水稻籼粳杂种不育与广亲和

水稻是世界主要粮食作物,水稻杂种优势的利用为提高作物产量做出了巨大贡献.亚洲栽培稻分为籼稻和粳稻两个亚种,亚种间的杂种优势更强,培育籼粳杂交水稻可以进一步提高水稻产量潜力.但是亚种间普遍存在生殖隔离,导致籼粳杂种育性较低,限制了对其杂种优势的利用.广亲和品种与籼稻和粳稻的杂交后代正常可育,为利用亚种间杂种优势提供重要种质资源.本文回顾了籼粳杂交育种的历史,总结了水稻杂种不育的遗传基础和分子调控机理的研究进展,介绍了广亲和基因形成机制的最新理解,在此基础上概述了近年来对广亲和基因发掘和利用的成果,并展望了未来创建广亲和水稻种质资源的途径.     

陆地棉遗传标准系TM-1背景的海岛棉染色体片段置换系的培育

染色体片段置换系(chromosome segment substitution lines, CSSL)基因组内只含有一个来自供体亲本的染色体片段, 而基因组的其余部分与轮回亲本相同, 并能把QTL拆分为单个的孟德尔因子, 因此CSSL是进行基因组分析, 特别是QTL分析的理想材料. 本研究以陆地棉遗传标准系TM-1为受体亲本, 海岛棉海7124为供体亲本在BC₅S₁代借助分子标记辅助选择(marker-assisted selection, MAS)培育了一套染色体片段置换系. 这套置换系由330个株系构成; 1~4个不同的株系携带相同的染色体片段, 置换片段的平均长度为10.9 cM, 总长度为5271.9 cM, 是棉花基因组总长度3514.6 cM的1.5倍. 每个株系内被替换的染色体片段长度不一, 最短为3.5 cM, 最长为23.2 cM. 由于还有些区段缺失供体亲本的染色体片段, 所以这个替换系群体没有完全覆盖棉花基因组.     

水稻籼粳亚种间杂种优势利用研究进展与展望

水稻籼粳亚种间的杂种优势利用对于提高我国水稻产量有着重要的意义.本文简述了籼粳亚种间杂种优势利用研究的发展历史,广亲和基因的发现为亚种间杂交水稻选育奠定了理论基础,国内科研机构相继选育出了以两优培九、协优9308为代表的利用部分籼粳亚种间杂种优势的杂交稻组合,杂种优势明显.21世纪以来,浙江省宁波市农业科学院、中国水稻研究所等科研机构,利用粳稻不育系与籼粳中间型广亲和恢复系配组,选育出了"甬优6号"、"甬优12"、"春优58"、"春优84"等典型的籼粳亚种间杂交稻,杂种优势更加明显,为水稻籼粳亚种间杂种优势利用开辟了新途径.本文还总结了籼粳亚种间杂种优势利用研究的现状,并针对籼粳亚种间杂种优势利用中存在的主要问题,对未来籼粳亚种间杂种优势利用研究进行了展望,以期为水稻籼粳亚种间杂种优势利用研究提供一点有益的借鉴.     

水稻全基因组R基因鉴定及候选RGA标记开发

用45个已知功能的植物抗病(R)基因序列对粳稻全基因组序列进行搜索, 共找出2119个R基因同源序列或类似物(RGA), 表明RGA在水稻基因组中成簇存在, 呈非随机分布. 采用隐马尔柯夫模型(HMM), 将这些RGA按其功能域分成了21类. 将粳稻的RGA与籼稻的基因组序列进行比较, 共找到702个两亚种间等位的RGA, 并发现其中有671个(占95.6%)RGA的基因组序列(包括编码区和非编码区)在两亚种间存在长度差异(InDel), 表明水稻RGA在两亚种间存在很高的多态性. 通过在InDel两侧设计引物并进行e-PCR验证, 共开发出402个基于PCR的、表现为共显性的候选RGA标记. 这些候选标记在两亚种间的长度差异在1~742 bp之间, 平均为10.26 bp. 有关数据均可从我们的网站(http://ibi.zju.edu.cn/RGAs/index.html)上获得.     

亚洲栽培稻与宽叶野生稻种间杂种的获得及其原位杂交分析

将亚洲栽培稻(Oryza sativa, 染色体组型为AA)与宽叶野生稻(O. latifolia, 染色体组型为CCDD)进行杂交, 结合胚拯救手段, 获得了这两个种的种间杂交种. 杂种F₁在株高、分蘖力、生长繁茂性等方面表现明显的杂种优势, 穗部性状明显偏向于父本宽叶野生稻的特征, 表现为长芒、小粒、大而外露的紫色柱头极易落粒. 根尖细胞染色体鉴定证明杂种染色体数为2n = 36. 进一步利用基因组原位杂交(genomic in situ hybridization, GISH)和荧光原位杂交(fluorescent in situ hybridization, FISH)技术, 鉴定了杂种F1的染色体组成及其在减数分裂中的配对行为. 结果表明, 杂种染色体的组成为ACD, 在减数分裂中, 绝大部分染色体以单价体形式存在, 很少有配对现象发生, 因而杂种表现完全雄性不育.     

基于SNP遗传距离和配合力的小麦杂种优势预测

为保障全球粮食安全,利用杂种优势不断提高粮食作物产量是育种工作的长期目标.分子标记已经广泛应用于作物杂种优势预测研究.但是,很少有关全基因组单核苷酸多态性(single-nucleotide polymorphism, SNP)预测小麦杂种优势的报道.本研究以30个小麦品种(系)为亲本构建了包含419个组合的双列杂交群体,利用亲本SNP遗传距离、配合力效应和3个环境的产量构成性状(yield component traits, YCT)预测杂种优势.结果发现,小麦YCT存在普遍的超标优势(commercial heterosis, CH)、中亲优势(mid-parent heterosis, MPH)和超亲优势(high-parent heterosis, HPH).亲本间或不同性状间的配合力效应值差异较大,黄淮麦区品种与西南麦区或国外品种间易产生较高的特殊配合力(special combining ability, SCA).双亲一般配合力(general combining ability, GCA)、SCA与杂交种产量、CH、MPH和HPH呈极显著正相关; SNP遗传距离与杂交种...     

水稻籼粳杂种不育基因座Sc的遗传图和物理图精细定位

杂种不育是水稻籼粳亚种间杂种优势利用的主要障碍.为了克隆1个籼粳杂种不育基因Sc,利用分子标记和近等基因系杂交产生的F2群体对Sc座位进行了精细定位.初步的连锁分析结果表明,Sc座位与第3染色体的4个分子标记以RM218-RG369-Sc-RG227-RG391的关系连锁,其中RG227与Sc座位之间的遗传距离为0.07 cM.用RG227为起始探针筛选籼稻的TAC基因组文库,并通过染色体步移构建了一个覆盖Sc座位的跨度约320kb的克隆重叠群.对可能覆盖Sc的2个TAC克隆M45E14和M90J01进行了部分测序.用TAC克隆序列和RG227序列搜索水稻基因组序列数据库,锚定了粳稻BAC克隆OSJNBb0078P24(148kb)序列.通过比较TAC和BAC克隆的序列,在Sc座位区域发展了6个新的基于PCR的标记.用这些标记进一步把Sc座位定位在一个约46kb的区域内.从定位结果推测该BAC克隆和TAC克隆M45E14包含Sc基因.基因预测分析显示,在此46 kb区域内有6个预测的ORF.     

水稻籼粳杂种不育基因座Sc的遗传图

杂种不育是水稻籼粳亚种间杂种优势利用的主要障碍. 为了克隆1个籼粳杂种不育基因Sc, 利用分子标记和近等基因系杂交产生的F2群体对Sc座位进行了精细定位. 初步的连锁分析结果表明, Sc座位与第3染色体的4个分子标记以RM218-RG369-Sc-RG227-RG391的关系连锁, 其中RG227与Sc座位之间的遗传距离为0.07 cM. 用RG227为起始探针筛选籼稻的TAC基因组文库, 并通过染色体步移构建了一个覆盖Sc座位的跨度约320 kb的克隆重叠群. 对可能覆盖Sc的2个TAC克隆M45E14和M90J01进行了部分测序. 用TAC克隆序列和RG227序列搜索水稻基因组序列数据库, 锚定了粳稻BAC克隆OSJNBb0078P24(148 kb)序列. 通过比较TAC和BAC克隆的序列, 在Sc座位区域发展了6个新的基于PCR的标记. 用这些标记进一步把Sc座位定位在一个约46 kb的区域内. 从定位结果推测该BAC克隆和TAC克隆M45E14包含Sc基因. 基因预测分析显示, 在此46 kb区域内有6个预测的ORF.     

重复水稻特定染色体片段的研究

重复特定染色体片段或基因座,特别是重复数量性状基因和复等位基因的基因座。对于固定杂种优势、提高作物抗性水平、培育高产品种是有重要意义的。     

序列比较分析揭示水稻Pms1区段基因组的快速进化

以前的研究将水稻光敏核不育位点Pms1定位在第7染色体上.本研究对来源于定位亲本(明恢63和农垦58)的两个BAC克隆进行比较测序,以鉴定Pms1的候选基因;并通过对两个克隆的注释和比较得到5个候选基因,以进行进一步的功能检验.将这两个亲本的基因组序列与公共数据库里的日本晴和93-11比较分析,结果显示,该区段4个亲本在序列组成上存在巨大差异,这种差异主要归咎于活性反转座成分造成的基因组新近增长和变异;亚种内和亚种间以Indel或者SNP的形式存在高度的多态性.利用反转座成分的两个长末端重复进行分析发现,它们的替换速率比已有的报道要高得多.该结果证明,在自然和人工选择的共同作用下,Pms1区段正处于快速的基因组进化过程中.     

变异显著的茄子无性杂种

米丘林学说指出:植物进行嫁接时,由于砧木和接穗流质的相互影响,可以产生无性杂种。为了进一步探讨无性杂交的内在规律起见,我们从1957年起,开始进行茄子品种间的无性杂交试验。1959年获得了杂种第一代植株,在很多方面表现了相当显著的变异。杂种植株不但综合了二亲本的特性,还出现了一些新的性状。在果实方面并表现有巨大的杂种优势。     

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.     

籼型杂种雄性不育水稻9814HS-1的育性与遗传分析

杂种雄性不育系是培育多系法杂交稻理想的遗传工具;杂种雄性不育性一般发生在水稻种间或亚种间,而鲜见于亚种内的品种间.本文报道了一份籼籼交杂种雄性不育系9814HS-1.田间观察结果显示, 9814HS-1在长沙10月初起或三亚3月中旬前抽穗则花粉彻底败育,结实率为0.00%,而同期抽穗的双亲T98B和M114B的育性正常.分子标记分析发现T98B和M114B的籼稻基因型频率分别达到了0.94和1.00;进一步分析注意到,它们与8个籼稻品种杂交的F_1株系结实全部正常,结实率达到了80.35%～91.87%,而与4个粳稻品种的杂交后代均高度不育,表明9814HS-1的双亲都具有籼稻属性.测恢试验发现, 9814HS-1的育性能被所测验的6个籼稻品种全部恢复(结实率达到了85.24%～93.21%),表明9814HS-1具有"三交种"育种利用潜力.遗传分析显示, T98B和M114B的正反交F_2和BC_1F_1群体中不育株与可育株的理论分离比都为1:3,推断9814HS-1的育性受两个非等位的杂合态核基因互作所控制.籼型杂种雄性不育系9814HS-1的发现为重新认识水稻生殖障碍提供了启示,对于建立杂种优势利用新途径具有重要意义.     

云南陆稻品种籼粳分化与遗传变异

利用34个籼粳特异插入缺失(insertion/deletion,InDel)分子标记和24个SSR分子标记对云南113个陆稻品种的籼粳分化与遗传变异进行分析.InDel分子标记鉴定结果表明,云南陆稻以粳稻(粳型、偏粳型)品种为主,占总品种的83.2%.聚类结果显示,云南陆稻品种明显聚为4大类群(籼型、偏籼型、粳型、偏粳型),支持InDel分子标记鉴定结果.重新将云南陆稻品种的种植区域划分为2个:(1)海拔1250m以下为籼粳稻混合种植区;(2)海拔1250m以上为粳稻种植区.SSR遗传多样性分析结果表明,云南陆稻籼粳亚种间遗传多样性均很丰富,籼稻品种的遗传多样性高于粳稻品种且差异显著.分子方差分析显示,云南陆稻遗传变异主要来自亚种内(占总变异81%),亚种间遗传变异占19%.不同地区间陆稻种质资源遗传多样性比较分析表明,滇西南与滇南地区存在丰富的遗传变异,是云南陆稻品种遗传多样性的分布中心.半山云雾多湿区作为云南陆稻品种的传统种植区域,保留大量的遗传变异与稻种资源,是开展陆稻种质资源保护、利用的核心区域.     

序列比较分析揭示水稻Pms1区段的基因组快速进化

前人研究将水稻光敏核不育位点Pms1定位在第七染色体上. 本研究对来源于定位亲本(明恢63和农垦58)的两个BAC克隆进行比较测序来鉴定Pms1的候选基因, 通过对两个克隆的注释和比较分析我们得到五个候选基因以进行进一步的功能检验. 我们还将这两个亲本的基因组序列与公共数据库里的日本晴和93-11的进行了比较分析. 分析表明, 该区段四个亲本在序列组成上存在巨大差异, 这种差异主要归咎于活性反转座成分造成的基因组新近增长和变异; 亚种内和亚种间以Indel或者SNP的形式存在高度的多态性. 利用反转座成分的两个长末端重复进行分析发现它们的替换速率比已有文献报道要高得多. 该结果证明在自然和人工选择的共同作用下, Pms1区段正处于快速的基因组进化过程中.     

中国杂交粳稻发展与展望

本文回顾了我国杂交粳稻育种发展历程,包括滇型、BT型不育系的发现、利用以及"籼粳架桥"方法选育配合力强的C57,C418等杂交粳稻恢复系的过程.同时,针对近年来杂交粳稻制种产量提高以及杂种优势利用等关键性技术研究进展做了以下总结:(1)提高柱头外露率、柱头活力,提升制种产量.柱头外露率同颖花长宽比、柱头长度以及柱头张角呈显著相关性,针对柱头外露率的遗传学研究以及分子标记辅助选择已取得一定进展.(2)开展粳稻优势群及配组模式研究促进杂交粳稻优势利用.在粳稻亲本材料划分为不同优势组群的基础上,提出了籼粳互补、感温与感光互作及穗粒结构互补的优势配组模式,其注重运用籼粳亚种间优势利用、广亲和基因与恢复基因利用、叶片和根系抗衰性的利用以及大穗灌浆特性和抗倒伏特性的运用.本文为进一步促进杂交粳稻选育和应用推广提供了技术性建议和策略.     

中国籼稻亚种内的群体结构及地理生态分化

籼稻是亚洲和世界其他一些地区广为种植的主要栽培稻亚种,同时也是我国杂交水稻恢复系的主要来源.研究籼稻亚种内的遗传结构和遗传多样性对中国栽培稻亚种内的分类和演化以及水稻杂种优势利用具有重要的理论和实践意义.本研究通过36个SSR标记对1582份籼稻地方品种的群体结构和地理生态分化进行了分析.结果表明,利用分子标记所做基于模型和基于遗传距离的群体结构表现一致,即早籼稻生态型可划分为4个地理生态群,中间型生态型可划分为3个地理生态群,晚籼稻生态型可划分为2个地理生态群.当地的生态环境和空间隔离是形成地理分化的主要原因.地理生态群既体现了品种间的遗传差异又是对不同生态环境适应的反映,可用于籼稻亚种内杂种优势群划分的依据.根据SSR标记在各个生态型及地理生态群的基因型分布,筛选了可用于鉴别各生态型和地理生态群的SSR特征等位变异并建立了相应的SSR分子判别式.通过SSR分子判别式选择籼稻的中间类型开展籼粳杂种优势研究以及选择不同地理生态类型开展籼稻亚种内杂种优势研究,有助于突破籼粳杂种优势利用的障碍和加强籼稻亚种内杂种优势利用.     

籼稻(Oryza Sativa ssp. indica)全基因组框架序列

水稻基因组序列中蕴藏着生理、遗传、发育、进化和与重要经济性状相关的许多生物学信息. 籼稻亚种Oryza Sativa ssp. indica在中国和亚洲其他地方广泛种植. 通过全基因组霰弹法, 得到了这一亚种的基因组框架序列. 共完成430万个成功反应, 总读长为2214.9 Mb, 其中籼稻亚种93-11的成功反应有330万个, 总读长1797.4 Mb, 初步拼接得到了409.76 Mb的非冗余序列, 大约覆盖了水稻全基因组的95.29%, 碱基准确率大于99%. 通过与公共数据库中籼稻indica和粳稻japonica亚种的BAC克隆比较, 证实了基因组框架图的覆盖率、序列分布的随机性和拼接软件BIG-ASSEMBLER的准确性. 在框架图中, 鉴定了96.3%的全长cDNA, 96.4%的遗传标记(STS, STR, RFLP), 94.0%的EST和94.9%的单基因簇(unigene). 初步分析表明, 该框架序列已经达到了国际同行所认同的标准. 框架图的公布无疑为水稻生物学研究提供了基因组学和遗传学方面的基本信息.     

不对称体细胞杂交转移疣粒野生稻对水稻白叶枯病的抗性

疣粒野生稻(O. meyeriana (Zoll. etMor. exSteud.))对水稻白叶枯病具有高度的抗病性, 为转移这种抗病性, 进行了栽培稻+疣粒野生稻不对称体细胞杂交. 以软X射线处理过的疣粒野生稻原生质体作供体, 来源于栽培稻品种02428的原生质体经碘乙酰胺(IOA)失活后作受体, 采用PEG法诱导二者的原生质体融合. 由于代谢功能互补, 融合物经培养后得到623块愈伤组织, 最终分化出72株再生植株. 这些融合植株形态上与栽培稻接近, 采用微卫星分子标记进行了杂种鉴定. 细胞学分析表明, 融合杂种根尖细胞染色体数目在27~38条之间变化. 在成株期对融合植株进行了白叶枯病接种鉴定, 结果显示疣粒野生稻对水稻白叶枯病的抗性成功地转移到栽培稻中.     

水稻阶段性返白突变体的鉴定和候选基因分析

从粳稻品种中花11 的后代中发现了一个叶色突变体sgra, 该突变体幼苗期叶色正常, 而6~8 叶期以后新生叶白化, 随后白化叶转绿. 突变体的遗传分析表明, 该突变体表型受1 对隐性核基因控制. 利用籼粳杂交F2群体对突变位点进行了基因定位, 将其定位于水稻第11 染色体的2 个标记ID343-11 和PSM415 之间, 遗传距离分别为0.9 和1.0 cM. 随后, 利用已公布的水稻序列和SSR标记, 在两标记间发展了9 对新的标记, 进一步将SGRA基因定位在IDM-2 和RM26739 之间, 物理距离约为17.6 kb. 对野生型和突变体候选区段基因组DNA 测序分析表明, 候选基因编码一个ABC 转运蛋白.