粳稻粒型相关性状全基因组关联分析及候选基因挖掘

为了促进优质粒型粳稻品种的培育,以295份国内外收集的粳稻品种组成的自然群体为试验材料,对2018-2019年粒长、粒宽、粒厚、长宽比和千粒质量等5个粒型相关性状进行表型分析,结合重测序获得的788,396个多态性SNP,利用TASSEL 5.0的MLM模型进行全基因组关联分析,针对2 a间共同检测到的且控制多个粒型相关性状的QTL区间内所有基因进行单倍型分析,结合前人研究结果和基因功能注释挖掘水稻优质粒型候选基因。结果表明,5个粒型相关性状均存在着广泛的表型变异,且均呈近似正态分布,粒型相关性状之间大多呈显著或极显著相关,在P≤5.46×10^(-6)阈值条件下,共检测到221个与水稻粒型相关性状显著关联的QTL,在水稻的12条染色体上均有分布,表型贡献率为8.62%~20.73%,其中,2018,2019年共同检测到7个QTL。进一步针对2 a间共同检测到且同时控制多个粒型相关性状的2个QTL区间内的所有基因进行单倍型分析,结合基因功能注释推测LOC_Os12g44290为水稻粒型的新候选基因。综上,利用全基因组关联分析对295个粳稻品种的粒型相关性状进行QTL定位及候选基因分析,为优质粒型的粳稻品种培育提供了理论基础。

不同年份冷水胁迫下水稻抽穗期和产量性状的QTL分析

【目的】水稻抽穗期、结实率、千粒重和单株粒重跟产量密切相关,且受低温影响较大。在冷水胁迫下检测控制水稻抽穗期、结实率、千粒重和单株粒重的QTL,为水稻孕穗期耐冷遗传机制及分子标记辅助育种提供理论依据。【方法】以粳稻优质品种东农422和耐冷品种空育131为亲本构建的190个重组自交系解析表型变异,构建了覆盖12条染色体,155个SSR标记的遗传连锁图。连续3年在水稻孕穗期进行冷水灌溉处理,考察始穗期、齐穗期、结实率、千粒重和单株粒重5个性状,利用SPSS18.0和GGEbiplot进行表型分析,利用QTLnetwork2.0,采用逐步联合分析法定位和性状相关的QTL,用超几何函数评价QTL间的相关性。【结果】冷水胁迫下,亲本和RIL群体抽穗期推迟,结实率明显降低,千粒重和单株粒重相继降低。始穗期、齐穗期和结实率互为正相关,结实率、千粒重和单株粒重也互为正相关。共有71个加性QTL被检测到,37个跟耐冷性有关,其中单环境分析检测到28个,贡献率大于10%以上的QTL有11个,单处理联合分析共检测到10个和耐冷有关的QTL,贡献率大于10%的QTL有6个。这17个贡献率大于10%且和耐冷性有关的QTL对性状具有增效作用。多环境联合分析检测到12个QTL,平均贡献率仅为3.56%,其中5个QTL参与了环境互作。检测到的20对上位性QTL中,有2个主效QTL区间参与了上位性互作,对性状的遗传起到重要作用。QTL相关性分析表明,控制始穗期,齐穗期和结实率的QTL具有相关性,结实率的QTL也同千粒重、单株粒重的QTL相关。经图谱比较分析,研究发现的部分QTL与前人研究处于相同染色体片段上,其中,q IHD7-2、q FHD7-2、q FHD7-1和q IHD7-1是在多环境下检测到的稳定存在的QTL,同时,q IHD7-1、q IHD7-2、q FHD7-1、q SSR7-1和q SSR7-2和耐冷性有关,这些QTL位点可为水稻抗冷分子育种提供依据。【结论】冷水胁迫下,结实率分别同抽穗期、千粒重和单株粒重存在相似的遗传机制,而抽穗期和千粒重、单株穗重的遗传相互独立。相比而言,冷水胁迫下选择结实率高的品种要比选择其余3个性状困难。

外源海藻糖对碱胁迫下不同品种水稻幼苗生长及生理特性的影响

为探究外源海藻糖对碱胁迫下不同品种水稻幼苗生长及生理特性的影响,以长白10号、龙稻5号、松粳16号、吉宏6号、龙粳18号及东农425等6个不同水稻品种为材料,对其碱胁迫处理。待水稻幼苗长至三叶一心时叶面喷施海藻糖处理,海藻糖浓度分别为0、5、10、15、20 mmol·L^-1,以清水为对照,在质量百分浓度0.2%Na2CO3溶液中培养3 d,分析碱胁迫下海藻糖对不同水稻幼苗生长及生理特性的影响。结果表明,碱胁迫下,不同水稻幼苗根总长度、根数、株高、叶长、存活率均显著下降,与对照相比,长白10号分别下降34.83%、33.33%、27.30%、6.27%和12.68%;龙稻5号分别下降36.14%、31.58%、29.04%、10.08%和15.50%;松粳16号分别下降59.04%、18.75%、31.93%、10.88%和25.72%;吉宏6号分别下降63.63%、37.50%、23.29%、1.98%和12.68%;龙粳18号分别下降56.79%、38.89%、24.84%、9.15%和29.58%;东农425分别下降71.77%、62.50%、30.61%、11.46%和48.57%。不同浓度海藻糖处理后,各品种水稻幼苗根总长度、根数、株高、存活率均有所提高,丙二醛及脯氨酸含量显著下降,SOD和POD活性显著增加,可溶性蛋白含量显著增加;其中以10 mmol·L^-1海藻糖处理效果最佳。说明叶面喷施适宜浓度海藻糖可有效提高水稻幼苗耐碱能力,缓解碱胁迫对水稻幼苗伤害。

利用CRISPR/Cas9技术创制香糯型粳稻种质

为促进黑龙江优质水稻品种选育,以粳稻品种唯农208为试验材料,利用CRISPR/Cas9基因编辑技术对Badh2和Wx基因进行定点编辑。在T;代获得Badh2和Wx基因均突变纯合株系,通过气相色谱-质谱联用技术检测突变体与野生型2-AP含量,发现突变株系2-AP含量较野生型显著增加,由0.065μg·g^(-1)增加至0.410~0.504μg·g^(-1)。直链淀粉含量测定结果表明,突变株系直链淀粉含量显著降低,由17.0%下降至1.52%~1.83%,呈糯性,且农艺性状与野生型相比无显著差异。综上,利用CRISPR/Cas9技术改良粳稻品种唯农208,获得兼具香味和糯性粳稻种质,加快黑龙江优质粳稻新品种选育进程。

有色稻米B族维生素含量与种皮颜色关系研究

采用酶联免疫法测定相同环境条件下56份有色稻和33份无色稻糙米中6种B族维生素含量。结果表明,除VB7外,其他5种B族维生素含量在有色稻米和无色稻米间差异显著,有色稻米显著高于无色稻米,其含量依次为VB6>VB1>VB9>VB5>VB3>VB7;分析4种不同种皮颜色稻米6种B族维生素含量,发现VB1、VB5、VB6和VB9含量在不同种皮颜色稻米间差异显著,VB3和VB7含量在不同种皮颜色稻米间差异不显著。

水稻耐盐性QTL的meta分析及候选基因发掘

为了获得真实有效的水稻耐盐性QTL信息,并缩小QTL的置信区间以及预测区间内的候选基因。以水稻6个遗传图谱的整合结果为公共图谱,并收集344个与水稻耐盐性相关的QTL。利用Bio Mercator V4.2,在图谱整合的基础上,对一致性QTL区间的注释基因进行生物信息学分析。结果表明:共检测到46个和水稻耐盐性相关的一致性QTL,对其中8个物理距离在0.5 Mb附近的一致性QTL区间进行了物理图谱定位和候选基因分析,共有1 489个预测基因被检测到,参与了细胞合成、催化活性、水解酶活性和新陈代谢等主要功能。对一致性QTL区间内已克隆的水稻耐盐基因进行蛋白序列分析后,发现9个候选基因同已知耐盐基因的保守结构域相似,分别为OS01G0813100、OS01G0869900、OS02G0753000、OS03G0282100、OS03G0607700、OS07G0150500、OS09G0369050、OS09G0434500和OS09G0522100。研究发现的遗传距离小于0.1 c M的Mqtl两端的标记可用于分子标记辅助育种,发掘的9个和水稻耐盐基因具有高度蛋白序列相似性的注释基因,可为水稻耐盐性基因的克隆和功能验证奠定基础。

水稻发芽期和芽期耐冷性QTL定位

由耐冷品种空育131为母本、冷敏品种小白粳子为父本构建含有195个株系的重组自交系群体为材料,以发芽期相对发芽率、发芽势、平均发芽天数、发芽系数及芽期成苗率和耐冷级别为鉴定指标,结合527个Bin标记,使用QTL Icimapping 4.2进行水稻发芽期和芽期耐冷性QTL定位。结果表明,检测到7个与发芽期耐冷性相关QTL位点,分别位于第1、2、3、6、7、11号染色体上,表型贡献率为4.25(_(q)AGD2)~8.30(_(q)RGR3)。检测到3个与芽期耐冷性相关QTL位点,位于第3、7号染色体上,表型贡献率为5.82%(_(q)CTL3)~8.38%(_(q)SSR7),其中qSSR7在成苗率和耐冷级别两指标均被检测到。此外,还检测到4对上位性位点,其中1对与发芽期耐冷性相关,表型贡献率为14.26%,另有3对与芽期耐冷性相关,表型贡献率分别为4.52%~17.04%。研究为寒地粳稻耐冷遗传基础解析提供参考。

多环境下水稻株高QTL定位研究

为剖析粳稻抗旱性及株高的遗传基础,试验利用旱稻品种小白粳子和水稻品种空育131衍生的218个重组自交系群体在哈尔滨、铁力、阿城三个地点两种环境即灌溉(对照)与自然降雨(干旱胁迫)条件下检测到8个与株高性状相关的QTL。主效QTL分三类:第一类即仅在对照条件下检测到的QTL共4个,第二类QTL受干旱胁迫诱导即仅在干旱条件下检测到的QTL共3个,第三类即在对照和干旱条件下均检测出的QTL 1个。此外还检测到2个影响胁迫与对照条件下性状差值QTL。

利用CRISPR/Cas9技术敲除GS3和GS9基因改良水稻粒型性状

为促进长粒型粳稻品种的选育,以粳稻品种东富139、龙粳31和东农427为试验材料,利用CRISPR/Cas9基因编辑技术构建了pYLCRISPR/Cas9-GS3-RNA和pYLCRISPR/Cas9-GS3-GS9-RNA 2个敲除载体,通过农杆菌转化法侵染受体材料的愈伤组织,对GS3和GS9基因进行定点编辑。最终,3个品种在T_(2)都获得了GS3单基因突变、GS9单基因突变和GS3、GS9双基因突变,且无T-DNA元件的纯合植株。在成熟期对T_(2)突变体及其野生型的农艺性状进行考察分析,结果表明,与野生型相比,3个品种的gs3突变植株的粒长、千粒质量均显著增加,粒宽、结实率和穗粒数无显著变化;gs9突变体粒长显著增加,粒宽显著减少,千粒质量、结实率和穗粒数无显著变化;gs3gs9突变体粒长增加,且增幅大于gs3和gs9,同时粒宽显著减少,千粒质量显著增加,而结实率和穗粒数无显著变化。综上,利用CRISPR/Cas9技术对东富139、龙粳31和东农427等3个粳稻品种的粒型进行改良,加快了长粒型粳稻新品种的选育进程。

粳稻分蘖数全基因组关联分析及候选基因的挖掘

【目的】利用全基因组关联分析(genome-wide association study,GWAS)检测与粳稻分蘖数显著相关的SNP位点,筛选影响分蘖数的候选基因,为分子辅助育种提高产量提供理论基础。【方法】利用295份来自世界各地的粳稻品种,于2018和2019年分蘖盛期调查水稻分蘖数,结合高通量重测序获得的788396个高质量多态性SNP,利用TASSEL 5.0软件的MLM模型进行全基因组关联分析,对GEC软件计算的有效独立SNP数目进行阈值确定,判定SNP标记与目标性状关联的显著性。根据2年检测到的峰值SNP和水稻每条染色体LD衰减距离,确定2年共定位分蘖数主效QTL,并进一步提取QTL区间内所有基因外显子区非同义突变SNP和启动子区SNP进行单倍型分析,结合基因注释筛选影响粳稻分蘖数候选基因。【结果】295份粳稻品种的分蘖数在2018和2019年总趋势基本一致,并且均具有较大的表型分布。通过全基因组关联分析,在P<5.46×10^-6阈值条件下,从第8、9和10染色体上共鉴定3个与粳稻分蘖数相关的QTL(qTiller8、qTiller9和qTiller10),其中,在2年中均检测到qTiller9,在2018和2019年的表型贡献率分别为11.86%和10.61%,而qTiller8和qTiller10仅在2018年被检测到,表型贡献率分别为9.36%和9.10%。对qTiller9区间内的全部15个基因进行单倍型分析,结果表明,在qTiller9区间内共有6个基因(LOC_Os09g25090、LOC_Os09g25100、LOC_Os09g25150、LOC_Os09g25190、LOC_Os09g25200和LOC_Os09g25220)的不同单倍型分蘖数之间存在极显著差异,LOC_Os09g25090被启动子区SNP分为2种单倍型,hap2(TAA)分蘖数极显著大于hap1(AGG);LOC_Os09g25100被非同义突变SNP分为2种单倍型,hap2(GAGA)分蘖数极显著大于hap1(AGCC);LOC_Os09g25150被非同义突变SNP分为2种单倍型,hap2(ATG)分蘖数极显著大于hap1(GCC);LOC_Os09g25190被启动子区SNP分为2种单倍型,hap2(GCATCGCATCGACGCCGA)分蘖数极显著大于hap1(ATGCTGATGAAGTCATCC);LOC_Os09g25200被非同义突变SNP分为2种单倍型,hap2(TAG)分蘖数极显著大于hap1(AGA);LOC_Os09g25220被非同义突变SNP分为2种单倍型,hap1(GG)分蘖数极其显著大于hap2(AA)。结合基因注释发现,LOC_Os09g25090和LOC_Os09g25100均预测编码钙调蛋白依赖性蛋白激酶,是脱落酸(ABA)表达所必需Ca^2+的传感器,推测LOC_Os09g25090和LOC_Os09g25100为影响粳稻分蘖数的候选基因。【结论】筛选出LOC_Os09g25090和LOC_Os09g25100为影响粳稻分蘖数的候选基因。

利用籼粳交RIL群体进行水稻发芽期与芽期耐冷性QTL分析

为定位控制水稻发芽期和芽期耐冷性的QTL,探究其遗传机制,以耐冷性强的粳稻品种彩稻为母本、耐冷性弱的籼稻品种WD为父本杂交衍生的含有189个株系的重组自交系群体为试验材料,以低温胁迫下的相对发芽率、平均发芽天数、成苗率、芽期耐冷级别为鉴定指标,结合978个Bin标记,运用IciMapping 4.2对发芽期和芽期耐冷QTL进行定位分析。结果显示,检测到2对与芽期耐冷有关的上位性QTL,LOD值分别为5.70,5.55,贡献率分别为13.22%,39.87%;此外,还检测到5个与水稻发芽期耐冷相关的QTL、5个与水稻芽期耐冷相关的QTL。这些QTL位于1,3,5,8号染色体上,LOD值为2.55~7.07,表型贡献率为6.41%~17.17%。其中,qLTG3在5个发芽期耐冷性QTL中表型贡献率最高,且与芽期耐冷性相关;qCTP1-2在5个芽期耐冷性QTL中表型贡献率最高;qCTB1、qCTP1-2和qLTG8等3个QTL未见报道。研究检测到的QTL以及上位性QTL,可为后续水稻耐冷性的遗传研究以及改良提供参考。

多环境下水稻株型相关性状QTL解析

水稻株型是重要产量决定因素,通过三亚和哈尔滨连续三年表型鉴定,分析水稻分蘖数、分蘖角度和株高QTL。结果表明,三性状受环境影响较小,株高和分蘖数在不同环境下相关性显著。qPH7和qTN7-1位于同一标记区间,且在多环境中稳定表达,贡献率超过20%,是与株型连锁的主效位点。性状表型和遗传相关具有一致性,且性状表型变异主要受基因型控制,但qPH7、qPH12、qTN7-1、qTA8和qTA12具有基因×环境互作效应。结论可为水稻株型分子聚合理论提供参考及依据。

寒地粳稻发芽期和芽期的耐冷性QTL定位

为定位水稻发芽期和芽期耐冷性的加性QTL和上位性QTL,本试验以粳稻品种空育131和东农422构建的F7代重组自交系（RIL）190个家系为作图群体,利用104个SSR标记构建遗传连锁图谱,利用完备区间作图法分别对低温发芽力和芽期耐冷性进行QTL定位并分析其加性效应和上位性效应。结果检测到控制芽期耐冷性的1个加性QTL位于4号染色体上,贡献率为16.84%;17个控制低温发芽力的加性QTL分别位于第1、2、3、6、7、9、12染色体上,贡献率为5.64%~35.67%;控制芽期耐冷性的上位性QTL2对,累积贡献率19.3%;控制发芽期耐冷性的上位性QTL 33对,各性状累计贡献率介于18.35%~91.08%,分别控制第7、10、11、15天的发芽率和平均发芽天数的表达,累积贡献率分别为87.88%,87.38%,91.08%,78.68%和18.35%。上位性在水稻发芽期和芽期耐冷性遗传中作用重大,因此,在分子标记育种中加性QTL和上位性QTL是很重要的。