【毕业学位论文】（Word原稿）粳稻穗型分类及稻米品质比较分析作物遗传育种硕士论文

密级： 论文编号 : 中国农业科学院 学位论文 粳稻穗型分类及稻米品质比较分析 摘 要 摘要：研究选用 36 个近年来山东省种植、引进的粳稻品种 ,通过聚类分析的方法对其穗型进行分类 ,同时根据不同穗型以及穗的不同部位的米质进行方差比较分析。结果如下 : 山东省 36 个粳稻品种进行穗部性状分析，结果表明： 36 个品种可分为紧穗型、中 间 穗型和散穗型三类。在穗部性状中，三类品种穗重平均数、实粒数平均数、一次枝梗数平均数、二次枝梗数平均 数以及穗颈节直径平均数之间，差异明显。逐步判别分析筛选出的实粒数、一次枝梗数数、二次枝梗数和稻粒长 /宽对穗型判别具有显著贡献，利用这些性状建立的判别函数能够对穗型进行有效判别。 2条染色体上具有丰富多态性的 28对 6个水稻品种 (包括三大类型 )进行 检测到 76个等位基因变异，每一个位点上检测到的等位变异数为 2均为 据扩增结果可以将 36个品种相互区分。平均为 传相似性变化 较大。根据 试品种大多数可聚为三大类群，利用 利用水稻穗部性状进行聚类，在亚类水平上，有一定程度的吻合。遗传距离矩阵和形态性状的欧氏距离矩阵的相关性分析表明，二者存在显著的相关性。 间 穗型和散穗型之间，各项米质指标没有明显差异。紧穗型与中间穗型和散穗型之间，精米率、整精米率、以及垩白度在 平上，差异明显。中间穗型和散穗型优于紧穗型。 的三个不同部位中，加工品质的三项指标，顶 部优于中部，中部优于下部。参试品种的外观米质指标中，垩白米率、垩白度差异不显著，但表现为顶部中部下部；长 /宽部位之间差异较小。碱消值中部顶部下部， 相互 之间差异不显著；直链淀粉含量顶部中部下部；胶稠度顶部中部下部，并且顶部和中部与下部差异极显著。 关键词：粳稻，穗型，聚类分析， 米品质 6 in by to of by of as of 36 of of of of to of 2. SR to NA 6 of up at 6 on SR S an 6 be it on of of no in At As a to of of of of of As to a of of of of at 缩略词 英文缩写 英文全称 中文名称 差分析 链淀粉含量 增片段多态性分析 米率 白米 率 稠度 化温度 精米率 L/W /宽 米率 制性片段长度多态性 单序列重复 单序列长度多态性 列特性扩增区域 列标签位点 目 录 摘 要 . I . 略词 . 一章 文献综述 . 1 . 1 型概念的发展及其遗传基础 . 1 物分类的标记类型 . 2 部形态标记与穗型分类 . 6 记在植物分类中的应用 . 7 . 8 部性状与稻米品质 . 8 型与稻米品质 . 8 同穗位与稻米品质 . 9 题的提出 . 10 第二章 粳稻穗型的分类与穗部性状的比较研究 . 11 料和方法 . 11 验材料 . 11 验方法 . 11 . 11 型分类过程（ ） . 11 型分类过程（ ） . 15 种分类结果比较 . 15 . 15 部性状相关性分析 . 16 同穗型性状比较 . 16 . 18 部性状逐步筛选 . 18 别函数建立 . 19 第三章 利用 稻分类 与穗型的关系 . 20 料和方法 . 20 稻材料 . 20 取 . 20 卫星标记检测 . 21 据处理 . 22 果与分析 . 23 种的 型特点 . 23 传差异 . 23 类分析 . 24 氏距离矩阵和遗传距离矩阵之间的相关分析 . 24 第四章 不同粳稻穗型与稻穗不同部位的米质比较研究 . 26 料与方法 . 26 验材料 . 26 验方法 . 26 据处理 . 27 果与分析 . 27 同穗型的米质比较 . 27 的不同部分米质比较 . 28 第五章 讨论与展望 . 32 . 32 . 33 . 33 参考文献 . 35 致 谢 . 39 作者简历 . 40 几年来参与发表的部分论文 . 41 中国农科院硕士论文 第一章 文献综述 1 第一章 文献综述 水稻是我国主要的粮食作物，全国有一半人口以稻米为主食，因此水稻产量的提高是多年来国家解决人民温饱问题的重要举措。 20世纪五六十年代，我国通过半矮秆高产品种的选育和应用实现了水稻单产的第一次飞跃，七八十年代又成功实现了杂交水稻配套 和 杂交水稻的大面积推广，我国水稻单产从原来的 2吨 /公顷提高到 6吨 /公顷，水稻总产量 有了历史性突破，促进我国实现了粮食的自给自足。 近几年，我国在水稻育种发展迅速，并取得了举世瞩目的成就。尤其在水稻株型育种方面，更是有目共睹。继对水稻茎、叶、根等株型指标研究之后，对其穗部性状的研究已成为株型理论研究的重点。与此同时，我国的水稻稻米品质研究已经到了重点攻关阶段。目前，如何有效提高我国稻米品质，增强我国大米在国际市场竞争力，也是育种工作者所要解决一个问题和难题。 穗是水稻产量的最终表达部位，历来也是国内外科研工作者研究的重要内容。过去的研究主要集中在水稻穗部性状与产量的关系上，而在穗型分类以及 穗型分类指标方面的研究，文献报道较少。同时，在水稻穗部性状与大米品质的的关系上，也主要集中在单一穗部性状与稻米单项指标上，而在穗型与大米品质整体关系方面，还有待于进一步深入研究（孙成明， 2001）。因此，加强对穗型分类以及穗与米质关系方面的研究，不仅对水稻株型育种有着重要的意义，而且对加快稻米品质改良进程，也有着重要的促进作用。 型分类 型概念的发展及其遗传基础 穗型是水稻的重要形态特征之一，与水稻产量水平和群体结构状况均有着密切的联系，因而穗型问题一直是水稻理想株型育种和栽培研究关注的 焦点（杨守仁， 1996；陈温福， 2001）。有关穗型的研究，最早是在株型研究的基础上发展起来的。从 （ 1923）提出通过适当杂交的方法得到产量因素的最佳组合，到角田重三郎提出的理想株型（闵绍楷等， 1989），以及二十世纪六七十年代 议的“ 乃玲， 1979）”和日本的松岛省三从栽培角度来培育“理想型稻”，（庞诚译， 1981）对穗的描述，从不同角度，都有所提及。 多年来， 在水稻超高产育种及超高产栽培实践中 ,穗型的研究也 愈来愈被国内外专家学者所重视。我国学者杨 守仁 （ 1982） 提出理想株型与 杂种 优势利用 相 结合，强调偏矮秆与偏大穗相结合、上部叶片直立与稻穗直立。 1996） 提出的少蘖大穗模式，主要强调分蘖少、穗型大 (每穗 200 250粒 )。黄耀祥 （ 1983） 提出 “ 半矮秆丛生快长超高产株型模式 ” ，强调前期的早生快发。周开达 （ 1998） 提出重穗型超高产模式，强调单穗重 5隆平 （ 1997） 根据杂交水稻的成功经验提出了形态改良和杂种优势利用相结合的超高产育种模式。 在这些研究中，穗型及穗部性状的有关问题，被阐述的更加具体。 中国农科院硕士论文 第一章 文献综述 2 对于株型和理想株型的理解，一般认为 ，株型 (指与作物品种产量能力有关的一组特征 (吉田， 1972)或植物体在空间的排列方式 (角田， 1975)，即长势长相。理想株型 (称为理想型 (指由有利植株光合作用、生长发育和籽粒产量的性状所组成的理想化株型，它能最大限度地提高群体光能利用率，增加生物学产量和提高经济系数等。 近年来，许多学者在 株型划分中有不少是根据穗型提出的，如根据 穗的弯曲程度 可分为直立穗型、半直立穗型和弯曲穗型 ； 根据剑叶与穗子的相对位置可分为禾上穗型和禾下穗型 ； 根 据产量构成因素分为穗数型、穗重型和穗粒兼顾型等 （徐正进， 1996；陈温福等， 2001）。由此，穗型在株型的研究基础上，概念愈来愈明朗化了。穗部性状和穗型也继对水稻茎、叶、根等株型指标研究之后，成为株型理论研究的重点。 由于水稻穗型的划分方法不同，对于穗型的遗传基础的研究，不同学者也有不同的见解。近年来，水稻穗的直立性问题引起了人们的重视，有关直立穗型水稻生理生态遗传育种方面的研究也时有报道。然而，对直立穗型的出现，人们的看法并不一致，某些具体研究结论甚至有较大差异。就水稻穗型遗传来说，在为数不多的研究当中， 早年朱立宏等 (1979)在研究水稻落粒性遗传时发现，直立密穗相对于弯曲散穗是一种隐性性状，受单一的核隐性基因控制。而近年徐正进、张文忠 (1995， 2001)等的研究则表明，直立穗型对弯曲穗型是一种显性或加性性状，受 1对核主基因或 1对加性主基因及其他基因控制。二者研究结论的不同除了性状显隐性的差异外，还在于前者认为直立穗型是受单一的核基因控制，后者则认为直立穗型是受 1 对主基因及 1 2 对或多对微效基因的控制。这可能是由于使用的材料和方法不同造成的。二者的相同之处是都发现了穗型基因的多效性，前者发现穗型基因对落粒 性同时起作用；后者发现穗型基因与株高基因连锁或属同一基因。 最近的结果认为直立穗型是由 1对显性主效基因控制的质量性状，同时还受微效基因的影响，与茎秆粗、株高特别是上部节间长有密切关系，是紧密连锁还是一因多效则有待进一步研究（陈温福， 2005）。 物分类的标记类型 形态标记： 长期以来，植物育种中选择都是基于植株的 形态标记 进行的 。 形态标记即植物的外部形态特征 ， 主要包括肉眼可见的外部特征，如：矮秆、紫鞘、卷叶等；也包括色素、生理特性、生殖特性、抗病虫性等有关的一些特性。当性状的遗传基础较为简单或即使较 为复杂但表现加性基因遗传效应时，表型选择是有效的。但水稻的许多重要农艺性状为数量性状，如产量等；或多基因控制的质量性状，如抗性等；或表型难以准确鉴定的性状，如根系活力等。此时根据表型提供的对性状遗传潜力的度量是不确切的，因而选择是低效的。形态标记简单直观、经济方便；但其数量在多数植物中是很有限的，且多态性较差，表现易受环境影响，并且有一些标记与不良性状连锁。因而利用受到很大限制。 细胞学标记即植物细胞染色体的变异。包括染色体核型（染色体数目、结构、随体有无、着中国农科院硕士论文 第一章 文献综述 3 丝粒位置等）和带型（ 变化。 与形态标记相比，细胞学标记的优点是能进行一些重要基因的染色体或染色体区域定位。但细胞学标记材料需要花费较大的人力和较长时间来培育，难度很大；同时某些物种对染色体变异反应敏感；还有些变异难以用细胞学方法进行检测。因此到目前为止，真正应用于作物遗传育种研究中的细胞学标记还很少。 生化标记主要包括同工酶和等位酶标记。同工酶是指一个以上基因座位编码的酶的不同形式，而等位酶是指由一个基因座位的不同等位基因编码的酶的不同分子形式。分析方法是从植物组织的蛋白粗提物中通过电泳和组织化学染色法将酶的多种形式转变成肉眼可辩的酶 谱带型。与形态标记、细胞学标记相比，生化标记具两个方面的优点：一是表现近中性，对植物经济性状一般没有大的不良影响；二是直接反映了基因产物差异，受环境影响较小。但目前可使用的生化标记数量还相当有限，且有些酶的染色方法和电泳技术有一定难度，因此其实际应用受到一定限制。 分子标记或称 记（ 质上是指能反映生物个体或种群基因组中某种差异特征的 即基因型在 何组织器官，甚至细胞作检测，数量极多，遍及整个基因组，多态 性高，遗传稳定，不受环境及基因表达与否的限制。近年来， 随着基因组研究的不断深入，分子标记的研究和应用也得到迅猛的发展。分子标记大致可分为三类：第一类是以分子杂交技术为基础的标记，如限制性片段长度多态性（ 称 of 变数目串联重复位点） 等。第二类是基于聚合酶链式反应（ 简称 础上发 展起来的标记，包括随机扩增多态性 称 简单序列重复标记（ 称 列特性扩增区域）、 序列标签位点（ 称 。第三类是基于限制性酶切和 括扩增片段长度多态性标记（ 称 酶切扩增序列多态性（ 称 。 （ 1） 基于分子杂交的 记 最初发现并应用于图谱构建和基因定位的分子标记， 记的基本原理是利用限制性内切酶识别并切割基因组 于生物个体种群间酶切位点的差异，得到长短、数目不同的限制性片段，这些片段经凝胶电泳分离后，呈现不同的带状分布，通过与克隆的 可产生和获得反映 生物个体或群体特异的 是识别位点间发生碱基的互换、突变、插入、重排或缺失等变化导致限制性片段数目和长度的变异。由于 以 数量很大（洪国藩， 1999）。常用的 记探针主要来源于随机的基因组克隆（ 称 操作繁琐， 又需要昂贵的生化试剂，花费大，但由于其 重复性好，检测多态性高且相当可靠，又 为共显性标记，所以它一直是分子图谱构建和基因定位等研究中的基础性标记。 中国农科院硕士论文 第一章 文献综述 4 （ 2） 基于 记 段的变性 延伸循环反应： 变性：以微量的 高温变性条件下，双链解成单链。 复性：在复性温度下，寡核苷酸引物与单链 的互补碱基结合。 延伸：在延伸温度下，经聚合酶的作用，以引物为起始合成互补的 。经过多次循环，当一对引物结合部位间的距离在一定范围内时，能扩增出若干以引物序列为两端的 于不同生物个体基因组 致寡核苷酸引物结 合部位的序列改变，或者一对引物相邻两个结合部位之间发生插入、缺失或其它重新排列，则同一对引物扩增产物的长度发生变异，因此， 仅需微量 而较好地解决了 通常是指用一个随机的 10 个核苷酸的引物，在较低复性温度的条件下，扩增两端均为该引物序列的若干片段 ，然后用凝胶电泳分开扩增片段。 990； ， 1990），基因型分析 不需 针，设计引物也不需要知道序列信息；技术简单， 析不涉及 交、放射自显影或其它技术；不象 析， 析只需少量 一个引物就可扩增出许多片段 ， 检测多态性快；成本较低，因为随机引物可在公司买到，其价格不高 。 稳定， 重 现 性 差 ， 可靠性 不太高 ， 因为在 此外， 法 鉴别杂合子和纯合子 ，因此 不能提供完整的信息。 原理与 意引物引导的 记。 般为 5核苷酸，因而与模板 机结合的位点更多，况且 只有两个温度循环（在 并且往往用聚丙烯酰胺凝胶电泳，会产生非常复杂的带型 ，由于 增的 带多，检测多态性的能力更强，但因为所用引物短， 定性比 低。 常为 18核苷酸，稳定性比 揭示多态性的能力比 重复序列 (真核生物和绝大部分原核生物中广泛存在，分为三大类：简单重复序列 (微卫星 (如 (n；复杂重复序列 (如转座元件 (数学上定义的 重复序列 (e 在生物学上研究的主要是前两种重复序列。指在生物基因组中存在一个或几个碱基可变次数的串联重复序列 ( 不过在不同的文献中对重复次数及重复单元长度的定义不尽一致。如 (2000)定义的 1单核苷酸、二核苷酸、三核苷酸、四核苷酸、五核苷酸重复单元的重复次数分别不少于 7、 5、 4 和 4 次。 (2003)则对中国农科院硕士论文 第一章 文献综述 5 - 6个碱基，且单核苷酸、二核苷酸、三核苷酸、四核苷酸、五核苷酸和六核苷酸的重复分别不少于 6、 4、 3、 3和 2次。 记是在 术基础上发展起来的，由于 稳定性较差，为了提高 记的稳定性，先对基因组 后将目标 据段两端序列设计特定引物（ 一般比 物长 ，通常 18以此引物对基因组 而鉴别原 1993)。全互补，在严谨的条件下扩增，结果稳定性好，可重复性强 ， 且一般呈 共显性遗传。 （ 3） 基于限制性酶切和 现，并由 1995）。 其基本原理是对基因组 制性酶切片段进行选择性扩增。选用一种多切点限制性内切酶和一种寡切点限制性内切酶，同时酶解基因组 链酶切片段的粘 性末端接上人工接头，作为 板。引物的结合部位是接头以及与之相连的酶切片段中的几个碱基序列。因此，引物由三部分组成： 核心碱基序列，它与人工接头互补。 限制性内切酶识别序列。 引物 3 端的 2或 3个选择性碱基。只有那些两端序列能与选择性碱基配对的限制性片段才能被扩增。由于接头和引物是人工合成的，因此，不需要在事先知道 以扩增酶切片段；应用选择性碱基，则可将一次扩增控制在 50 具有 有 性。 测快速，通用性强，因此被认为是目前一种十分理想、有效的分子标记（郑敏和罗玉萍， 1999；王志林等， 2001）。据报道 水稻 基因组分布又较随机（ ， 1996； ,1997； ， 1998）；短短几年内，已应用于水稻遗传变异性分析、框架图谱构建和基因定位等各个领域（ ， 1996； 1997； 1997； 1998； 1998）。不过， 条带的有无记录，是一种显性标记；每次扩增获得大量长度不一的片段，各个标记一般是根据当次实验的引物编号和多态性片段的相对长度命名，在不同群体之间、不同实验室之间缺乏良好的可比性；也有人认为， 且试验费用也很高（奇向辉等， 2003） 。因此，应用 记 : 实质上是 其基本步骤是：先进行增，然后将 增产物用限制性内切酶酶切，再用琼脂糖凝胶 电泳将 段分开。 当扩增片段进行酶切 ， 从而增加了检测多态性的机会， ， 1993）。 中国农科院硕士论文 第一章 文献综述 6 （ 4） 基于 单 个 核苷酸多态性 的 记技术是研究同一物种不同个体间染色体上单个碱基的变化，主要表现为基因组核苷酸水平上的变异引起的 括单碱基的转换、颠换以及单碱基的插入或缺失等。 继 后的又一种新的分 子标记。 记即直接测定某特定区域的核苷酸序列将其与相关基因组中对应区域的核苷酸序列进行比较，由此可以检测单个核苷酸的差异。 大多数基因组中数量丰富，可以借助 片技术进行自动化检测，因此， 有广阔的应用前景。 部形态标记与穗型分类 早在 60 年代初，殷宏章等在稻麦群体研究中就注意到穗对群体光能利用的影响，提出小麦穗相对直立，不但有利于自身的光合作用，而且其遮光面积小，也有利于其他器官的光合作用。水稻灌浆中后期消光系数升高可能与穗逐渐弯垂有关。后来有一些报道也支持上述观点。但也 有人认为穗弯曲、剑叶直立伸出穗层以上的 禾下穗 比较有利，因为这样可以避免后期穗遮蔽冠层对群体光能利用的不利影响。日本的松岛省三对 理想稻一再提出看法，他认为理想稻除了矮秆外，还要 多穗、短穗。沈阳农学院在 60年代初就开始致力于大穗的研究，并在 70年代初提出了株型在光能利用上的重要性以及矮秆大穗的增产潜力。 穗部性状如穗长、穗重、千粒重、穗粒数、粒型、和枝梗数等，在产量构成中占有重要的地位，因此，在以往的研究中，往往被作为产量性状来研究。水稻穗型与多个穗部性状相关，一直以来，不同学者在穗型研究中，由于研 究目的及方向不同，选取的性状也有所差异。 罗利军等（ 2002）选取了在成熟期调查分枝形状、第一次枝梗角度和着粒密度三个性状 , 划分了散、中间和紧三种穗形；唐保军等（ 2000）根据穗重和穗长，将水稻穗分为 多穗型 、中穗型和穗重型。 1982）按照二次枝梗上的小穗在穗轴上的节位分布，将水稻品种分为 5种类型：二次枝梗上的小穗数基部多的穗型，是下位优势穗型；二次枝梗上的小穗数顶部多的穗型，是上位优势穗型；二次枝梗上的小穗数中部多的穗型，是中位优势穗型；穗型介于穗型和穗型之间，是偏下位优势 穗型；穗型介于穗型和穗型之间，是偏上位优势穗型。 徐正进等（ 1992； 1996， 2005）曾根据穗颈弯曲度（剑叶到穗尖的连线与茎杆延长线的夹角）将水稻穗划分 为直立穗型、半直立穗型和弯曲穗型 ，但也指出，穗在群体中的相对位置除了颈穗本身的弯曲度外，还与剑叶长、剑叶角度、穗颈长 和 穗长等因素有关；并在多年研究的基础上， 提出了水稻理想穗型的概念 , 分析了水稻理想穗型设计的原理 ,初步建立了辽宁水稻理想穗型参数 :穗长 2维管束数和一次枝梗数 15个/穗 , 一次枝梗粒数 80粒 /穗 ,二次枝梗籽粒偏向穗轴中上部分布 , 穗型指数 穗型的形成有多种因素，除了穗部性状以外，环境条件以及栽培措施对穗型都有影响。近年来，在水稻穗部性状的研究中，也有人尝试引入一些新的性状和新的方法，对穗型进行分类。如贾宝艳等（ 2004）选取了穗颈角、穗长、一次枝梗、二次枝梗数、谷形、成粒率、着粒