基于基因编辑的水稻抽穗期定向改良及广亲和材料创建
发布时间：2021-10-08 03:47
水稻（Oryza sativa L）经过进化及驯化之后,已经产生了适应不同地域环境以及稻作季节的品种。抽穗期（Heading date,HD）对水稻的地域适应性起到了关键性作用,并直接影响水稻的产量（Grain yield per plant,YD）。丰富的抽穗期表型变异使得水稻品种可以广泛分布于世界各地;而特定地域环境下,拥有合适抽穗期的品种才能顺利完成生命周期,并实现该环境下产量的最优化。分子标记辅助选择（Marker-assisted selection,MAS）在水稻遗传改良过程中引入的不利表型,如抽穗期延迟,可能会影响其地域适应性,给粮食安全带来了一定的隐患。定向改良抽穗期,可以提高其地域适应性,加速改良品系的推广与应用。水稻的产量在经历两次“飞跃”之后,到了进一步提高产量的瓶颈期,籼粳杂种优势的利用将会是实现水稻单产再次飞跃的重要途径。“生育期偏长”以及“杂种不育”是阻碍籼粳杂种优势利用的重要因素。广亲和基因S5-n等的利用,一定程度上提高了籼粳杂种F1的育性问题,为籼粳杂种优势的利用开辟了道路。为了揭示抽穗期决定水稻地域适应性的遗传机制,并指导生产实践,以及实现籼粳杂种优...
【文章来源】：华中农业大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：152 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
中文摘要
ABSTRACT
缩略词表
1 前言
1.1 问题的由来
1.1.1 水稻地域适应性是由什么决定的？
1.1.2 能否快速定向改良优良品系的抽穗期,提高其适应性？
1.1.3 如何充分利用杂种优势来进行杂交育种？
1.2 文献综述
1.2.1 自然选择与中性选择
1.2.1.1 分子进化中性学说
1.2.1.2 DNA多态性及自然选择的特征
1.2.1.3 正选择检测
1.2.1.4 亚洲栽培稻的遗传多态性及其驯化
1.2.2 植物的开花调控
1.2.3 水稻开花期研究进展及其在生态适应性上的作用
1.2.3.1 水稻开花期的调控网络
1.2.3.2 水稻开花期的QTLs/基因间互作及调控网络
1.2.3.3 水稻开花期在生态适应性上的作用
1.2.4 水稻籼粳杂种优势的利用现状
1.2.4.1 水稻籼粳交育性位点的克隆与功能解析
1.2.4.2 水稻籼粳交育种的策略与现状
1.2.5 分子诊断
1.2.5.1 基于连锁分析的基因诊断
1.2.5.2 基于重测序分析的基因诊断
1.2.5.3 基于SNP分析的基因诊断
1.2.6 基因编辑技术
1.2.6.1 基因编辑技术的概述
1.2.6.2 CRISPR-Cas9：新一代SSEN
1.2.6.3 CRISPR-Cas9：用于植物基因功能研究
1.2.6.4 CRISPR-Cas9：用于作物育种
1.2.7 “无转基因”育种
1.2.7.1 CRISPR-Cas9：用于快速创建“无转基因”株系
1.2.7.2 “无转基因”产品的国际认可现状
1.3 本研究的目的和意义
1.3.1 揭示了抽穗期决定水稻地域适应性的遗传机制
1.3.2 基因诊断及基因编辑定向改良抽穗期,提高了水稻地域适应性
1.3.3 基因编辑创建广亲和资源,利用水稻籼粳亚种间杂种优势
2 材料方法
2.1 研究中使用的水稻材料
2.2 材料种植及相关性状考察
2.3 研究中使用的菌株及载体质粒
2.4 水稻叶片DNA抽提
2.5 测序及序列拼接
2.6 单倍型分析
2.7 核酸多态性
2.8 RNA抽提及表达量分析
2.9 CRISPR-Cas9载体构建
2.10 水稻的遗传转化
3 结果和分析
3.1 Ghd7,Ghd8和Hd1很大程度上决定水稻地域适应性
3.1.1 Ghd7,Ghd8和Hd1在栽培稻和普通野生稻中核酸多态性的比较
3.1.2 Ghd7,Ghd8和Hd1单倍型功能强弱分析
3.1.3 Ghd7,Ghd8和Hd1单倍型地域分布特点
3.1.4 Hd1单倍型进化路线
3.1.5 Ghd7,Ghd8和Hd1不同单倍型组合的地域分布特点
3.1.6 SSF是亚热带区域的优势组合
3.1.7 成花素基因Hd3a和RFT1的表达被严重抑制导致SSF极端晚花
3.2 利用基因编辑进行空育131改良株系抽穗期定向改良
3.2.1 KP1改良株系中主要开花抑制因子的分子诊断
3.2.2 基于敲除Ghd8的CRISPR-Cas9载体构建及遗传转化
3.2.3 基于单靶点系统的Ghd8敲除突变体的鉴定与分析
3.2.4 基于多靶点系统的Ghd8敲除突变体的鉴定与分析
3.2.5 Ghd8敲除突变体的遗传稳定性分析
3.2.6 KP1~(ghd8)在短日照下的开花期及“无转基因”突变株系的筛选
3.2.7 “无转基因”KP1~(Ghd8)突变体株系在长日照下的农艺性状考察
3.2.8 “无转基因”KP1~(Ghd8)突变体株系的稻瘟病抗性评价
3.3 利用基因编辑创建广亲和材料
3.3.1 用于籼粳交设计育种亲本开花期基因的分子诊断
3.3.2 基于敲除S5的CRISPR-Cas9载体构建
3.3.3 CRISPR-Cas9介导的S5敲除突变体的鉴定与分析
3.3.4 “无转基因”突变株系的鉴定
3.3.5 s5突变等位基因型在籼粳交育种中的效应评价
4 讨论
4.1 关于抽穗期对于水稻地域适应性的思考
4.1.1 不同等位基因型的组合有其偏好的地域分布特征
4.1.2 在热带地区,SSF有进一步提高产量的潜力
4.1.3 开花期基因丰富的自然变异决定了水稻的区域适应性
4.1.4 自然变异及其分析对于生产实践具有重要的指导意义
4.2 关于基因编辑用于水稻抽穗期定向改良的思考
4.2.1 Ghd8而非Hd16被用作KP1抽穗期定向改良的靶标
4.2.2 CRISPR-Cas9介导的基因编辑用于靶向设计育种
4.2.3 单基因多靶点诱导大片段缺失突变是一种方便、快捷、节约成本的突变体诱导及检测的策略
4.2.4 抽穗期定向改良的KP1或许可以由第三积温带向第四积温带扩张
4.3 关于基因编辑用于水稻籼粳亚种间杂种优势利用的思考
4.3.1 开花期基因诊断可以避免籼粳杂交组配的超长生育期问题
4.3.2 通过切除信号肽编码序列,创建广亲和资源
4.3.3 体细胞突变或“脱靶效应”可能是#C2-7-1家系育性降低的原因
4.3.4 基因诊断及基因编辑用于水稻籼粳亚种间杂种优势利用的策略
参考文献
附录Ⅰ 用于水稻适应性研究相关的品种信息表
附录Ⅱ 本研究中所使用的引物列表
附录Ⅲ Ghd7、Ghd8和Hd1的单倍型图表
附录Ⅳ 部分实验操作方法
附录Ⅴ 在读期间的研究成果
致谢
本文编号：3423371
【文章来源】：华中农业大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：152 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
中文摘要
ABSTRACT
缩略词表
1 前言
1.1 问题的由来
1.1.1 水稻地域适应性是由什么决定的？
1.1.2 能否快速定向改良优良品系的抽穗期,提高其适应性？
1.1.3 如何充分利用杂种优势来进行杂交育种？
1.2 文献综述
1.2.1 自然选择与中性选择
1.2.1.1 分子进化中性学说
1.2.1.2 DNA多态性及自然选择的特征
1.2.1.3 正选择检测
1.2.1.4 亚洲栽培稻的遗传多态性及其驯化
1.2.2 植物的开花调控
1.2.3 水稻开花期研究进展及其在生态适应性上的作用
1.2.3.1 水稻开花期的调控网络
1.2.3.2 水稻开花期的QTLs/基因间互作及调控网络
1.2.3.3 水稻开花期在生态适应性上的作用
1.2.4 水稻籼粳杂种优势的利用现状
1.2.4.1 水稻籼粳交育性位点的克隆与功能解析
1.2.4.2 水稻籼粳交育种的策略与现状
1.2.5 分子诊断
1.2.5.1 基于连锁分析的基因诊断
1.2.5.2 基于重测序分析的基因诊断
1.2.5.3 基于SNP分析的基因诊断
1.2.6 基因编辑技术
1.2.6.1 基因编辑技术的概述
1.2.6.2 CRISPR-Cas9：新一代SSEN
1.2.6.3 CRISPR-Cas9：用于植物基因功能研究
1.2.6.4 CRISPR-Cas9：用于作物育种
1.2.7 “无转基因”育种
1.2.7.1 CRISPR-Cas9：用于快速创建“无转基因”株系
1.2.7.2 “无转基因”产品的国际认可现状
1.3 本研究的目的和意义
1.3.1 揭示了抽穗期决定水稻地域适应性的遗传机制
1.3.2 基因诊断及基因编辑定向改良抽穗期,提高了水稻地域适应性
1.3.3 基因编辑创建广亲和资源,利用水稻籼粳亚种间杂种优势
2 材料方法
2.1 研究中使用的水稻材料
2.2 材料种植及相关性状考察
2.3 研究中使用的菌株及载体质粒
2.4 水稻叶片DNA抽提
2.5 测序及序列拼接
2.6 单倍型分析
2.7 核酸多态性
2.8 RNA抽提及表达量分析
2.9 CRISPR-Cas9载体构建
2.10 水稻的遗传转化
3 结果和分析
3.1 Ghd7,Ghd8和Hd1很大程度上决定水稻地域适应性
3.1.1 Ghd7,Ghd8和Hd1在栽培稻和普通野生稻中核酸多态性的比较
3.1.2 Ghd7,Ghd8和Hd1单倍型功能强弱分析
3.1.3 Ghd7,Ghd8和Hd1单倍型地域分布特点
3.1.4 Hd1单倍型进化路线
3.1.5 Ghd7,Ghd8和Hd1不同单倍型组合的地域分布特点
3.1.6 SSF是亚热带区域的优势组合
3.1.7 成花素基因Hd3a和RFT1的表达被严重抑制导致SSF极端晚花
3.2 利用基因编辑进行空育131改良株系抽穗期定向改良
3.2.1 KP1改良株系中主要开花抑制因子的分子诊断
3.2.2 基于敲除Ghd8的CRISPR-Cas9载体构建及遗传转化
3.2.3 基于单靶点系统的Ghd8敲除突变体的鉴定与分析
3.2.4 基于多靶点系统的Ghd8敲除突变体的鉴定与分析
3.2.5 Ghd8敲除突变体的遗传稳定性分析
3.2.6 KP1~(ghd8)在短日照下的开花期及“无转基因”突变株系的筛选
3.2.7 “无转基因”KP1~(Ghd8)突变体株系在长日照下的农艺性状考察
3.2.8 “无转基因”KP1~(Ghd8)突变体株系的稻瘟病抗性评价
3.3 利用基因编辑创建广亲和材料
3.3.1 用于籼粳交设计育种亲本开花期基因的分子诊断
3.3.2 基于敲除S5的CRISPR-Cas9载体构建
3.3.3 CRISPR-Cas9介导的S5敲除突变体的鉴定与分析
3.3.4 “无转基因”突变株系的鉴定
3.3.5 s5突变等位基因型在籼粳交育种中的效应评价
4 讨论
4.1 关于抽穗期对于水稻地域适应性的思考
4.1.1 不同等位基因型的组合有其偏好的地域分布特征
4.1.2 在热带地区,SSF有进一步提高产量的潜力
4.1.3 开花期基因丰富的自然变异决定了水稻的区域适应性
4.1.4 自然变异及其分析对于生产实践具有重要的指导意义
4.2 关于基因编辑用于水稻抽穗期定向改良的思考
4.2.1 Ghd8而非Hd16被用作KP1抽穗期定向改良的靶标
4.2.2 CRISPR-Cas9介导的基因编辑用于靶向设计育种
4.2.3 单基因多靶点诱导大片段缺失突变是一种方便、快捷、节约成本的突变体诱导及检测的策略
4.2.4 抽穗期定向改良的KP1或许可以由第三积温带向第四积温带扩张
4.3 关于基因编辑用于水稻籼粳亚种间杂种优势利用的思考
4.3.1 开花期基因诊断可以避免籼粳杂交组配的超长生育期问题
4.3.2 通过切除信号肽编码序列,创建广亲和资源
4.3.3 体细胞突变或“脱靶效应”可能是#C2-7-1家系育性降低的原因
4.3.4 基因诊断及基因编辑用于水稻籼粳亚种间杂种优势利用的策略
参考文献
附录Ⅰ 用于水稻适应性研究相关的品种信息表
附录Ⅱ 本研究中所使用的引物列表
附录Ⅲ Ghd7、Ghd8和Hd1的单倍型图表
附录Ⅳ 部分实验操作方法
附录Ⅴ 在读期间的研究成果
致谢
本文编号：3423371
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