水稻孕穗期耐冷性QTL的遗传解析

发布时间：2020-11-01 09:44

　　 水稻是全世界最重要的粮食作物之一,同时也是冷敏感作物。孕穗期冷害是影响水稻穗部形态建成和制约水稻高产稳产的主要因素之一。在我国,孕穗期冷害主要发生在高纬度和高海拔地区,尤其是位于粳稻主产区的东三省更是孕穗期冷害的频发区。但由于孕穗期耐冷性具有复杂的遗传机制,受微效多基因控制,且对环境较敏感,能够稳定遗传的耐冷QTL为数较少,从而导致耐冷遗传研究较为缓慢。因此,发掘孕穗期耐冷主效QTL是挖掘耐冷基因的基础,同时,对分子标记辅助选择在耐冷品种的选育上具有重要指导作用。因此,本研究利用东农422和空育131建立的高世代重组自交系群体在连续三年的大田环境下进行了孕穗期耐冷鉴定,考察了包括穗长、穗粒数、一次枝梗数、二次枝梗数、穗重、穗数、结实率和抽穗期在内的8个性状在自然灌溉和冷水灌溉下的表型值,且结合对应的冷水反应指数进行了QTL分析和环境与基因间的互作分析。同时,我们将QTL结果和meta分析相结合,对QTL定位结果进行验证,以期找出控制水稻耐冷性的重要染色体区间,挖掘区间耐冷候选基因。并通过多年表型鉴定,以孕穗期冷敏感最强的结实率为指标构建了抗感池,结合二代测序技术进行了耐冷QTL区间的关联,对比QTL分析和BSA分析的结果,将两种方法下共同检测到的QTL区间作为孕穗期耐冷性区间,并在该区间中进行耐冷候选基因的挖掘。主要研究结果如下:1.通过对190个RIL家系和双亲的8个性状进行鉴定后发现,结实率,一次枝梗数,二次枝梗数,穗重,穗数和抽穗期对冷水胁迫较敏感,可以作为孕穗期耐冷鉴定的指标来对耐冷性做出综合评价。相关性分析表明,除了结实率,其它性状的相关性达到显著。穗长,穗粒数,穗重和抽穗期的表型主要受基因型决定,一次枝梗数,二次枝梗数,穗数和结实率的表型受环境影响较大。QTL分析结果表明,冷水胁迫下结实率和其余几个耐冷性状的遗传模式存在差异,性状间相关分析和超几何概率函数对QTL的相关分析验证了这一结论。2.研究构建了包含158对SSR标记的遗传图谱,两亲本的基因型在后代中均呈现正态分布,表明该群体适合遗传作图的研究,是遗传研究的理想群体。3.利用ICIMapping软件定位QTL,结果表明,对照和冷水胁迫下分别检测到32和29个QTL,同时在对照和冷水胁迫下检测到的有8个。其中,对照条件下,贡献率大于10%的QTL有20个,增效等位基因来源于东农422的占了18个;冷水胁迫下,贡献率大于10%的QTL有16个,增效等位基因来源于东农422的占了13个;和冷水反应指数相关的QTL有28个,贡献率大于10%的为15个,增效等位基因来源于空育131的占了9个。确定了17个主效QTL和孕穗期耐冷性相关,分别为qPL7-1、qGN7-3、qPBN7-1、qPBN7-2、qSBN7-1、qGY11-1、qGY2-2、qGY3-1、qGY5-1、qGY7-2、qPN7-1、qPN7-2、qPSS6-2、qPSS7-1、qHD6-1、qHD7-1、qHD7-3。其中qGY2-2、qPSS6-2、qHD7-3、q GY11-1是新发现的位点。并利用一对极端株系对稳定遗传的主效QTL qPSS6-2进行了验证,发掘了9个携带耐冷位点可用于遗传改良的株系。4.单环境分析,单处理联合分析和全部环境联合分析共同检测到18个QTL,分别为qPL7-1、qGN1-2、qGN1-3、qGN6-2、qGN7-2、qGN7-1、qGN11-1、qPBN7-1、qGY1-1、qGY1-2、qGY6-3、qGY7-2、qGY7-1、qPN7-1、qPN11-1、qPSS6-2、qHD7-1和qHD11-1,且均为显著QTL。其中qGN7-2、qGN11-1、qGN6-2、qPBN7-1、qGY7-2、qGY6-3、qPN7-1、qPSS6-2和qHD7-1属于环境稳定型QTL。且三种分析模式下分别检测到17个,16个和14个多效性QTL区间,分布在11条染色体上的33个遗传区间中。5.QTL×环境互作分析表明,qPL7-1、qSBN7-1、qPN6-1、qPN6-2在对照环境下检测到显著的互作效应,qGY1-1、qGY7-2、qPN7-1、qHD1-2、qHD6-2和qHD7-1在冷水处理下检测到显著环境互作效应。同时,19个QTL在全部环境联合分析下检测到显著的环境互作效应。可见QTL×环境方差在群体总方差中的作用因环境的不同而不同,环境因素对性状遗传具有重要作用。6.QTL相关性分析表明,相比对照环境,冷水胁迫能显著提高QTL的相关性,且环境越多,这种相关度越紧密。这间接反映了冷水胁迫下性状的遗传关联性,这可能是特定环境下的遗传关联,也可能是冷水胁迫改变了性状遗传因子的表达,使其具有了遗传相似性。且QTL的这种相关性和表型相关达到高度一致,揭示了耐冷遗传因子引起性状变异的原因。7.Meta分析表明,共有189个水稻耐冷性QTL被整合到了物理图谱上,图谱覆盖了水稻基因组370.26Mb的长度,共发现了47个和水稻耐冷相关的一致性耐冷QTL位于12条染色体上。通过比较,发现其中7个一致性耐冷QTL的物理区间内存在8个已报道的冷响应基因,且本研究检测到的20个与孕穗期耐冷相关的QTL落在了其中11个一致性耐冷QTL区间内。通过生物信息学分析,确定了7个和耐冷相关的候选基因,分别为LOC_Os08g38560、LOC_Os09g30190、LOC_Os01g07560、LOC_Os06g36920、LOC_Os02g10150、LOC_Os03g17220和LOC_Os02g09740。8.基于耐冷鉴定和QTL定位结果,确定了qPSS6-2为耐冷主效QTL。通过构建结实率抗感池,重测序共获得70.55Gbp的数据量,过滤后得到的clean reads为69.61Gbp,Q30达到85%,平均每个样品测序深度为41.44X。样品与参考基因组平均比对效率为99.18%,平均覆盖深度为39X,基因组覆盖度为98.29%。基于ED和SNP-index的关联算法,共注释到12个和冷响应有关的候选基因,经拟合算法之后,关联区间缩小为3.68Mb,注释到4个冷响应基因。将BSA-Seq和QTL定位结果进行比较,发现有9个QTL区间和BSA-Seq结果重叠,共同定位到6号染色体上一段1.81Mb的区段,包含了212个成功注释的基因,其中仅有两个基因(LOC_Os06g39740和LOC_Os06g39750)和冷胁迫响应有关。且该区间仅有的13个非同义突变包含了LOC_Os06g39750。该基因在双亲和抗感池间存在氨基酸变异,被认为是qPSS6-2的候选基因。qRT-PCR结果表明,LOC_Os06g39750在耐冷亲本空育131中受冷胁迫强烈诱导。
【学位单位】：东北农业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S511
【部分图文】：

12图 1-1 水稻孕穗期耐冷性 QTL 在染色体上的分布Figure 1-1 Distribution of cold tolerant QTLs on chromosomes at booting stages in rice而对于水稻耐冷性基因的研究，前人也做了大量探索，如图 2 所示，经不完全统计，

14图 1-2 与水稻耐冷性调控相关的克隆基因在基因组上的分布Figure 1-2 The distribution of clonal genes related to cold tolerance in rice genome1.4.3 水稻耐冷性的主要调控机制研究表明，水稻耐冷主要有 CBF (Calmodulin-binding transcription activator)、MYB(v-myb avian myeloblastosis viral oncogene homolog)、ICE(Inducer of CBF expression)等转录因子参与调控[76]，包括冷刺激信号的传导，转录因子的调控以及基因响应。CBF/DREBs 是冷刺激下主要的调节因子，主要通过激活一系列靶基因来起到耐冷的作用[77-79]。CBF 参与的耐冷调控主要分为 CBF1、CBF2、CBF3 三种类型[80-81]，且处于相同的调控水平[79]。这一调控方式首先在拟南芥中被发现，后有研究表明，该调控模式在植物中是普遍存在的[82]，而在水稻中，参与调控耐冷性的 CBF 因子有 12 个[83]。钙离子作为低温传递的信使，结合钙调蛋白和膜系统，成为信号结合物，钙离子和钙调蛋白参与冷刺激信号的感受，传递及响应。同时将信号传递到激酶和磷酸酶活性的调控中，从而激发蛋白功能，致使下游 CBF 基因的表达，产物同上游启动子调控原件（CRT/DRE）结合，以此来控制基因表达。

技术路线图
【参考文献】

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本文编号：2865359