入区域造成假阳性。选择群体中存在的非连锁位点间的等位基因相关（连锁不平衡）一方面会导致检出位点数的增加，另一方面使得这些位点的检测效应趋于一致。3、Bg300抗旱选择导入系的选择目标性状分析在模拟选择分析的基础上，利用等位基因频率的偏离检测和方差分析的方法，对来自两种干旱选择条件（低地胁迫和旱地胁迫）的4套以Bg300为供体的抗旱选择导入系进行了选择目标性状分析。定位到分布于12条染色体上的24个位点，其中卡方检验发现20个，方差分析检测到8个，有4个被这两种方法都检测到，很可能是与胁迫下的产量直接相关的位点。两种选择条件下的超导入位点数目大致相当。与前人利用传统方法发现的23个抗旱性位点（胁迫下的产量和小穗育性）所在的区域进行比较作图发现，本研究的结果与其中的12个位点吻合或接近。其它一些位点属于本研究首次报道，其中QDt3d、QDt6b、QDt9a和QDt9c具备了多重证据的支持，结果可信度较高。4、加工品质和粒型的分析对231个Teqing背景的Lemont随机导入系的研究发现，加工品质与粒型（特别是粒长）位点在染色体上呈现集中分布的态势，这很可能是两个性状的表型之间密切关联的遗传基础。对两个背景（IR64和Teqing）的Lemont抗旱选择导入系进行的加工品质与粒型的遗传分析发现，在表型水平上，抗旱选择对整精米率（HR）的影响较大，而对粒型和其它加工品质性状没有明显的影响。推测抗旱性与整精米率可能存在负向选择的关系。从定位结果看，抗旱性选择虽然导致了加工品质与粒型检测结果的变化，但是第5、6、7染色体上仍然各有1个区域没有受到干扰，包含有比较重要的品质性状相关位点。与模拟选择的结果类似，抗旱选择群体中的连锁不平衡完全关联组（ALs）对于加工品质和粒型性状的检测都产生影响，形成不少检测效应一致的位点。通过与随机群体中检测到的上位性位点比较，推测假阳性的可能更大一些。排除上述ALs所可能导致的假阳性，随机群体位点在选择群体中仍然起作用的比例因性状而不同：糙米率（BR）为100.0％，精米率（MR）为60.0％，整精米率（HR）为33.3％，粒长（GL）为100.0％，籽粒长厚比（GLTR）为50.0％，其它性状没有检测到。这些位点将为抗旱育种的品质改良提供线索。5、抗旱性与纹枯病抗性的遗传重叠在157个抗旱选择导入系中，利用等位基因频率偏离分析定位与抗旱性（选择）相关的位点（染色体区段（Bin））。结果在50个位点上检测到106个供体等位基因的显著超导入，平均的检测卡方值为54.3(P=1.6×10-12)，其中46个具备不同群体的证据支持。50个抗旱相关位点中有4个在3个以上的群体中被同时检测到，19个（18.4％）的供体等位基因导入频率超过0.65。通过连锁不平衡（LD）分析还揭示了与抗旱选择有关的多位点遗传结构，其中包含144对（133对正向，11对负向）非冗余的LD关联。大部分的正向LD关联来自17个完全关联组（ALs），每个组包含2-10个非连锁但完全LD关联的位点，平均的卡方检测值为31.6（df=1）。在此基础上，借助方差分析对纹枯病抗性相关位点进行了鉴定。共检测到28个纹枯病抗性相关位点，在其中64.3％的位点上，供体等位基因表现为增强抗性，在7个位点上检测到有复等位基因的存在。通过基于相同标记的生物信息学比较作图的方法发现，28个位点中有18个与前人报道的纹枯病抗性基因／QTL重合，另外10个（QSbr16，QSbr1c，QSbr2a，QSbr2c，QSbr3c，QSbr6b，QSbr7b，QSbr10a，QSbr12a和QSbr12b）则可能是新的纹枯病抗性位点。抗旱性和纹枯病抗性的遗传重叠体现在表型和染色体区段这两个层次上。本研究所检测到的抗旱性和纹枯病抗性相关位点可以大致分为三种类型。第一类是负向相关位点：在与抗旱位点重合的33个纹枯病抗性位点中，有11个（33.3％）的供体等位基因是降低抗病性的。在来自Teqing／Bg300、Teqing／Babaomi和Teqing／Basmati组合的纹枯病抗性下降的导入系中检测到32个超导入位点，其中有25个（78.1％）与纹枯病抗性位点直接／间接吻合；第二类是正相关位点，能够同时提高抗旱性和抗病性，这在33个重合位点中占了22个（66.7％）。在表现纹枯病抗性增强的IR64／Bg300、IR64／Babaomi和IR64／Basmati群体所检测的23个超导入位点中，有13个（56.5％）与纹枯病抗性位点重合。第三类则属于相对独立的位点，分别影响纹枯病抗性和抗旱性，其中包括2个纹枯病抗性位点（QSbr11b和QSbr12b）和24个抗旱位点。通过上述对模拟选择的群体以及实际选择群体的具体性状分析发现，利用响应选择的群体等位基因频率的偏离效应结合后代表型鉴定及方差分析，可以建立选择群体目标性状相关位点初步筛选的分析平台；选择所形成的多位点结构（非连锁位点间的连锁不平衡）在非目标性状的检测中会造成相关位点数目的增加和遗传参数估计的趋同。不过这种结构究竟是互作的体现还是假阳性的结果则因性状而有所不同，其结果也需要后续研究的验证。在实际群体的分析中所鉴定到的加工品质与粒型及抗旱性与纹枯病抗性的位点重叠区域很可能是有关性状间表型相关的遗传基础，这些相关染色体片段及携带这些片段的导入系有望为进一步的分子育种研究提供有用的信息和材料。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACTS
• 第一章 文献综述
• 1 选择响应（Selective Response）
• 1.1 表型水平的选择响应
• 1.2 基因水平的选择响应（分子水平的选择印迹）
• 2 遗传重叠/相关（Genetic Overlap/Correlation）
• 2.1 遗传相关及其影响因素
• 2.2 加工品质与粒型的遗传重叠
• 2.3 抗逆性和抗病性的遗传重叠
• 2.4 正向遗传学对于抗旱性和纹枯病的研究
• 3 本研究的目的和意义
• 第二章 高代回交抗旱选择导入系的群体结构
• 1 材料与方法
• 1.1 高代回交导入系的构建与抗旱性选择
• 1.2 Bin 的定义
• 1.3 基因型分析
• 1.4 数据分析
• 2 结果与分析
• 2.1 亲本的遗传多样性
• 2.2 等位基因频率及其偏离
• 2.3 连锁不平衡
• 3 讨论
• 第三章 高代回交随机导入系的模拟选择
• 第一节 选择群体目标性状相关位点的定位
• 1 材料与方法
• 2 结果与分析
• 3 讨论
• 第二节 选择群体非目标性状相关位点的定位
• 1 材料和方法
• 2 结果与分析
• 3 讨论
• 第四章 高代回交抗旱选择导入系的目标性状相关位点的定位
• 1 材料与方法
• 1.1 研究群体
• 1.2 后代田间鉴定
• 1.3 基因型分析
• 1.4 数据分析
• 2 结果与分析
• 2.1 供体等位基因导入频率的变化
• 2.2 等位基因频率偏离检测发现的位点
• 2.3 方差分析检测到的位点
• 2.4 与前人结果的比较
• 3 讨论
• 第五章 加工品质与粒型的遗传重叠
• 第一节 高代回交随机导入系的分析
• 1 材料与方法
• 2 结果与分析
• 3 讨论
• 第二节 高代回交抗旱选择导入系的分析
• 1 材料与方法
• 2 结果与分析
• 3 讨论
• 第六章 纹枯病抗性与抗旱性的遗传重叠
• 1 材料与方法
• 1.1 实验材料
• 1.2 后代株系的胁迫下产量测定
• 1.3 纹枯病的抗性鉴定
• 1.4 数据分析
• 2 结果与分析
• 2.1 高代回交抗旱选择导入系的导入模式和抗旱性 QTL 的鉴定
• 2.2 抗旱性位点的多位点结构（multilocus structure）
• 2.3 抗旱选择导入系及其亲本的纹枯病抗性表现
• 2.4 纹枯病的数量抗性位点和等位基因多样性
• 2.5 纹枯病抗性与抗旱性的遗传重叠
• 3 讨论
• 3.1 利用高代回交抗旱选择导入系探查抗旱性位点
• 3.2 利用高代回交抗早选择导入系检测纹枯病抗性
• 3.3 抗旱性与纹枯病抗性的遗传重叠
• 3.4 在遗传育种研究中的应用
• 第七章 全文结论及讨论
• 1 全文小结
• 1.1 抗旱选择导入系分子水平的选择响应（分子水平的选择印迹）
• 1.2 随机导入系的模拟选择
• 1.3 Bg300 群体的选择目标性状分析
• 1.4 加工品质与粒型的遗传重叠
• 1.5 抗旱性与纹枯病抗性的遗传重叠
• 2 本研究的创新之处及后续研究的方向
• 附录
• 附录1 “望天田”的几种类型
• 附录2 SSR 标记基因型鉴定的标准程序（英文，来自IRRI PBGB GML 和 GAMMA LAB）
• 附录3 纹枯病抗性鉴定的操作程序（英文，来自IRRI EPPD）
• 附录4 数据分析用到的随机抽样分析程序的源代码（Radom1000 Ver 1.06）
• 附录5 数据分析用到的随机抽样分析程序的源代码（RLD Ver 1.01）
• 参考文献
• 攻读学位期间撰写的论文
• 致谢