转移远缘物种基因组DNA创新水稻种质及分子机理研究

【摘要】利用远缘物种创新种质是植物遗传育种的前沿方向。外源DNA直接导入受体植物技术是我国科学家发明、倡导的遗传操作方法。前人将远缘物种基因组DNA转移到各种受体植物中,创制出了丰富的变异材料,实现了对受体农艺性状的综合改良。但由于其中蕴藏的分子机制,特别是变异系表型和基因型变异的全貌、外源特异DNA片段的转移和整合,及性状变异的分子机理等迄今尚不清楚,行内对此途径创新种质存在居多困惑与质疑。本文开展了“穗茎注射法”(Spike-stalkinjectionmethod,SIM)创新水稻(Oryza.sativaL.)种质,其遗传分离规律及相关分子机理的研究。尝试将不同远缘物种基因组DNA导入到不同受体水稻亲本材料中创造水稻变异新种质,并对低世代变异系的遗传分离规律及高世代变异系中外源DNA导入相关分子机理进行了研究,主要内容如下：1.采用“穗茎注射法”,将高粱、玉米、稗草、拟南芥和不同野生稻等基因组DNA分别导入到受体水稻9311和RH78中,得到了一批株高、产量性状和叶片等性状得到显著改良的变异材料,变异率约为0.7%o-4.4%o;SSR(simplesequencerepeat)和indel(insertionanddeletion)标记分析变异单株与供受体之间的遗传多样性发现：变异与受体之间的遗传多样性为0.88%-32.93%、且外源DNA导入过程中存在“突变热点’’(mutationhotspot)现象；2.通过对D1代变异单株ERV1及其受体水稻RH78的全基因组深度重测序,ERV1自交D2代群体216个株系的RAD(Restriction-siteassociatedDNAtags)测序及产量相关性状的QTL(quantitativetraitlocus)关联分析和比较基因组分析发现：(1)相对于受体RH78,ERV1千粒重,每穗粒数和结实率显著增加；(2)相对于受体基因组,在ERV1中共检测到5,518个纯合的SNPs和449,726个杂合SNPs,且这些SNPs位点在染色体上的分布是不均匀的；(3)在ERV17,325个基因的编码区(codingsequenceregion,CDS)共检测到14,955个非同义SNP(non-synonymousSNPs)突变；(4)共定位到13个与抽穗期,株高,主穗穗长,有效分蘖数,结实率,百粒重有显著关联性的基因或QTLs区间,这些区间的表型贡献率约4.8%-10.5%；(5)D2代群体中216个株系的平均基因组纯合度为88.2%,约50%的株系纯合度达到90%以上,平均基因组杂合度为1.57×104；3.高世代稳定变异系YVB及其受体水稻V20B之间的性状调查及比较分析发现：V20B和YVB在形态和生理生化上存在极显著的差异,特别是YVB稻米品质性状得到明显改良；通过YVB,V20B和小粒野生稻的全基因组测序及比较基因组分析,在YVB和V20B之间检测到大量的遗传变异,包括310,500个单核苷酸多态性(single-nucleotidepolymorphisms,SNPs,44,305个小片段插入缺失(smallindels)和7,771个结构变异(structurevariations,SVs),同时,在YVB基因组上筛选并验证12个来源于供体小粒野生稻不同大小的特异片段或基因；通过对YVB×V20BBC1F5群体100个株系品质相关性状的QTLs关联分析,初步证明了Wx和DEP1基因序列的变异是YVB中胶稠度和粒长性状变异的关键基因,另外,在5号染色体4.3-5.1CM范围内定位到一个LOD值较高的QTL区间,该区间同时与千粒重、粒宽、整精重和平均垩白面积显著相关,存在明显的“一因多效”效应,该区间内已经克隆的GS5或GW5基因序列的变异可以解释YVB中米质性状的变异。
【作者】胡远艺；
【导师】袁隆平；赵炳然；
【作者基本信息】中南大学，植物学，2014，博士
【关键词】外源DNA导入；种质创新；表型变异；遗传变异；分子机理；基因组测序；比较基因组学分析；

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