水稻耐寒性QTL及显性雄性核不育基因SMS的定位

【摘要】水稻是世界上最重要的粮食作物之一,全球有一半以上的人口以水稻为主食,提高稻谷产量一直是水稻育种的主要目标。提高稻谷产量应从两方面入手,一是提高水稻的增产潜力(如利用杂种优势),二是增强水稻对不良环境的抵御能力。为此,必须加强有关性状的遗传基础研究。基于这个目的,本论文开展了两个部分的研究。第一部分：水稻苗期耐寒性的数量性状基因座(QTL)定位低温每年导致大约10%的水稻产量损失。因此,提高水稻耐寒性十分重要。水稻苗期耐寒性受多基因控制。利用分子标记已经定位了许多水稻苗期耐寒性QTL。但是,传统的QTL定位方法费工费时,且灵敏度不高,单个实验检测到的QTL较少。最近研究表明,将第二代测序技术(NGS)与混合分离分析法(BSA)相结合(简称为NGS-BSA)能够有效定位QTL,且成本低,省时省力,是一种很有发展前景的QTL定位新技术。因此,本论文应用NGS-BSA方法,对水稻苗期耐寒性进行QTL定位研究。主要研究方法及结果如下：1、研究方法用低温(14—7℃)处理粳稻品种日本晴和籼稻品系LPBG杂交的F3幼苗(10800株),从中挑出430株极端感寒和385株极端耐寒的幼苗,分别构建感寒DNA池和耐寒DNA池。用Illumina对两个DNA池进行高通量测序。用改良的Motttrimmingalgorithm算法对测序读段进行修剪。以已知的日本晴基因组序列为参考,用软件Bowtie0.12.7对读段进行定位。选取单一匹配的读段,用软件SAMTools在混合池中寻找SNP位点,进而采用G’检验和Jensen-Shannon(JS)divergence检验两种统计分析方法定位水稻耐寒性QTL。用两池间的日本晴等位基因频率差(NAFD)确定QTL耐寒等位基因的来源。另外,用软件LIMMA分析前人发表的水稻苗期冷胁迫基因芯片数据,结合本实验深度测序分析结果,预测定位区间内的耐寒性候选基因。2、高通量测序分析结果测序共获得大约800M读段(长度为101bp),其中感寒池和耐寒池读段数分别约为360M和440M。经读段修剪和过滤后,两池中均有约70%的读段单一匹配到基因组,覆盖基因组约92%,覆盖深度分别为70.53×和89.26×,混合池深度为158.26×。共筛选出456,777个SNP用于下一步QTL分析。3、QTL定位结果两种统计分析方法获得了同样的定位结果,共定位了6个水稻苗期耐寒性QTL:qCTSS-1、qCTSS-2a、qCTSS-2b、qCTSS-5、qCTSS-8和qCTSS-10,分别位于第1、2、5、8和10号染色体上。其中qCTSS-1、qCTSS-2b和qCTSS-8已见报道,qCTSS-2a和qCTSS-5曾在水稻孕穗期耐寒性QTL研究中被检测到,而qCTSS-10则为新发现的水稻耐寒性QTL。qCTSS-1、qCTSS-2a、qCTSS-2b和qCTSS-10的耐寒等位基因来自日本晴,而qCTSS-5和qCTSS-8的耐寒等位基因来自LPBG。4、候选基因的预测将QTL区间内既存在亲本间氨基酸变异,又对冷胁迫有表达响应的基因作为耐寒性候选基因。6个QTL区间内包含的候选基因数,最少的20个(qCTSS-2a),最多的53个(qCTSS-10)。第二部分：水稻显性核不育基因SMS的定位雄性不育是杂种优势利用的基础,只有深入了解雄性不育的分子机理,才能更好地进行杂交水稻育种。目前克隆的植物核不育相关基因基本上都是隐性的,显性核不育基因鲜有报道。“三明显性核不育水稻”突变体是由福建省三明市农业科学研究所于2001年在杂交组合”SE21S/Basmati370″的F2代群体中发现的,其不育性受1个显性基因控制(将该基因命名为SMS)。本研究对该基因进行了较精细的定位和候选基因的分析。主要研究方法及结果如下：1、研究方法以导入了SMS的籼稻品种佳辐占的近等基因系(称为佳不育)为母本,与粳稻品种日本晴杂交,并将F1与佳辐占测交,构建了一个含600个植株的作图群体。利用SSR和INDEL标记,通过混合分离分析和连锁分析,对SMS进行了定位。根据定位区间内的基因注释预测候选基因,并用荧光定量PCR分析候选基因在佳不育和佳辐占花序中的差异表达情况。2、基因定位结果将SMS定位于第8号染色体上两个INDEL标记ZM30和ZM9之间,约99kb的区间内,通过生物信息学分析将该区间内的13个基因作为候选基因。3、候选基因的表达分析候选基因表达结果显示,基因LOC_Os08g03820和LOC_Os08g03790分别在两个生物学重复中和一个生物学重复中表达有明显差异。其它候选基因没有表达差异。
【作者】杨泽茂；
【导师】吴为人；
【作者基本信息】浙江大学，作物学，2013，博士
【关键词】水稻；基因定位；QTL；NGS；BSA；耐寒性；雄性不育；

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