基于非洲栽培稻基因渗入系的水稻农艺性状种间杂种优势遗传分析

摘要

在作物中引入近缘物种的基因片段是丰富其种质遗传多样性和创建新种质的一个有效途径。非洲栽培稻（Oryza glaberrima, AA）作为两个栽培稻种之一，可以为普通栽培稻或亚洲栽培稻（Oryza sativa, AA）的品种改良提供新的遗传资源。从非洲栽培稻与普通栽培稻种间杂种后代鉴定出的亲和选系将有助于非洲栽培稻基因库的广泛利用。本研究利用一个79个含有不同非洲栽培稻基因片段的水稻基因渗入系及其测交部分种间杂交组合群体，筛选鉴定出与七个农艺性状相关的数量性状位点（QTL）杂种优势位点（HL），并对其遗传效应进行分析。同时，通过对79个水稻基因渗入系的分子图谱分型，对渗入系中非洲栽培稻基因组含量以及渗入片段的染色体位置、性状-标记相关性、群体结构和遗传多样性等进行了分析。
　　检测获得180个在供体亲本和轮回亲本之间表现多态性的SSR标记，其中115个标记被用来检测 ILs基因型中基因渗入片段的分离。分别在2013年和2014年进行了连续两年田间试验以评估79个基因渗入系（ILs）及其与GZ63S测交得到的79个F1部分种间杂交组合(PIHs)的七个农艺性状的表现。采用QTL-IciMapping统计软件利用逐步回归似然检验法，分别以ILs的农艺性状值和F1(PIHs)杂种优势（MPH）值作为表型数据输入,进行相关QTL和HL分析。
　　利用分子数据的图示法评估了基因渗入系（ ILs）中非洲栽培稻基因组的含量（PGG），其变幅为12％到29.1%。通过PIC值对SSR标记的相对信息度进行评价，表明所有SSR标记的PIC平均值为0.27，变幅为0.04（RM144）到0.55（RM231）。ILs之间的平均遗传距离为0.31，变幅为0.02到0.62。利用STRUCTURE软件对群体结构进行分析，ΔK的峰值为K=2，表明可以将该IL群体分为两个亚群。
　　部分种间杂交稻(PIH)在多数产量相关性状均具有正向杂种优势。每穗颖花数，结实率，每穗实粒数和株高在两年中均表现正向的杂种优势，而单株穗数则表现负向杂种优势。两年试验中，每穗颖花数的平均正向超亲优势分别为15.12%和22.90%。每穗实粒数的超亲优势分别为18.49%和18.22%，可能得益于双亲有利基因互作。结果表明，部分种间杂交稻(PIH)具有较强的产量性状杂种优势潜力和良好的应用前景。
　　性状-标记相关性分析表明，44个 SSR标记（50.6%）与7个农艺性状在 P=0.05的水平上显著相关，其中包括单株穗数，每穗颖花数，每穗粒数，千粒重，株高，结实率和生育期；分子标记对表型变异的解释率变幅为5%到28%。在检测到的123对标记-性状相关中，其中7对与前人研究获得的 QTL处在相同或者相似的染色体区域。
　　根据ILs的基因型数据的和表型数据ILs，GZ63s和 PIHs的表型数据，在基因渗入片段上定位QTL和HL。每个相关标记代表特定渗入片段上的一个QTL或HL位点。两年共检测到24个 QTLs,分别与六个农艺性状相关，定位于9条染色体上，同时确定了与7个农艺性状相关的23个种间HLs，分别定位于10条染色体上。其中22个QTLs和19个HLs分别与五个产量相关性状相关。
　　PIH(F1)测交组合群体在多数产量相关性状上表现杂种优势，具有高频率的超显性种间HLs。此外，发现5个QTL和4个HL标记位点存在基因多效性，涉及分别与五个农艺性状相关11个 QTLs和与七个农艺性状相关的10个种间 HLs。本研究首先开展了亚洲栽培稻（Oryza sativa）和非洲栽培稻(O. glaberrima)种间HLs的检测分析，因此，我们的研究结果可能有助于为进一步深入探讨水稻种间杂种优势的遗传机制奠定基础。
　　上述结果表明，构建具有非洲栽培稻基因片段的基因渗入系是增加普通栽培稻基因组遗传多样性的有效途径，而遗传多样性是杂种优势利用的遗传基础。检测到的与农艺性状相关的QTL和种间HL位点可为育种家通过分子标记辅助选择和分子聚合改良相关性状及其杂种优势提供依据。具有适宜的非洲栽培稻基因比例的基因渗入系有利于聚合更多的有利基因和杂种优势位点，有利于选育具有更强环境适应性和超高产潜力的强优势杂交水稻品种。

目录

声明

List of Tables

List of Figures

List of Abbreviations

Chapter I Introduction and Research Background

1 INTRODUCTION

2 RESEARCH BACKGROUND

2.1 Rice Diversification

2.2 Heterosis and Genetic Diversity

2.3 Objectives of the research

ChapterⅡMolecular profiling, genetic diversity and heterosis analysis of introgression lines derived from crosses between Oryza sativa and Oryza glaberrima

1 INTRODUCTION

2 MATERIALS and METHODS

2.1 Plant materials

2.2 Field trials and agronomic traits evaluation

2.3 DNA extraction

2.4 SSR primers designing and Genotyping

2.5 Statistical analyses

3 RESULTS

3.1 Phenotypic Variation and Correlation Analysis of the seven Agronomic Traits

3.2 Polymorphism and Segregation Analysis

3.3 Gene diversity and polymorphism information content (PIC)

3.4 Detecting the O. glaberrima genomic fragments in the ILs

3.5 Population Structure of the Introgression Lines [ΔK ?K=2]

4 DISCUSSIONS

i. Graphical genotyping

ii. Population structure

iii. Genetic diversity

Chapter Ⅲ Heterosis analysis and Identification of interspecific heterotic loci associated with agronomic traits in rice introgression lines carrying genomic fragments of Oryza glaberrima

1 INTRODUCTION

2 MATERIALS and METHODS

2.1 Material preparation

2.2 Evaluation of agronomic traits and MPH

2.3 Genomic DNA extraction, Polymorphism and Genotyping analysis

2.4 Identification of QTLs and interspecific HLs

3 RESULTS

3.1 Performance of the seven agronomic traits in the ILs, GZ63S and PIHs

3.2 Heterosis performance of the PIHs

3.3 Heterobeltiosis (heterosis over the better parent) performance of the PIHs

3.4 Correlations between the agronomic traits and genotype-environment interaction

3.5 Identification of interspecific HLs in the PIHs

3.6 Mapping QTLs associated to the agronomic traits in the ILs

3.7 Pleiotropism of the QTLs and the HLs

3.8 Trait-marker Association mapping

4 DISCUSSIONS

4.1 Potential of distant heterosis in rice

4.2 The mechanism of the interspecific heterosis

4.3 Detection of molecular markers for interspecific rice breeding

4.4 Comparison between Association mapping and QTL mapping

CONCLUSIONS AND PERSPECTIVES

参考文献

APPENDIX

致谢