水稻亚种间杂种半不育机理研究及胚囊不育新基因的精细定位

论文摘要

提高水稻产量对保障国家粮食安全具有重要意义，而籼粳杂种优势的利用是提高水稻单产的重要战略举措。但是亚种间杂种F1通常表现部分不育，这限制了其强大杂种优势在生产上的有效利用。广亲和基因的发现为克服籼粳亚种间育性障碍提供了途径。目前，S5n被广泛应用于水稻籼粳杂种优势利用中。但随着育种亲本范围的扩大，研究者们发现，某些杂交组合尽管亲本之一为携带S5-n的广亲和品种，但其杂种F1仍出现半不育现象，因此仅靠广亲和基因S5-n并不能完全解决籼粳亚种间的杂种半不育性问题。研究更广泛的亚种间杂种不育，挖掘更多的亚种间亲和基因仍然是充分利用杂种优势的重要环节。团谷早为云南地方品种，对主要的生物及非生物胁迫具有较好的抗性及耐性。Ketan Nangka在S5和S15两个育性位点上携带广亲和基因，但与团谷早的杂种F1则表现出典型的小穗半不育。限制了团谷早中有利基因在亚种间的有效转移与利用。本研究探索了团谷早与Ketan Nangka杂种F1半不育的细胞学机理，通过全基因组方法，搜索控制杂种半不育的基因位点并鉴定能恢复育性的亲和性复等位基因，并对本研究发现的亚种间杂种胚囊不育新基因进行了精细定位。主要结果如下：1、胚囊部分败育是团谷早与Ketan Nangka杂种F1产生半不育的主要原因。对杂种F1胚囊发育过程进行连续切片，观察结果表明，与亲本相比，F1胚囊异常并非只发生于某一发育时期，而是在大孢子母细胞、二分体、四分体和功能大孢子等各个时期均存在败育情况。异常现象多见于四分体及功能大孢子时期，F1中功能大孢子解体出现几率最高，因此认为F1中雌配子败育的主要原因应该是功能大孢子解体，从而无法进入下一步发育。2、对利用团谷早／Ketan Nangka//Ketan Nangka回交群体（BC1F1）构建的分子连锁图谱进行全基因组搜索，共检测到2个杂种半不育基因位点，qSS2和qSS5，分别位于第2和第5染色体上，能解释表型变异的18.6％和20.1％。分析两位点在染色体上的位置，推测qSS5可能与已报道的S31（t）等位，而qSS2为新的杂种半不育基因位点，暂命名为S32（t）。基因作用模式分析结果表明，qSS5与S32（t）之间不存在互作，这两个位点内复等位基因之间的互作是造成团谷早／KetanNangka杂种半不育的原因。广亲和品种Dular在qSS5与S32（t）位点上具有亲和性复等位基因，能恢复由这两个基因引起的杂种半不育。3、进一步从BC1F1中选择qSS5为纯合基因型（qSS5-kn／qSS5-kn），S32（t）为杂合基因型[S32（t）-j／S32（t）-kn]且结实率低于50％的单株，自交产生杂种育性仅受S32（t）控制的BC1F2群体，对S32（t）位点进行验证及精细定位。结果在相同位置检测到S32（t）位点，进一步精细定位，把该位点定位于SSR标记RM236与RM12475之间1.9cM区域内。根据两标记间的碱基序列信息，开发更紧密的SSR标记及Indel标记，分析由BC1F2群体中杂合单株衍生而成的BC1F3群体中所有个体的交换情况，最终把S32（t）限定在同一个PAC克隆64kb区域内，基因预测分析表明，该区域内存在7个开放阅读框，其中4个编码已知功能蛋白，3个编码未知蛋白。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1 水稻配子体发育、传粉受精与籼粳杂种半不育的关系
• 1.1 水稻配子体发育及传粉授精
• 1.1.1 雌配子体发育
• 1.1.2 雄配子体发育
• 1.1.3 传粉受精
• 1.2 水稻籼粳杂种半不育细胞学原因
• 1.2.1 雌配子体败育
• 1.2.2 雄配子体败育
• 1.2.3 雌雄配子体不亲和
• 1.2.4 胚乳发育受阻或不正常
• 1.2.5 花药不开裂
• 1.2.6 雌雄异熟
• 1.2.7 环境条件的影响
• 2 籼粳杂种半不育遗传机理
• 1不育'>2.1 细胞质与细胞核之间不协调导致籼粳杂种F₁不育
• 1不育'>2.2 染色体结构差异导致籼粳杂种F₁不育
• 2.3 亚种间杂种不育的基因模式
• 2.3.1 单位点孢子体——配子体互作模式
• 2.3.2 重复隐性基因配子致死模式
• 2.3.3 互补孢子体不育模式
• 3 雌配子体败育基因定位
• 3.1 广亲和基因S5-n的定位与克隆
• 3.2 与S5非等位雌配子体败育基因的定位
• 4 雄配子体败育基因的定位
• 5 广亲和基因与籼粳杂种优势利用
• 5.1 广亲和品种的鉴定及转育
• 5.2 广亲和基因在籼粳杂种优势利用中的应用策略
• 6 基因精细定位的意义与策略
• 6.1 基因精细定位的意义
• 6.2 基因精细定位的条件
• 6.3 基因精细定位的策略
• 6.4 图位克隆的原理
• 6.5 图位克隆的应用
• 6.6 生物信息学在基因精细定位与图位克隆中的作用
• 7 本研究的目的和意义
• 1半不育细胞学机理研究'>第二章 团谷早与Ketan Nangka杂种F₁半不育细胞学机理研究
• 1 材料与方法
• 1.1 水稻材料及田间种植
• 1.2 碘—碘化钾染色法测定花粉育性
• 1.3 花粉离体培养方法测定花粉萌发率
• 1.4 石腊切片及细胞学观察
• 1.5 花粉在柱头上附着、萌发及花粉管伸长情况观察
• 1.6 盐酸浸泡结合碘—碘化钾染色法观察胚囊受精情况
• 1.7 辅助授粉试验
• 1.8 结实率考查
• 2 结果与分析
• 1花粉育性'>2.1 团谷早/Ketan Nangka杂种F₁花粉育性
• 1胚囊育性'>2.2 团谷早/Ketan Nangka杂种F₁胚囊育性
• 1胚囊败育原因'>2.3 杂种F₁胚囊败育原因
• 3 讨论
• 第三章 水稻杂种半不育基因的全基因组检测
• 1 材料与方法
• 1.1 水稻材料及田间种植
• 1.2 结实率考查
• 1.3 DNA的提取及PCR分析
• 1.4 分子连锁图谱的构建及QTL分析
• 2 结果与分析
• 2.1 团谷早杂交组合育性表现及回交群体小穗育性分布
• 1F₁群体连锁图谱构建'>2.2 团谷早/KetanNangka//KetanNangka BC₁F₁群体连锁图谱构建
• 1F₁中杂种半不育基因检测及作用模式分析'>2.3 BC₁F₁中杂种半不育基因检测及作用模式分析
• 2.4 qSS5和S32（t）位点上亲和性复等位基因的鉴定
• 3 讨论
• 第四章 水稻杂种半不育新基因S32（t）的验证与精细定位
• 1 材料与方法
• 1.1 S32（t）验证及精细定位群体的构建
• 1.2 SSR标记及InDel标记的设计
• 1.3 S32（t）的验证及精细定位方法
• 1.3.1 S32（t）的验证
• 1.3.2 S32（t）的精细定位
• 1.4 基因预测
• 2 结果与分析
• 2.1 S32（t）的验证
• 2.2 S32（t）的精细定位
• 2.3 S32（t）区域的基因预测
• 第五章 全文结论
• 参考文献
• 在读期间发表论文
• 致谢