低温胁迫下水稻耐冷性QTL定位及差异表达基因分析

发布时间：2020-08-15 22:00

【摘要】：水稻是一种喜温作物,在整个生长发育过程中对温度异常敏感。低温冷害是水稻生产的主要限制因子之一,也是世界上水稻主产区普遍存在的问题。因此,水稻耐冷性遗传机制的研究显得十分重要。水稻的耐冷性是一个较为复杂的数量性状,各个时期均具有特异性。本研究利用粳稻品种Sasanishiki和籼稻品种Habataki构建而成的染色体片段代换系群体(CSSLs)作为研究材料,开展了5℃低温条件下生长10 d的芽期耐冷性QTL定位分析;自然低温条件下孕穗期耐冷QTL定位分析;孕穗期后期连续7 d的不同低温梯度胁迫下结实机制分析,以及在水稻幼穗分化时进行20℃低温胁迫处理7 d,利用转录组测序技术进行差异表达基因分析等研究,获得以下主要研究结果:1、检测出3个与芽期耐冷性相关的QTL qCTP4,qCTP10和qCTP11,分别位于水稻第4、10和第11染色体上。所检测到的QTL加性效应值的变化范围为-14.3~-30.3%,解释表型变异的变化范围为15.4~32.5%。其中qCTP11的加性效应最大(a=-30.3%),能够解释表型变异的贡献率为32.5%,且在两次重复试验中均能检测到。qCTP10可能为新发现的QTL。芽期耐低温发芽的效应主要来自轮回亲本Sasanishiki的等位基因,导致染色体片段代换系的芽期耐冷性减弱的主要原因为导入了籼稻供体亲本Habataki片段。2、鉴定出8个孕穗期耐低温结实QTL,分别位于水稻第3、4、5、6、7、8和第9染色体上。其中有6个QTL在两次重复中都能检测到,可以解释13.4%~25.3%的表型变异。相比2011年的试验结果,2014年多检测到两个效应相对较小的QTL qCTSF3.1和qCTSF4。通过与前人研究比较发现有5个QTL(qCTSF3.2,qCTSF4,qCTSF5,qCTSF6和qCTSF8)可能为新发现的QTL,其余3个(qCTSF3.1,qCTSF7和qCTSF9)位于前人报道的相同染色体区段上。耐低温的效应主要来自轮回亲本Sasanishiki的等位基因。3、在孕穗期进行连续7 d的低温梯度胁迫处理,籼稻品种Habataki与粳稻品种Sasanishiki相比表现出明显的低温敏感性。在23℃处理后,Habataki的结实率与正常自然条件下生长(28℃)的对照表现出显著差异(a=0.05),22℃处理的差异达极显著水平(a=0.01);而粳稻品种Sasanishiki的结实率与正常生长条件相比,在20℃时才表现出显著差异,在19℃时差异达极显著。在低温胁迫下雌性器官柱头的活力表现正常,而雄性器官中的花粉不能够正常萌发导致受精受阻。4、孕穗期低温胁迫下差异表达基因分析结果如下:4.1供试样品共得到1.33亿条高质量的reads(50 bp)用于转录组分析。在3个实验比较组中共发现1472个差异表达基因至少在1个比较组中表达,表明低温胁迫响应代谢途径可能受到了抑制或者激活。通过整合共获得149个低温胁迫差异表达基因。4.2经GO富集分析、KEGG数据库分析和STRING数据库分析,推测水稻在孕穗期低温胁迫下导致结实不正常的最主要原因可能是低温胁迫导致光合作用和前体物质能量代谢过程中一系列基因表达和相互作用发生变化,尤其可能是涉及光合作用过程的相关基因(LOC_Os03g07300,LOC_Os03g39610和LOC_Os12g17600)与涉及前体物质能量代谢过程中的相关基因(LOC_Os08g01380,LOC_Os11g07020和LOC_Os12g19381)等基因在低温胁迫下导致表达差异和互作关系的变化造成花粉在发育过程中所需的物质或能量得不到充足供应,导致小孢子不能完全发育或所积累的营养物质不够,致使花粉的萌发过程受到影响不能正常完成受精,最终导致结实率大幅下降。
【学位授予单位】：江西农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S511
【图文】：

示意图,质量性状,表型分布,数量性状

图 1.1 质量性状（a）与数量性状（b）在 F2群体中的表型分布示意图Fig 1.1 Phenotype distribution charactersitics of qualitative (a) and quantitive (b) traitpopulation

示意图,图位克隆,基本原理,示意图

植物有性生殖过程中，同源染色体会发生配对和联会过程，染色体片段也就在这个过程中得以置换（图1.2a）。在分离世代中，不同单株可能具有不同的交换位点，因而会产生丰富的遗传重组类型，利用分子标记（Marker）对各单株的基因型进行鉴定，最后结合与表型的共分离规律实现对目标基因的精细定位（图 1.2b）。结合基因功能预测、目标片段测序、基因表达等技术预测候选基因，最后通过转基因技术对候选基因进行功能验证，从而最终实现对目标基因的图位克隆。图 1.2 图位克隆的基本原理示意图Fig 1.2 Scheme for map-based cloning theory(a)减数分裂过程中，同源染色体配对、联会过程导致染色体发生部分交换；(b)基于染色体交换规律，在 F2 群体中根据重组单株的基因型和表型实现精细定位。(a)Partially exchanged of chromosome will be occurred during homologous chromatid synapsis;(b)Gene mapping could be achieved based on genotypes and phenotypes in F2population.图位克隆得以实现的关键技术是基因定位，经典图位克隆技术在实际进行过程中又演化出了多种策略，如利用 BSA 法或基因芯片技术寻找与目标基因连锁的染色体区段。但上述过程仅能实现目标基因的初定位，后续的精细定位依赖于大量隐性单株的筛选，以及分子标记的加密。制约精细定位的主要因素仍是重组交换的频率，此外还有双亲的遗传差异程度和后代表型鉴定的准确性。图位克隆得以发展的关键前提是分子标记的开发，目前主要应用的分子标记主要有 SSR 标记（简单重复序列标记）、indel 标记（插入/缺失标记）和基于 SNP 检测的 CAPS 标记等[14,15,16]。图位克隆极大地依赖于分子标记的开发

示意图,数量性状,原理,技术

图 1.3 MutMap 技术在水稻中的利用原理示意图[13]Fig 1.3 Simplified scheme for application of MutMap on rice[13]1.1.2.4 数量性状的图位克隆技术数量性状的特点是表型连续变异，鉴定难度大，易受环境影响，存在遗传互作效

【参考文献】