杂草稻的特性鉴定及与栽培稻和野生稻的演化关系分析

摘要

杂草稻是滋生在水稻稻田里的一种栽培稻的近缘种。在我国，其蔓延面积已经超过300多万公顷，导致每年水稻总产量减少10～20％,因此杂草稻起源与演化的研究对于田间杂草防控和保障粮食安全具有重要意义。本研究以来源于黑龙江、吉林、辽宁、宁夏、江苏、广东、广西和韩国等地的杂草稻、地方品种、选育品种和野生稻共524份稻种作为试验材料，通过对其表型性状、SSR标记、核基因单倍型和比较转录组等分析，研究了杂草稻与选育品种、地方品种和野生稻之间的亲缘演化关系，为解析杂草稻的起源提供了有力的证据。其主要研究结果如下
　　1、对供试材料主要农艺性状的分析表明，杂草稻的株高、穗长和秆长稍小于地方品种，但远大于选育品种，其有效穗数多于地方品种和选育品种，茎粗（外径）稍小于地方品种，其表型值的聚类分析显示杂草稻与地方品种聚类在一起，总体上杂草稻与地方品种具有相似的农艺性状。
　　2、基于耐冷性和抗旱性分级聚类分析表明，所有供试品种聚类为三种类型，即冷（旱）敏感型、中间型和耐冷（旱）型。黑龙江杂草稻WR19等、辽宁杂草稻Y4、黑龙江地方品种小白粳子和江苏的旱白衣等都属于耐冷型。黑龙江杂草稻WR11等、江苏地方品种早稻等属于抗旱型。总体上黑龙江杂草稻的耐冷性和抗旱性较强，杂草稻的耐冷性和抗旱性与地方品种亦具有相似性。
　　3、遗传多样性分析显示，不同类型种质遗传多样性指数大小顺序为野生稻＞杂草稻＞地方品种＞选育品种。AMOVA分子方差分析表明，各种质类型间遗传分化系数大小顺序为:杂草稻/野生稻＞杂草稻/选育品种＞杂草稻/地方品种，杂草稻与地方品种间的分化程度较低，遗传关系较紧密。NJ聚类结果显示，所有供试种质聚类为粳型类群Ⅰ（杂草稻和地方品种为主）和Ⅲ（选育品种为主）及籼型类群Ⅱ（野生稻和籼稻）。
　　4、群体结构分析表明，当K=2时，群体出现籼粳分化，所有种质被划分为粳型类群P1和籼型类群P2（野生稻和籼稻），粳型类群P1又被划分为两个小类群，即P1-1（杂草稻和地方品种）和P1-2（选育品种为主）。当K=4时，籼型类群P2破划分为4个小类群，即P2-1、P2-2、P2-3和P2-4。PCA主成分分析显示，所有种质的散点聚集为4个区域，分别为a（杂草稻和地方品种）、b（选育品种为主）、c（野生稻）和d（籼稻）。综合验证对比显示，通过NJ聚类、群体结构和PCA三种分析方法，对所有种质的分群结果具有一致性。因此，杂草稻与地方品种的演化关系较紧密，北方杂草稻与相应地方品种聚类在一起，地方品种在杂草稻的演化过程中具有重要的地位。
　　5、基于7个驯化基因序列的中性分析表明，核酸多样性P1值、单倍型多样性Hd和群体动态参数θω等参数值大小顺序为:野生稻＞杂草稻＞地方品种＞选育品种。分子方差分析显示，各种质类型间遗传分化系数大小为.杂草稻/野生稻＞杂草稻/选育品种＞杂草稻/地方品种。单倍型演化分析显示OsBADH2基因拥有最多数量的单倍型，DL基因拥有最少数量的单倍型，主要单倍型为杂草稻、地方品种和选育品种所共有。有些单倍型为特有单倍型，如DL基因的Hap_4单倍型为野生稻特有，Hd1基因的Hap_9单倍型为杂草稻特有。有些主要单倍型的频率在群体中占有压倒性比例，如杂草稻群体中OsBADH2基因的Hap_2占有比例为4375％，Pita基因中的Hap_1占有比例高达9032％，D3基因的Hap_4占有比例为45％。对于OsBADH2基因，其特殊单倍型whap29（杂草稻）、Lhap31（地方品种）和Chap16（选育品种）序列比对显示.Chap16和whap29间拥有371bp位点处的G/A变异，617bp位点处的G/A变异，619bp位点为A/A，无变异，而whap29和Lhap31之间拥有371bp位点处的A/G变异，617bp位点处A/A，无变异，619bp位点处的A/G的变异。因此，在杂草稻单倍型的演化过程中，碱基突变或回复突变可能发挥了重要的作用。
　　6、OsSPY基因为水稻细长秆基因，主要调控水稻细长秆性状，在杂草稻和地方品种群体中，OsSPY基因序列比对结果显示，杂草稻与地方品种基因组中均包含有18bp的InDel，选育品种群体基因组中并未包含18bp的InDel。所以，杂草稻与地方品种的OsSPY基因组序列更相似，在杂草稻的演化过程中，某些基因序列中的InDel可能发挥了重要作用。
　　7、基于上述聚类结果选出15份材料（5份杂草稻、5份地方品种和5份选育品种），其比较转录组分析显示，杂草稻与地方品种聚类在一起，杂草稻与地方品种间的皮尔逊相关系数均大于09;差异表达基因聚类显示杂草稻与地方品种间的基因表达模式相似。基于15份材料的比较转录组分析，选出3份典型材料(WR21、MDL和JD106)，其共有SNP和InDel分析显示，杂草稻WR21和地方品种“满大路”间共有最多数量的SNP和InDel，共有区域主要分布在1、2、4、6、7和8号染色体上，其中4号染色体上共有区域最多，A/G和T/C类型SNP及单碱基InDel是主要形式，这可能是杂草稻与地方品种在表型及遗传基础上存在相似性的重要原因之一。
　　综上所述，杂草稻与地方品种在表型性状、抗逆性、遗传多样性、单倍型演化选择、变异位点选择区域和基因表达模式等层面都相似性。杂草稻与地方品种演化关系较紧密，SNP和InDel在杂草稻的演化过程中发挥了重要作用。北方杂草稻的演化与地方品种和选育品种有较大的关联性，这将为杂草稻起源与进化的研究开拓了新的视野。

目录

声明

摘要

英文缩略表

第一章 引言

1．1 杂草稻的内涵

1．1．4 杂草稻是研究进化的良好材料

1．2 地方品种、选育品种和野生稻与驯化历程

1．2．3 野生稻特征与分布

1．3 杂草稻起源的研究进展

1．3．1 中国北方地区杂草稻起源的研究进展

1．3．2 中国长江中下游地区杂草稻起源的研究进展

1．3．3 韩国杂草稻起源的研究进展

1．3．4 马来西亚杂草稻起源的研究进展

1．3．5 美国杂草稻起源的研究进展

1．3．7 杂草稻起源-反驯化观点的研究进展

1．4 杂草稻功能基因的研究进展

1．4．2 杂草稻花期基因Hd的研究

1．4．5 杂草稻休眠性基因的研究

1．5 杂草稻起源研究方法

1．5．2 比较转录组技术

1．6 本研究的目的及意义

第二章 杂草稻、地方品种和选育品种的表型鉴定及其差异

2．1 试验材料与方法

2．1．2 试验方法

2．2 结果与分析

2．2．1 主要农艺性状表型分析

2．2．2 6个农艺性状的聚类分析

2．2．3 苗期耐冷性表型分析

2．2．4 全生育期大田抗旱性表型分析

2．3 讨论

2．3．2 杂草稻、地方品种和选育品种的耐冷性表型差异

2．3．3 杂草稻、地方品种与选育品种抗旱表型的差异

2．4 结论

第三章 杂草稻、地方品种、选育品种和野生稻遗传多样性分析

3．1 试验材料与方法

3．1．2 试验方法

3．2 结果与分析

3．2．1 基于SSR标记的各种质类型群体的遗传多样性指数分析

3．2．2 基于SSR标记的遗传分化系数分析

3．2．3 基于SSR标记群体的NJ聚类分析

3．2．4 基于SSR标记的群体结构分析

3．2．5 基于SSR标记的群体的主成分分析

3．3 讨论

3．3．1 杂草稻与地方品种、选育品种和野生稻间遗传多样性差异

3．3．2 杂草稻与地方品种、选育品种和野生稻间的演化关系

3．4 结论

第四章 杂草稻、地方品种、选育品种和野生稻单倍型分析

4．1 试验材料与方法

4．1．2 试验方法

4．2 研究结果

4．2．1 7个驯化基因的基因结构和功能

4．2．2 7个基因序列片段的中性分析

4．2．3 7个基因的遗传分化系数的检测

4．2．4 杂草稻、地方品种、选育品种和野生稻的单倍型演化分析

4．3 讨论

4．3．1 基于群体内基因序列差异分布的中性检验

4．3．2 杂草稻与地方品种、选育品种和野生稻间的单倍型演化

4．4 结论

第五章 杂草稻、地方品种和选育品种的比较转录组分析

5．1 试验材料与方法

5．1．2 试验方法

5．2 试验结果

5．2．1 基于15份材料所有SNP的聚类和PCA分析

5．2．2 基于15份材料SNP的皮尔逊相关系数分析

5．2．3 基于15分材料转录组数据的基因表达模式分析

5．2．4 基于典型材料(WR21、MDL和JD106)的分析

5．3 讨论

5．3．1 杂草稻、地方品种和选育品种间SNP水平上的相似性

5．3．2 杂草稻、地方品种和选育品种的在InDel水平上的相似性

5．4 结论

6．1 杂草稻的起源

6．2 杂草稻起源-反驯化观点

6．3 杂草稻防控

第七章 全文结论

参考文献

附录

致谢

作者简历