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水稻关联定位群体的构建及若干品质性状的关联分析

作　者: 金亮
导　师: 包劲松
学　校: 浙江大学
专　业: 生物物理学
关键词: 水稻连锁不平衡关联定位群体关联分析数量性状位点淀粉品质营养品质稻米颜色标记辅助选择
分类号: S511
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

水稻的许多重要农艺性状如产量、品质、抗逆性等多表现为数量性状，是由多个基因和环境共同作用的结果，对其遗传基础的研究比较困难。水稻品种的改良有赖于所掌握资源的数量和对其农艺、品质等性状遗传基础的了解与掌握程度。近年来，随着基因组学的发展和生物统计软件的完善，特别是分子标记技术在遗传育种领域的广泛应用，以连锁不平衡（linkage disequilibrium，LD）为基础的关联分析（association analysis）方法的出现为水稻数量性状遗传的研究提供了新途径，也为作物的分子设计育种提供了新的思路，它与基于连锁作图的数量性状位点（quantitative trait locus，QTL）定位结果可相互验证、相互补充。本研究利用关联分析和QTL定位两种方法来研究稻米淀粉品质和营养品质性状的分子遗传基础，并利用分子标记辅助选择（marker assisted selection，MAS）进行稻米品质改良。其主要结果如下：1．利用全基因组上的100个微卫星标记（simple sequence repeat，SSR），对广泛收集的416份水稻材料（包括地方品种、栽培品种和育种系）进行全基因组扫描，分析群体遗传多样性、LD状况和群体结构，以构建关联定位群体。结果表明这个群体具有广泛的遗传变异。基于模型的群体SSR数据遗传结构分析发现，该群体可划分为7个亚群体。整个群体中，62．8％的SSR位点之间存在显著的LD（P＜0．05），而在各亚群中存在显著LD的位点占5．9～22．9％。测定了9个农艺性状，发现群体结构可解释6．2％～46．6％的变异，平均值为27．7％。这个群体可用于全基因范围上的SSR标记、候选基因与表型性状的关联分析。2．对淀粉品质性状与淀粉合成有关基因标记进行了基于群体结构的关联分析，结果表明在结构化的水稻群体中Wx SNP和Wx SSR与表观直链淀粉含量（AAC）、淀粉粘滞性（HPV、CPV、BD和SB）、凝胶硬度（HD）显著相关，是控制淀粉品质性状重要的位点。SSⅡa SNP与成糊温度（PT）显著相关，是控制PT的重要位点。Wx SNP、Wx SSR和SSⅡa SNP位点对于改良稻米淀粉品质有十分重要的意义。3．对淀粉品质性状与全基因组上100个SSR标记进行关联分析。结果表明，与5个淀粉品质性状显著（P＜0．001）关联的标记位点累计达到了21个。有5个SSR标记与AAC显著关联，不过这些位点的变异解释率都小于5％。其中，RM346与这5个性状都显著关联。位于第6染色体上的RM276对于PT变异的解释超过了10％。2个SSR位点（RM253、RM484）已有相应的QTL报道。这些SSR位点可能也是淀粉品质相关的基因。4．以籼粳互交加育293/Lemont的重组自交系（RIL）群体为材料，研究淀粉合成相关基因的SSR标记与淀粉品质性状的相关性。结果表明Wx和SSl（淀粉合酶1）基因的确与淀粉特性相关。而淀粉特性与SBEl（淀粉分枝酶1）等位基因没有相关性。5．通过两次回交和两次自交，并利用功能标记的辅助选择（MAS），将来自品质优良保持系宜香B（有香味，低AAC、GT）中Wx-（CT）₁₇、SSⅡa-TT和fgr（8bp缺失）等位基因导入到品质较差Ⅱ-32B（高AAC，高GT，没有香味）中，以改良其品质。利用功能标记来选择具有Wx-（CT）₁₇、SSⅡa-TT和fgr等位基因型的植株。最终选出17株具有Wx-（CT）₁₇、SSⅡa-TT和fgr纯合基因型的株系。改良后的Ⅱ-32B具有香味和较低的AAC和GT。6．对稻米颜色参数和营养品质性状与控制种皮颜色的Rc、Ra，香味基因fgr、淀粉主效基因位点以及100个SSR标记位点进行基于群体结构的关联分析。结果表明，对于颜色参数性状，Ra、Rc确实是主效基因，而RM316可能是一个影响较大的位点。与3个营养品质性状显著关联的标记位点累计达到15个。对于多酚含量、类黄酮含量和抗氧化活性，Ra对表型变异解释率最大，都超过44％。而对于多酚含量和抗氧化活性Rc对表型变异解释率仅次于Ra，也分别达到了27．39％和23．09％。而RM316对于3个性状的表型变异解释率都超过10．0％，RM316可能是一个重要的未知的QTL。7．对本群体中361份白米材料的颜色参数及营养品质性状与100个SSR标记，以及fgr和淀粉主效基因位点进行关联分析。发现累计34个位点与5个颜色性状显著关联（P＜0．001）。不过各个位点的贡献率都比较小，表明在白米材料群体中，其颜色参数性状受微效多基因（位点）控制，其遗传方式比较复杂。对白米材料的营养品质性状的关联分析表明，累计6个位点与多酚含量和抗氧化活性性状显著关联（P＜0．001），共解释超过30％的表型变异。没有检测到与类黄酮含量显著关联的位点。对于多酚含量RM336对表型变异解释率最大，为7．16％；对于抗氧化活性，只检测到一个显著关联的位点RM251，其表型变异解释率为6．10％。对于白米材料颜色参数以及营养品质性状的关联分析表明，颜色参数性状受多微效基因控制，而影响多酚含量和抗氧化活性位点的效应也较小。8．以典型的籼粳交窄叶青8号/京系17的加倍单倍体（DH）群体及其分子图谱，对稻米颜色参数、多酚、类黄酮含量以及抗氧化能力性状进行了QTL定位分析。在这个群体中，这些性状均呈连续性分布，并存在一定数量的超亲分离。对于5个颜色参数性状，总共检测出12个主效QTL，其中qL-2、qB-2和qC-2都位于第2染色体上的同一区域。对于多酚含量性状检测到3个主效QTL，分布在第2、4、12染色体上，总共解释超过43％的表型变异。对于类黄酮含量检测到3个QTL，分布在第2、11染色体上，总共解释超过26％的表型变异。对于抗氧化能力性状检测到3个QTL，分布在第1、7、11染色体上，总共解释超过32％的表型变异。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-9
Abstract  9-12
目录  12-15
图目录  15-16
表目录  16-17
缩略词  17-18
第1章文献综述  18-38
  1.1 基于连锁作图的QTL定位分析  18-21
    1.1.1 QTL作图的原理及QTL定位的必要条件  18-19
    1.1.2 QTL的作图群体  19
    1.1.3 QTL的定位方法  19
    1.1.4 QTL定位的应用  19-20
    1.1.5 QTL定位的局限性  20-21
  1.2 基于连锁不平衡的关联分析  21
  1.3 关联分析的原理  21-27
    1.3.1 连锁不平衡的遗传学意义  21-22
    1.3.2 连锁不平衡的度量  22-24
    1.3.3 影响LD的因素和LD的衰减  24-27
  1.4 关联分析的基本方法  27-29
  1.5 植物关联分析研究进展  29-34
    1.5.1 玉米  29-31
    1.5.2 拟南芥  31
    1.5.3 水稻  31-32
    1.5.4 大豆  32-34
    1.5.5 其它植物  34
  1.6 关联分析的应用前景  34-37
    1.6.1 关联分析与功能标记的开发及应用  34-35
    1.6.2 关联分析与连锁作图的整合  35-36
    1.6.3 关联分析与植物基因组学相结合  36-37
  1.7 本论文研究意义与技术路线  37-38
第2章水稻关联定位群体的构建  38-59
  2.1 引言  38-40
  2.2 材料与方法  40-42
    2.2.1 供试材料  40
    2.2.2 农艺性状考察  40
    2.2.3 SSR标记分析  40-41
      2.2.3.1 DNA提取  40-41
      2.2.3.2 PCR扩增体系  41
      2.2.3.3 电泳和银染体系  41
    2.2.4 遗传多样性、群体结构和聚类分析  41-42
    2.2.5 LD的衡量  42
  2.3 结果与分析  42-55
    2.3.1 遗传多样性  42-45
    2.3.2 群体结构  45-47
    2.3.3 各亚群之间的遗传关系  47
    2.3.4 各亚群的群体遗传多样性  47-48
    2.3.5 连锁不平衡分析  48-52
    2.3.6 表型性状的多样性  52-55
  2.4 讨论  55-59
    2.4.1 全基因组扫描分析体系  55-57
    2.4.2 水稻遗传群体结构和LD  57-58
    2.4.3 广义遗传力及群体结构的效应  58-59
第3章稻米淀粉品质性状的关联分析及分子标记辅助选择育种  59-87
  3.1 引言  59-63
  3.2 材料与方法  63-67
    3.2.1 供试材料与群体构建  63-64
      3.2.1.1 关联定位群体  63
      3.2.1.2 重组自交系群体  63
      3.2.1.3 标记辅助选择材料及技术路线  63-64
    3.2.2 淀粉品质性状的测定  64-65
      3.2.2.1 表观直链淀粉含量(AAC)测定  64
      3.2.2.2 淀粉粘滞性谱测定  64-65
      3.2.2.3 淀粉凝胶的质地测定  65
    3.2.3 香味测定  65
    3.2.4 分子标记分析  65-67
      3.2.4.1 DNA提取  65
      3.2.4.2 标记引物序列  65-66
      3.2.4.3 PCR扩增体系  66
      3.2.4.4 电泳检测体系  66-67
    3.2.5 关联分析  67
    3.2.6 数据统计分析  67
  3.3 结果与分析  67-82
    3.3.1 淀粉品质性状的关联分析  67-72
      3.3.1.1 淀粉品质性状变异分析  67-68
      3.3.1.2 淀粉品质与候选基因的关联分析  68-70
      3.3.1.3 基于全基因组的淀粉品质关联分析  70-72
    3.3.2 RIL群体淀粉理化特性与分子标记的相关分析  72-77
      3.3.2.1 线粒体标记分析  72
      3.3.2.2 淀粉理化特性分析  72-76
      3.3.2.3 SSR等位基因分析  76
      3.3.2.4 SSR与淀粉特性的相关分析  76-77
    3.3.3 分子标记辅助选择育种  77-82
      3.3.3.1 关联定位群体中香味基因的鉴定  77
      3.3.3.2 F_2群体基因型检测  77-80
      3.3.3.2 表型性状与标记等位基因的关联  80
      3.3.3.3 BC_1F_1群体中的MAS  80
      3.3.3.4 BC_2F_1群体中的MAS  80-82
      3.3.3.5 BC_2F_2群体中的MAS  82
      3.3.3.6 BC_2F_3群体中的选择  82
  3.4 讨论  82-87
    3.4.1 水稻淀粉品质性状的关联分析  82-83
    3.4.2 RIL群体淀粉品质性状的相关分析  83-84
    3.4.3 功能标记的开发与分子标记辅助选择育种  84-87
第4章稻米营养品质性状的关联分析及QTL定位  87-111
  4.1 引言  87-90
  4.2 材料与方法  90-93
    4.2.1 供试材料  90
      4.2.1.1 水稻关联定位群体  90
      4.2.1.2 DH群体  90
    4.2.3 糙米颜色测定  90-91
    4.2.4 营养品质的测定  91-92
      4.2.4.1 多酚总含量的测定  91
      4.2.4.2 类黄酮含量的测定  91
      4.2.4.3 抗氧化活性测定  91-92
    4.2.5 Rc、Ra基因片段扩增  92
    4.2.6 关联分析  92-93
    4.2.7 DH群体的QTL分析  93
    4.2.8 数据分析  93
  4.3 结果与分析  93-107
    4.3.1 Rc、Ra基因片段扩增分析  93-94
    4.3.2 群体性状数据分析  94-95
    4.3.3 全群体水稻材料关联分析  95-98
    4.3.3 群体中白米材料的关联分析  98-102
    4.4.4 DH群体QTL定位分析  102-107
      4.4.4.1 稻米颜色参数、营养品质性状在亲本间和DH群体中的表现  102
      4.4.4.2 稻米颜色参数、营养品质性状之间的相关性分析  102-104
      4.4.4.3 颜色参数性状QTL定位分析  104
      4.4.4.4 营养品质性状QTL定位分析  104-107
  4.4 讨论  107-111
参考文献  111-125
作者简介  125-126

水稻关联定位群体的构建及若干品质性状的关联分析

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