水稻高产优质的分子基础与品种设计

水稻是世界上最重要的粮食作物之一,在保障粮食安全的重大战略需求中具有举足轻重的地位.株型是决定水稻产量的核心要素,解析株型形成的分子机理具有重要的现实意义.稻米品质主要包含营养、蒸煮食味、储藏及外观品质,阐明其遗传调控网络为实现稻米品质的定向改良提供了重要支撑.随着水稻功能基因组研究的日渐深入,在水稻株型与稻米品质形成的分子基础研究方面取得的一系列重大研究进展助推了水稻株型与稻米品质分子设计育种的开展与示范.本文分别从分蘖数目、分蘖角度、株高、穗型以及稻米的外观、蒸煮食味、营养、储藏品质等方面简要概述了水稻株型与稻米品质的遗传调控网络,介绍了相关基因在分子设计育种中的应用情况.     

一新的水稻多蘖矮秆突变体tddl (t) 的分离及基因的精细定位

水稻株型是影响稻米产量的重要农艺性状, 而株高和分蘖是水稻株型的两大构成因素, 因此对水稻多蘖矮秆突变体的研究不仅能为植物生长发育分子机制的阐明奠定基础, 而且具有潜在的农业生产价值. 我们从EMS化学诱变的籼稻IR64的后代筛选得到一稳定遗传的多蘖矮秆且叶色加深突变体, 暂命名为tddl(t), 它与已发现的多蘖矮秆突变体非等位. 该突变体属于dn型矮秆, 其矮秆性状与赤霉素、油菜素内酯和萘乙酸无关, 因此推断其控制基因可能参与其他激素途径. 组织细胞学分析表明, 维管束薄壁细胞的减小导致了茎秆变细. 遗传分析显示, 该性状受单隐性核基因控制, 精细定位将TDDL(T)基因锁定在水稻第4号染色体长臂85.51 kb的物理距离内, 在该区域共预测到20个候选基因. 对该基因的进一步克隆将有助于水稻多蘖矮秆分子机制的阐明和应用于分子标记辅助育种.     

水稻抗白叶枯病基因Xa-4的精细定位及其共分离分子标记

利用Ｘａ－４的近等基因系ＩＲ２４和ＩＲＢＢ４构建Ｆ_２群体,通过抗性鉴定筛选出感病植株,利用水稻高密度图谱上的分子标记和候选抗病基因片段进行分析,构建了抗白叶枯病基因Ｘａ－４的遗传图谱,并获得了与 Ｘａ－４共分离的分子标记 ＲＳ１３．构建的遗传图谱还包含另外５个紧密连锁的分子标记,其中１个是ＰＣＲ标记,４个是国际通用的水稻高密度图谱上的ＲＦＬＰ标记．为图位克隆Ｘａ－４打下了基础,也为分子标记辅助选择育种提供了有效的分子标记。     

利用微卫星标记扩充水稻双单倍体群体的遗传图谱

微卫星标记已在人类与动物的遗传作图中得到了广泛应用.微卫星标记所揭示的是简单顺序长度多态性(Simple Sequence Length Polymorphism,SSLP),可利用PCR方法检测,因而快速简便,而且所需DNA量少.微卫星标记在遗传分析中表现为共显性,具有高度的多态性,往往有多个等位形式存在,信息含量很高,目前,在植物中微卫星标记主要用于基因型分析,品系分析及基因定位,尚未大规模用于遗传作图,在水稻中,通过筛选基因组文库和检索DNA序列库,已经获得了58个微卫星标记.本研究对一个水稻双单倍体(DH)群体进行了微卫星标记遗传作图工作,将89个微卫星标记较均匀地定位在已有的遗传图谱上,为今后应用微卫星标记定位水稻基因和标记辅助育种奠定了基础     

反义Wx基因导入我国籼型杂交稻重点亲本

为改良我国籼型杂交稻稻米的食用品质，利用基因工程技术经农杆菌介导将反义蜡质基因导入保持系龙特甫B等3个高直链淀粉含量的籼型杂交稻重点亲本中，经潮霉素抗性筛选获得了较多的抗性植株。PCR和Southern杂交检测证明，反义Wx基因已整合进转基因水稻的基因组中，绝大多数转基因水稻植株的表型正常。成熟种子直链淀粉含量分析表明，部分转基因水稻T1和T2代种子中的直链淀粉含量已有不同程度的下降，最低的已下降至7％左右，与未转化对照相比下降了18．39％。此外直链淀粉含量改变后对稻米的胶稠度和湖化温度也有一定的影响。     

棉花纤维品质基因的克隆与分子育种

棉纤维是已知纤维素纯度最高的天然资源之一, 在世界纺织业中占有重要的地位. 随着纺织工业加工速度的加快和人民生活水平的提高, 对棉纤维品质的要求愈来愈高. 因此, 弄清纤维细胞的表达模式以及可能的生物学功能, 系统地阐明棉纤维细胞发育调控的分子机理, 对充分利用棉花自身基因资源、提高棉花产量、改良纤维品质乃至发展人工棉纤维都具有重要意义. 本文系统总结了国内外棉花纤维品质基因的克隆与分子育种现状, 提出棉花纤维品质相关基因研究的必要性及研究潜力. 针对我国棉花品种纤维品质的现状, 提出依靠我国资源优势, 开展创新性的探索, 最终获得国际领先且具有中国自主知识产权的棉纤维品质改良相关基因及标记的专利, 并用于棉纤维品质改良育种实践的研究设想.     

棉花种间杂交渐渗系创新效果评价及特异种质筛选

收集了155份棉属种间杂交基因渐渗系, 试图评价棉花远缘杂交对陆地棉种质创新的效果, 筛选出具有较大利用价值的特异种质, 促进该类种质在棉花育种改良中广泛有效利用. 通过对主要农艺性状的鉴定, 结果表明, 不同野生种在陆地棉优质纤维、抗病、抗逆和抗虫种质改良上发挥了不同的作用. 利用SSR分子标记检测种间杂交渐渗系中的外源种遗传成分, 在15对SSR引物中发现了两类25个SSR特异位点, 海岛棉、亚洲棉、瑟伯氏棉等8个棉属外源种的外源遗传成分向陆地棉种质有不同程度的渗入. 制定了利用分子标记高效筛选具有外源基因特异种质的策略, 并筛选了18份优质纤维特异种质和4份耐枯黄萎病特异种质.     

利用安全性转基因技术导入反义蜡质基因降低稻米直链淀粉含量

利用安全性转基因技术中的共转化法, 将分别含有p13W₄双元载体(含有潮霉素抗性基因、gus报告基因以及反义蜡质基因片段)和p13W₈双元载体(无潮霉素抗性基因和gus报告基因, 只含有反义蜡质基因片段)的根癌农杆菌以1:9的比例混合导入超2-10高产水稻新品系中, 获得34棵转基因植株. PCR分析转基因T₀代植株, 结果显示, 有15株是共转化植株, 共转化率为44.1%. 利用p13W4双元载体上的gus报告基因从T₁代种子中淘汰具有报告基因及抗性标记基因的转基因后代, 再利用PCR检测从T₁代植株中获得只有反义蜡质基因的植株. Southern blot杂交分析证实, p13W₈双元载体T-DNA已整合进入无抗性标记及报告基因的转基因后代基因组中. T₂代成熟种子直链淀粉含量分析显示, 转基因植株糙米直链淀粉含量比对照有不同程度的下降, 幅度最大的比对照降低28.61%. 由于获得的转基因后代只有目的基因而无抗性选择标记基因和报告基因, 而且水稻中的稻米直链淀粉含量已降低, 它们既可被用于筛选软米材料, 也可视为是能够用于其他水稻稻米食味品质改良的水稻新资源.     

水稻抗白叶枯病基因Xa—4的精细定位及其共分离分子标记

利用Ｘａ－４的近等基因系ＩＲ２４和ＩＲＢＢ４构建Ｆ２群体,通过抗性鉴定筛选出感病植株,利用水稻高密度图谱上的分子标记和候选抗病基因片段进行分析,构建了抗白叶枯病基因Ｘａ－４的遗传图谱,并获得了与Ｘａ－４共分离的分子标记ＲＳ１３。构建的遗传图谱还包含另外５个紧密边锁的分子标记,其中 １个是ＰＣＲ标记,４个是国际通用的水稻高密度图谱上的ＲＦＬＰ标记。为图位克隆Ｘａ－４打下的基础,也为分子标记辅助选择育     

两个来源于野生稻的抗褐飞虱新基因的分子标记定位

选用抗源来自药用野生稻（Oryza offcinalis Wall)的抗褐飞虱品系B5为父本,与感虫品种台中本地1号（TN1）杂交,随机选取167个F2单株构成定位群体。运用RFLP技术,采用集团分离分析法（bulked segregant analysis,BSA),对水稻抗褐飞虱基因进行分子标记定位。于第3和第4染色体找到与抗褐飞虱基因连锁的RFLP标记。构建了连锁标记附近区域的RFLP遗传连锁图谱,对这两个抗位点进行了QTL（quantitative trait locus)分析,将这两个抗褐飞虱基因分别定位于第3染色体的G1318和R1925,第4染色体的C820和S11182之间。与已报道的水稻抗褐飞虱基因位点相比较,表明这两个抗褐飞虱基因是新的抗性位点。抗褐飞虱基因新位点的发现和分子标记的建立,为水稻抗虫分子标记辅助育种和抗褐飞虱基因克隆打下了良好基础。     

中国对虾遗传连锁图谱的构建

中国对虾是中国重要的水产资源之一, 其自然群体主要分布于中国黄渤海沿海海域和朝鲜半岛海域. 中国对虾遗传连锁图谱的构建, 可以加速分子标记辅助育种和控制重要经济性状基因鉴定的研究, 为中国对虾遗传改良和优良品种的培育提供基础信息. 利用中国对虾F₂群体家系和AFLP分子标记技术进行了中国对虾遗传连锁图谱的构建. 利用55对AFLP引物组合对F₂家系的110个个体进行了研究, 检测到532个符合作图策略的AFLP标记. 对于符合3∶1比例的分离位点利用F₂自交模型构建性别平均连锁图谱, 对于符合1∶1比例的分离位点利用拟测交理论分别构建中国对虾的雌性和雄性遗传连锁图谱. 雌性遗传图谱分别由103标记组成28个连锁群, 没有未连锁标记, 图谱长度分别为1090 cM. 雄性遗传图谱由144个标记构成35个连锁群, 有10个未连锁标记, 图谱长度分别为1617 cM. 中国对虾雄性遗传连锁图谱比雌性遗传连锁图谱长32.6%, 这可能说明中国对虾不同性别存在不同的重组率. 性别平均遗传图谱有44个连锁群, 由216个标记组成, 有2个未连锁标记, 图谱实际长度为1772.1 cM. 中国对虾遗传连锁图谱基因组估计长度为2420 cM, 符合与人类基因组相比的对虾类基因组长度. 通过皮尔逊相关系数检测认为AFLP标记在中国对虾图谱上分布均匀. 本研究利用AFLP标记构建的中国对虾遗传连锁图谱为中国对虾基因组研究和遗传改良提供一定的基础, 同时开发的微卫星标记也为遗传连锁图谱的整合提供条件.     

水稻散生突变体的遗传和基因定位研究

分蘖角度是构成水稻理想株型和高产育种的重要农艺性状之一. 通过对水稻散生突变体的遗传学分析认为, 该散生表型受一隐性核基因控制, 与已报道的水稻散生突变体la等位, 故将此突变体命名为la-2, 而原突变体被重新命名为la-1. 利用la-2与w11和浙福802分别杂交产生的F₂群体对LA位点进行遗传定位, 发现其与第11号染色体上的微卫星标记RM202和RM229连锁, 遗传距离分别为10.0和8.0 cM. 通过进一步在两标记间发展的6个新的分子标记, 将该基因精确地定位于约0.4 cM的区间. 为进一步克隆LA基因和探讨水稻分蘖角度的控制机制奠定了良好的基础.     

水稻含隐性抗白叶枯病基因xa5的24kb片段的鉴定与基因预测

水稻xa5基因是具有重要研究和育种价值的隐性广谱抗白叶枯病基因.利用水稻品系IR24及其近等基因系IRBB5(含xa5基因)杂交组合,构建了含4892个单株的F2定位群体.同时,利用与xa5连锁的RFLP标记筛查含xa5基因的水稻抗性品系IRBB56的BAC文库,构建了一个覆盖目标基因位点的长约213kb的跨叠克隆群.根据国际水稻基因组和中国超级杂交稻基因组序列,以及跨叠克隆群的部分亚克隆测序,设计了一系列SSLP和CAPS标记对目标基因进行精细遗传定位.xa5基因定位在2个CAPS标记K5和T4之间且与T2共分离,标记K5和T4之间的遗传距离为0.3 cM,物理距离约为24 kb.对xa5基因所在的24 kb片段DNA序列进行基因预测,揭示出可能编码ABC转运蛋白和转录因子TFIIA小亚基的2个基因.对这一区段及其编码基因的功能研究将阐明xa5抗白叶枯病的分子机制.     

水稻第1染色体千粒重QTL的遗传分解

千粒重是提高水稻增产潜力和改良稻米品质的重要因素之一. 本研究在千粒重QTL qTGWT1-1初定位的基础上, 利用分别在第1染色体短臂RM1-RM3746和RM151-RM243区间内呈杂合而背景纯合的2个水稻剩余杂合体(residual heterozygous line, RHL), 衍生两个F6群体. 对千粒重QTL进一步分析, 在初定位的QTL qTGWT1-1所在区间检测到两个效应大小相近、方向一致的紧密连锁QTL Gw1-1和Gw1-2. 应用SSR标记检测, 从其中一个RHL衍生群体中筛选到杂合区间分别为RM151~RM10404, RM10381~RM243, RM10435~RM259和RM10398~RM5359的4个单株. 应用SSR标记进一步检测4套F2群体, 从每套F2群体中分别筛选到母本珍汕97B和父本密阳46纯合型材料各10株, 自交获得4套近等基因系材料并考察其千粒重. 利用交迭重组染色体片段代换系分析法, 将千粒重QTL Gw1-1和Gw1-2分别界定于392.9 kb的RM10376~RM10398区间和308.5 kb的RM10404~RM1344区间, 增效等位基因均来自母本珍汕97B, 两个QTL之间表现为积加作用. 这两个QTL的遗传分解为其克隆及水稻产量和品质的分子育种奠定基础.     

多基因聚合改良杂交稻恢复系福恢676的稻瘟病抗性

福恢676是一个综合性状优良但稻瘟病抗性不强的杂交水稻恢复系,该父本已测配育成的18个杂交稻品种通过了省级以上品种审定.为了改良其稻瘟病抗性,延长该恢复系在生产上的应用期限.以携带3个稻瘟病抗性基因(Pi-1、Pi-9和Pi-k^h)的优质恢复系金恢1059为供体亲本,以福恢676为轮回亲本,通过回交导入、分子标记辅助选择及田间稻瘟病抗性鉴定相结合的方法,选育出5个抗病的稳定株系,其中3个株系聚合了Pi-1、Pi-9和Pi-kh.对这5个株系的综合农艺性状、品质和配合力等进行系统比较,并结合稻瘟病抗性鉴定.结果表明,与福恢676相比,改良株系及其与广8A、荃9311A和广占63-4S等不育系配制的杂种F1均表现出稻瘟病抗性明显增强,而其中株系6综合表现最优,遗传背景恢复率为97.1%,且其生育期、株高等主要农艺性状与福恢676测配组合无显著差异,但产量有所提高,品质得到改善.改良的株系6保留了福恢676产量高、恢复力强、配合力好等优良特点,品质有所提升,具有较好的应用前景.     

水稻重要农艺性状自然变异研究进展及其应用策略

水稻在长期的自然进化和人工选择过程中积累了大量自然变异,这些自然变异是许多重要农艺性状的遗传基础,也是水稻育种筛选的主要目标.近些年,随着分子技术的发展,水稻自然变异研究取得了一系列重要突破.本文结合最新研究进展,系统介绍了水稻自然变异的特点及相应分析方法,并强调了高通量测序技术在今后水稻自然变异挖掘中的意义;对最近10年来报道的抽穗期、产量元件及抗逆和驯化相关性状自然变异的分子机制及驯化特征进行了详细说明;结合这些自然变异的分子特征,总结了利用不同变异类型改良现有品种的方法,为今后分子育种提供理论依据.     

水稻受稻瘟病菌诱导基因的分离和克隆

利用一对抗瘟性近等基因系(Near-isogenic lines, NILs)H7R(抗病)和H7S(感病),经稻瘟病菌小种早期诱导,提取RNA,进行mRNA差异显示(Differential display,DD)分析.在获得多个DD片段的基础上,经PCR重扩增、Sourthern杂交粗筛及Northern blotting进一步鉴定.阳性片段克隆于PGEM-T载体,经序列测定,国际联网查询,已获得两个受稻瘟病菌诱导的水稻新基因cDNA片段克隆. 在我国,Magnaporthe grisea是水稻稻瘟病的主要病害菌,由于生理小种的复杂性,抗病品种的抗性丧失已成为传统育种的一大难题.国际上对采用基因工程改良水稻的抗瘟性越来越重视并已成了各国竞争的热点.然而期望通过RFLP基因定位,并借助图谱克隆抗瘟性基因尚需多年的工作和大量的投入.此外,对于水稻与稻瘟病菌之间“基因对基因”的互作在分子水平上尚缺乏了解.本研究采用了本实验室完善的mRNA差异显示技术体系,在国际上首次用DD方法,鉴定和克隆受稻瘟病菌诱导的新的水稻抗瘟性和防卫反应候选基因.     

基于玉米综合QTL图谱的比较分析及株高QTL的统合分析

以高密度遗传图IBM2 Neighbors整合公开发表的、控制68个性状的1201个玉米QTL, 构建了用于分子标记发掘、QTL定位、基因克隆及分子标记辅助选择的综合图谱, 并将结果融入本地化数据库CMap软件. 利用CMap比较玉米QTL综合图和水稻QTL图谱发现, 玉米和水稻QTL成簇分布具有普遍性; 22个玉米株高QTL与64个水稻株高QTL位于标记水平上的共线性区域, 43个玉米产量QTL与7个水稻QTL位于标记水平上的共线性区域. 以控制玉米株高的QTL为例, 利用overview的分析方法对127个QTL进行优化, 定位了40个“真实”QTL, 提高了QTL定位的准确性和有效性, 发现了玉米和水稻株高相关QTG (quantitative trait gene)的候选基因. 本研究为大量玉米QTL信息的有效利用搭建了重要的生物信息学平台.     

携带主效落粒基因的水稻染色体片段代换系Z481的鉴定及和SH6(t)定位

落粒性是水稻非常重要的农艺性状,适度落粒有利于减少产量损失和水稻机械化收割,提高生产效率.因此鉴定落粒基因对水稻生产具有重要意义.本研究以日本晴为受体亲本、优良恢复系R225为供体亲本,采用高代回交和SSR标记辅助选择相结合的方法,鉴定了一个携带易落粒主效单基因的水稻染色体片段代换系Z481.Z481含有4个染色体代换片段,位于第1,3,6染色体上,其代换片段长度分别为8.30,6.17,3.12和10.79 Mb,平均为7.10 Mb.与受体日本晴相比,Z481的株高、穗长、倒一节间长、倒二叶宽显著降低,剑叶宽和结实率显著增加,其他重要农艺性状如叶长、有效穗数、每穗粒数和千粒重均无显著差异.扫描电子显微镜观察表明Z481的护颖和枝梗之间的离层在成熟时期已被完全降解,而日本晴的离层完整,在细胞学上解释了Z481易落粒性产生的原因.进一步利用日本晴与Z481杂交产生的F_1和F_2群体对易落粒基因进行了遗传分析和分子定位.该易落粒性状受单基因隐性调控,最终将该基因定位于第6染色体RM253和ZTQ53之间824 kb的区域,暂命名为SH6(t).目前,在第6染色体尚无落粒基因克隆的报道.由于染色体片段代换系除代换片段外与受体亲本的遗传背景一致,且Z481易落粒遗传行为简单,基本未携带育种不利性状.因此,本研究无论对SH6(t)的克隆,还是进行基因聚合育种培育适度落粒新品种均具有重大利用价值.     

利用SSR标记揭示我国夏大豆(Glycine max (L.) Merr)种质遗传多样性

利用67个SSR标记, 分析了来自我国栽培大豆初选核心种质中的158份夏大豆, 旨在阐明其遗传多样性特点, 为育种利用提供理论依据. 结果表明, 在所有供试夏大豆中共鉴定出等位变异460个, 平均每个位点有6.9个; 其中, 80份黄淮夏和78份南方夏大豆的等位变异数分别为414个和419个, 平均每个位点均接近6.2个. 所有供试夏大豆平均每个位点多样性(D)为0.735, 变化范围为0.414~0.905, 其中黄淮夏大豆D值平均为0.708, 变化范围为0.387~0.886; 南方夏大豆D值平均为0.687, 变化范围为0.189~0.884. 黄淮夏大豆和南方夏大豆在特异等位变异数、等位变异频率、遗传相似性系数均存在差异, UPGMA聚类分析也可将黄淮夏大豆和南方夏大豆基本分成2类. 这表明黄淮夏大豆和南方夏大豆可划为2个不同的基因池. 在夏大豆育种中, 两种夏大豆类型间可以通过种质资源相互利用来拓宽类型内育成品种的遗传基础.