粳稻抗逆性关联分析及云南农家保护水稻地方品种遗传多样性的历时变化

发布时间：2020-10-26 14:14

　　 非生物胁迫(如:低温、盐碱、干旱等)严重威胁着水稻的生长和生产,轻则减产,重则颗粒无收。因此,开展水稻抗逆性研究,明确其抗逆性的遗传基础和分子机制对提高水稻品种的抗逆性和保障粮食安全至关重要。抗逆性是复杂的数量性状,受多个基因位点控制。关联分析,作为一种研究复杂数量性状遗传基础的有利手段,已广泛应用于复杂性状的研究中。水稻地方品种是丰富水稻基因库重要的种质资源。许多地方品种为我国水稻育种做出了突出的贡献。然而,随着现代农业的发展,大量的水稻地方品种被选育品种所取代,导致水稻基因库发生基因流失。近30多年来,尽管由于新品种的推广,云南省一些地方稻种资源已经在生产中被淘汰,但当前仍然有不少地方稻种因适应性广、耐冷性强、抗病虫、品质优以及与少数民族的生活习俗息息相关等原因而被保留了下来。因此,有效保护和利用云南水稻地方品种至关重要。本研究以来自世界各地的粳稻选育品种和云南农家保护下水稻地方品种为试验材料,对不同地理来源粳稻选育品种的抗逆性状进行SSR标记关联分析,并进行云南农家保护下水稻地方品种遗传多样性的历时变化研究,主要结果如下:1、粳稻抗逆性关联分析(1)选取来源于中国11个省份和其他9个国家的347份粳稻选育品种作为试验材料,利用覆盖水稻全基因组的148个SSR标记检测群体的遗传多样性,共检测到805个等位变异,平均等位变异数为5.44个。基因多样性指数平均值为0.3413,变幅为0.0058~0.8752;多态信息含量(PIC)的平均值为0.3137,变幅为0.0058~0.8643。(2)群体结构分析将水稻品种划分为3个亚群,分别为P1、P2和P3。分群结果与品种的主要地理分布较为一致。亲缘关系研究表明,57.3%的成对水稻选育品种间亲缘关系为0,并且41.1%的成对品种间亲缘关系小于0.3,揭示了品种间无或仅有微弱的亲缘关系。(3)LD结果表明,在整个群体中,64.1%的位点间存在显著的连锁不平衡(P0.05);当分别考虑每个亚群时,存在显著连锁不平衡的位点数目急剧下降,变幅是21.2~32.4%。在整个群体中,所有SSR成对位点间的r2值变幅为0~0.7270。在每个亚群中,平均r2值的变幅是0.0400(P2)~0.1633(P3)。总体上,LD随着遗传距离的增加而衰减,说明连锁是引起连锁不平衡的主要因素。(4)在粳稻选育品种的孕穗期耐冷性关联分析中,基于Q+K模型共检测到了24个位点与孕穗期耐冷性显著相关,其中有5个位点与结实率显著相关,19个位点与结实率冷水反应指数显著相关。在所有关联位点中,有6个位点在前人定位到的与水稻耐冷性相关的QTL区间内或附近。RM282、RM252、RM6824和RM335是多个地点或年份均能重复检测到的位点,比较稳定,受环境背景影响较小。(5)在粳稻选育品种的耐盐碱性关联分析中,基于Q+K模型共定位到了40个与水稻耐盐碱性相关的位点,其中有25个位点与耐盐性显著相关,15个位点与耐碱性显著相关。在所有关联位点中,有17个位点位于前人定位的耐盐碱性QTL的区间内或附近。此外,RM567、RM475和RM505在盐胁迫和碱胁迫下均能检测到,说明耐盐性和耐碱性可能存在共同的遗传基础。(6)在粳稻选育品种产量相关性状的关联分析中,基于Q+K模型共定位到59个关联位点,包括与抽穗天数关联的位点11个、与株高关联的位点12个、与有效穗数关联的位点4个、与穗粒数关联的位点11个、与结实率关联的位点9个和与千粒重关联的位点12个。在所有的关联位点中,有23个位点位于前人报道的QTL区间内。此外,有11个位点与两个以上性状同时关联,这可能是与性状间相关或一因多效有关。2、云南农家保护水稻地方品种遗传多样性的历时变化(1)选取云南农家保护下水稻地方品种共600份,其中收集于1980年有332份,收集于2007年有268份。通过对Cat A、GBSSII、Os1977、STS22、STS90、S5、Pid3、Ehd1、GS3和GS5共10个核基因片段的序列分析来研究水稻地方品种的遗传多样性的历时变化。遗传多样性研究表明,收集于两个不同时期水稻地方品种群体的核苷酸多样性(π)和(θw)并无显著差异(P0.05),其中1980年群体的π和θw值分别为0.0061和0.0032,2007年群体的π和θw值分别为0.0058和0.0033。研究表明,在农家保护下,云南当地的农民很好的保护了云南水稻地方品种,维持了其原有的遗传多样性水平。(2)单倍型分析表明,2007年收集的水稻地方品种群体保留了原有群体90.7%的单倍型。其中,7种单倍型已经丢失,平均单倍型频率为1.38%,变幅为0.9%~3.59%,同时有5种新产生的单倍型,平均单倍型频率为1.90%,变幅为1.16%~4.25%。结果表明,经过近30年来的驯化,农家保护下,除部分丢失和新产生的单倍型外,2007年收集的云南水稻地方品种群体较好地维持了1980年群体的单倍型类型。(3)单倍型丰富度研究表明,稻作生态区Ⅰ在1980年群体中特有的单倍型的丰富度最多,占总单倍型丰富度的33.1%,在2007年群体中特有的单倍型的丰富度最少,占总单倍型丰富度的16.5%;而稻作生态区Ⅲ在1980年群体中特有的单倍型的丰富度最少,占总单倍型丰富度的18.3%。结果表明,经过近30年来的驯化过程,具有最丰富遗传变异的稻作生态区Ⅲ内的水稻地方品种群体,能够更好的维持其遗传多样性水平。(4)基于模型的群体结构分析表明,收集于不同时期的云南水稻地方品种很明显的分化成两个亚群,即籼稻群与粳稻群。而且,在每个稻作生态区中,均有籼稻与粳稻分布,这可能与云南省内具有独特的立体气候密切相关。(5)AMOVA分析表明,两个不同时期的水稻地方品种群体间(不考虑时期内的遗传结构),在一半的基因位点上,均表现出了显著的遗传差异(P0.05)。研究表明农家保护能够为水稻地方品种提供继续变异与分化的机会。因此,农家保护作为一种动态保护方式,应该被鼓励和加强,尤其是在水稻的遗传多样性中心。(6)FST的结果表明,同一稻作生态区两个不同时期间的遗传分化(-0.0139~0.0537)低于时期内稻作生态区间的遗传分化(在1980年群体中:-0.0021~0.0644;在2007年群体中:-0.0138~0.1728)。在2007年的水稻地方品种群体中,稻作生态区间的遗传分化(0.0664)要高于1980年群体中稻作生态区间的遗传分化(0.0310)。这说明经过近30年来的驯化过程,不同稻作生态区间的遗传分化变大。
【学位单位】：中国农业科学院
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：S511.22
【文章目录】：
摘要
Abstract
英文缩略表
第一章 引言
    1.1 关联分析的研究进展
        1.1.1 关联分析的基础
        1.1.2 关联分析的策略
        1.1.3 关联分析的优势
        1.1.4 关联分析在植物数量性状中的研究进展
    1.2 水稻耐冷性研究进展
        1.2.1 水稻不同生育时期的耐冷性鉴定评价
        1.2.2 水稻不同生育时期的耐冷性的遗传基础
    1.3 水稻耐盐碱性研究进展
        1.3.1 水稻不同生育时期的耐盐碱性鉴定评价
        1.3.2 水稻不同生育时期的耐盐碱性的遗传基础
    1.4 云南地方稻种资源的遗传多样性研究
        1.4.1 云南水稻地方品种遗传多样性的研究意义
        1.4.2 云南水稻地方品种遗传多样性的研究进展
    1.5 本研究目的和意义
第二章 粳稻选育品种的遗传多样性、遗传结构及LD分析
    2.1 材料与方法
        2.1.1 试验材料
        2.1.2 基于SSR标记的基因分型
        2.1.3 基因型数据的统计分析
    2.2 结果与分析
        2.2.1 遗传多样性分析
        2.2.2 群体结构分析
        2.2.3 群体分化分析
        2.2.4 亚群内的遗传多样性
        2.2.5 亲缘关系的估计
        2.2.6 LD
    2.3 讨论
        2.3.1 水稻选育品种的遗传多样性
        2.3.2 遗传结构和遗传分化
        2.3.3 LD
第三章 粳稻选育品种耐冷性鉴定及耐冷基因的关联分析
    3.1 材料与方法
        3.1.1 试验材料
        3.1.2 基于SSR标记的基因分型
        3.1.3 耐冷鉴定方法
        3.1.4 表型数据的统计分析
        3.1.5 关联分析
    3.2 结果与分析
        3.2.1 不同来源粳稻选育品种的耐冷性状表型差异
        3.2.2 不同来源粳稻选育品种的聚类分析
        3.2.3 表型性状的多样性
        3.2.4 模型比较与关联分析
        3.2.5 优异等位变异的效应
    3.3 讨论
        3.3.1 不同来源粳稻选育品种的耐冷性差异
        3.3.2 自然低温与冷水胁迫下聚类结果比较
        3.3.3 水稻耐冷性状的遗传解析
第四章 粳稻选育品种耐盐碱性鉴定及耐盐碱基因的关联分析
    4.1 材料与方法
        4.1.1 试验材料
        4.1.2 基于SSR标记的基因分型
        4.1.3 耐盐鉴定
        4.1.4 苗期耐碱鉴定
        4.1.5 表型数据的统计分析
        4.1.6 关联分析
    4.2 结果与分析
        4.2.1 表型多样性
        4.2.2 模型比较与关联分析
        4.2.3 等位变异效应
    4.3 讨论
        4.3.1 水稻耐盐性状的遗传解析
        4.3.2 水稻苗期耐碱性状的遗传解析
第五章 粳稻选育品种主要农艺性状的多年异地鉴定及其关联分析
    5.1 材料与方法
        5.1.1 试验材料
        5.1.2 基于SSR标记的基因分型
        5.1.3 表型鉴定
        5.1.4 表型数据的统计分析
        5.1.5 关联分析
    5.2 结果与分析
        5.2.1 表型多样性
        5.2.2 模型比较与关联分析
        5.2.3 优异等位变异的效应
    5.3 讨论
第六章 云南农家保护水稻地方品种遗传多样性的历时变化
    6.1 材料与方法
        6.1.1 试验材料
        6.1.2 基因型分析
        6.1.3 序列分析及中性检验
        6.1.4 单倍型的演化网络分析
        6.1.5 群体结构和群体分化
    6.2 结果与分析
        6.2.1 核苷酸多样性与中性检验
        6.2.2 单倍型的系统发生关系和地理分析
        6.2.3 稻区内的遗传变异
        6.2.4 群体结构与遗传分化
    6.3 讨论
        6.3.1 云南水稻地方品种的农家保护现状
        6.3.2 水稻地方品种单倍型的动态变化
        6.3.3 水稻地方品种群体时期间与时期内的遗传分化
        6.3.4 云南农家保护下水稻地方品种遗传多样性的维持机制
第七章 全文结论
    7.1 粳稻抗逆性关联分析
    7.2 云南农家保护水稻地方品种遗传多样性的历时变化
参考文献
附录
致谢
作者简历

【参考文献】

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本文编号：2857103