（作物遗传育种专业论文）江西东乡普通野生稻抗旱渗入系的构建及抗旱基因定位.pdf

摘要 随着全球水资源危机日益严峻，稻作抗旱机理的研究成为国内外研究的热点问题之一。普通 野生稻是栽培稻的祖先种，其遗传多样性远远大干栽培稻，蕴涵着栽培品种中丢失的重要基圜。 本研究以江西东乡普通野生稻为供体、栽培稻品种桂朝2 号为受体构建的野生稻基因渗入系 b g f 5 、b c 。f 6 为材料，进行了抗旱评价方法和野生稻抗旱基因定位的研究。其主要结果如下： 1 利用3 0 的p e g 溶液人工模拟干早环境，对渗入系二叶一心苗期进行抗旱鉴定，共定 位了n 个与抗旱有关的o r r l ，其中在第2 、6 和】2 染色体上发现了4 个o t l 的加性效 应值为正，即来自东乡野生稻的等位基因能使渗入系的抗旱性增强，特别是位于第1 2 染色体r m l 7 附近的q s d t l 2 2 在多次重复中均被检测到，并且在p e g 处理后l - - 8 d 能 稳定表达。通过对抗早性q t l 的动态分析，发现不同q t l 表达时间不同。 2 渗入系苗期根基粗的q t l 定位结果表明，共得到7 个根基粗的q t l 其中q b r t 6 ， q b r t l l ，q m b r t l 和q m b r t l l 的加性效应值为正，来自野生稻的等位基因能使根基粗 增加。 3 对渗入系苗期p e g 处理表现不同抗旱性的1 8 个株系进行盆栽自然干旱实验，咀检测其 在自然干旱条件下的抗旱性；发现p e g 抗旱性鉴定结果与盆栽抗旱性鉴定结果相关性 较差，并且它们与田问自然栽培条件下的根基粗测量结果相关均不显著。 4 渗入系水旱田不同栽培条件下的抗旱性分析表明，早地栽培条件下，抹高、穗实粒数、 结实率和千粒重都降低，而穗粒数基本不变；影响株高的3 个q t l ，q p h l 1 ，q p h l - 2 和q p h i 3 在水旱条件下都能稳定表达，其余性状0 t l 则水旱条件下不同；苗期抗旱性 与田间成株期抗旱性的相关分析表明，p e g 处理前两天的抗旱性与田间鉴定结果密切相 关，而盆栽自然干旱处理除与根基粗有显著的负相关外，与其他性状相关性较小。 关键词：水稻，普通野生稻，渗入系，苗期，抗旱，q t l a b s t r a c t t h es t u d yo nm e c h a n i s mo fr i c ed r o u l g h tt o l e r a n c eh a sb e c o m eo n eo fh o t s p o l si nt h ef i e l do fr i c e s c i e n c eb e c a u s eo fs e r i o u ss h o r t a g eo fw a t e rr e s o u r c ew o r l d w i d e c o m m o nw i l dr i c e ( o r y z ar u f i p o g o n g r i f f ) ，t h e a n c e s t o rs p e c i e so fc u l t i v a t e dr i c e ( o r y z as a t i v ai ) ，h a sf a rm o r ed i v e r s ei n g e n e t i c b a c k g r o u n dt h a nc u l t i v a t e dr i c e ，w h i c hp o s s e s s e sf a v o rg e n e st h a tc a nn o tb ed e t e c t e di nc u l t i v a t e dr i c e i nt h i ss t u d y , as e to f1 5 9s u b s t i t u t i o nl i n e s0 3 c 4 ra n db c 4 f oc a r r y i n gv a r i a n ti n t r o g r e s s e ds e g m e n t s f r o mc h i n e s ec o m m o nw i l dr i c e ( o r y z ar u f i p o g o ng r i l l ) ，c o h e r e df r o md o n g x i a n gc o u n t y , j i a n g x i p r o v i n c e ，i nt h eb a c k g r o u n do fl n d i c ac u l t i v a r ( o s a t i v al ) ，g u i c h a o2w a su s e dt oi d e n t i f yq t l so f d r o u g h tt o l e r a n c e t h em a i nr e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ： 1 d r o u l n a tt o l e r a n c eo fr i c es e e d l i n g sw i t ht w oa n dh a l fl e a v e sw a si d e n t i f i e db ym e a n so f3 0 p e gs o l u t i o n at o t a lo f1 2q t l sr e l a t e dt od r o u g h tt o l e r a n c ew e r ed e t e c t e d ，o fw h i c hf o u r q t l sd e t e c t e do i lc h r o m o s o m e2 ，6a n d1 2a p p e a r e dp o s i t i v ea d d i t i v ee f f e c t s t h es p e c i a l a t t e n t i o nw a sr e q u i r e df o rt h eq t l q s d t l 2 - 2 n e a rt h es s rm a r k e rr m l 7o nc h r o m o s o m e1 2 n o to n l yi tw a sd e t e c t e ds e v e r a lt i m e sb u ta l s oe x p r e s s e ds t a b l yf o r8d a y sw h e ns e e d l i n g s w e r es u b j e c t e dt ow a t e rs t r e s sw i t hp e g d y n a m i cq t l m a p p i n gi n d i c a t e dt h a td i f f e r e n tq t l e x p r e s s e di nd i f f e r e n tp e r i o d s 2 t h e r ew e r e7q t l sr e l a t e dt or o o tb a s a lt h i c k n e s sd e t e c t e d ，o fw h i c hf o u rq t l q b r t 6 ， q b r t h ，q m b r t la n dq m b r t l l ，a p p e a r e dp o s i t i v ea d d i t i v ee f f e c tt h a tm e a n sa l l e l e sf r o m w i l dr i c ec a ni n c r e a s er o o tb a s a lt h i c k n e s so fi n t m g r e s s i o nl i n e s 3 e i g h t e e nl i n e sw i t hd i f f e r e n tr e a c t i o n st op e gt r e a t m e n tw e r eg r o w ni nb a s i n sf o rc o n f i r m i n g t h e i rd r o u g h tt o l e r a n c e ，a n dc o r r e l a t i o na n a l y s i sa m o n gv a r i o u st r a i t sw a sp e r f o r m e da tt h e i r s e e d l i n gs t a g e t h er e s u l t st o l d t h a td r o u g h tt o l e r a n c ee v a l u a t e db yp e gm e t h o dd i dn o ta g r e e w i t hc o n c l u s i o nf r o mb a s i nt r e a h n a n l t s i na d d i t i o n ，b o t hr e s u l t sf r o mp e gt r e a t m e n t sa n d b a s i nc u l t i v a t i o nd i dn o tc o r r e l a t e dw i t hr o o tb a s a lt h i c k n e s sf r o m p l a n t sc u l t i v a t e di nf i e l d 4 c o m p a r i s o no fd r o u g h tt o l e r a n c eo ft h e s ei n t r o g r e s s i o nl i n e su n d e ru p l a n da n dl o w l a n d c o n d i t i o n si n d i c a t e dt h a tn o to n l ys e e d s e tr a t i oa n d1 0 0 0 - g r a i nw e i g h tb u ta l s on u m b e ro f f i l l e dg r a i n sp e rp a n i c l ed e c r e a s e do b v i o u s l y , w h e r e a sn u m b e ro ft o t a lk e r n e lp e rp a n i c l ew a s g e n e r a l l y c h a n g e l e s s t h e t h r e e o t i s ，q p h l 1 ，q p h l - 2a n dq p h l - 3 w e r ed e t e c t e du n d e r b o t h u p l a n da n dl o w l a n dc o n d i t i o n ，b u ti tw a sn o tt h ec a s ef o ro t h e rq t l s c o r r e l a t i o na n a l y s i so f d r o u g h tt o l e r a n c ei ns e e d l i n ga n dm a t n l es t a g ei n d i c a t e dt h a ti nt h ef i r s tt w od a y st h er e s u l t s o fp e gt r e a t m e n tw e r em o r ec o n s i s e n tw i t ht h a to b t a i n e df r o mf i e l de v a n l a t i o n w h e r e a st h e r e s u l t so fb a s i nc u l t i v a t i o nh a v el e s sc o r r e l a t i o nw i t ho t h e rt r a i t se x c e p ti t ss i g n i f i c a n tn e g a t i v e c o r r e l a t i o nw i t hr o o tb a s a lt h i c k n e s s k e y w o r d s ：r i c e ，c o l t n l i o uw i l dr i c e ，i n t r o g r e s s i o nl i n e s ，s e e d l i n gs t a g e ，d r o u g h tt o l e r a n c e ，q t l l l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方夕 ，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 躲f 式 乡亥 时间：卿f 年月一日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：日步匀呈时间：卵j 年，月，7 日 导师签名 时间：哪，年6 月 7 日 中国农业大学硕士学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 稻作抗旱性的研究目的和意义 水资源短缺正成为制约我国乃至世界农业发展的重要因素。目前，世界范围内淡水资源的短 缺已成为全球面临的重要问题。世界总供水量中淡水资源仅占0 7 ，且存在国家和地区间分布的 不平衡，占世界人口6 的南美洲拥有3 6 的淡水资源，而占世界人口6 0 和1 3 的亚洲和非洲仅 拥有3 6 和1 1 的淡水资源( p a d o l i n a ，1 9 9 6 ) 。我国是世界晟缺水的国家之，现人均水资源 占有量仅为2 4 0 0 m 3 ，为世界人均水平的1 ，4 ，缺水已经成为我国工农业生产和人民生活面l 临的主 要问题之一( w a n g ，2 0 0 2 ) 。 据统计，我国用水量的8 0 是农业用水，而农业用水的7 0 8 0 是稻田用水( p a d o l i n a ，1 9 9 6 ) 。 日益严峻的水资源短缺已经成为农业生产面临的重要问题之一。近几年来，仅河北、天津在干早 年份已有数百万亩水稻无法种植，9 0 年代后期由于干旱，北京、天津两地区有数万亩水稻大幅度 减产。截止2 0 0 1 年，北京水稻面积已减至1 0 万亩( 穆平，2 0 0 4 ) 。 水稻是我国主要的粮食作物之一，总产量占粮食总产量4 0 左右，2 0 3 0 年，我国人口将达到 1 6 亿，以人均年占有粮食量4 0 0 k g 计算，每年的粮食总需求量为6 4 亿t ，稻谷需求量为2 5 6 2 7 2 亿t ，而实际上，目前我国水稻年总产量刚刚接近2 亿t ( 罗利军，2 0 0 1 ) 。面对粮食目题的严重挑 战，不断增加粮食产量，尤其是稻谷的产量，是保持我国农业及农村经济持续稳定发展的首要 手段。培育抗旱品种并实现水稻早作，不仅可在很大程度上节约水资源，而且有利于增产稳产。 因此，研究水稻抗旱遗传学基础，加强稻属抗早基因资源的发掘和利用就显得尤为重要。 1 2 稻作抗旱机理及研究进展 植物抗旱研究一直是生物学家、农学家关注和研究的对象，有关植物抗旱的生理、生化、生 态等方面的研究自5 0 年代已开始，8 0 年代对作物抗旱机制的研究深入到分子水平，但由于植物 抗旱机制的复杂性和研究手段的局限性，长期以来这些方面的研究一直没有取得突破性进展。近 年来，抗旱机理研究主要集中在植物根系性状、渗透调节、a b a 的作用、u a 蛋白与抗旱性的 关系等方面。随着分子生物学和分子标记技术的发展，对这些性状的q t l 定位有大量的报道， 使人们对抗旱性的认识深入到分子水平。 1 2 1 抗旱性定义 植物的抗旱性是植物对水分缺乏环境的耐受能力。l e v i t t 等( 1 9 8 0 ) 将植物的抗旱性定义为 在供水量很低的情况下，植物可以生存的能力。t u r n e r ( 1 9 7 9 ) 则认为，抗旱性是作物蒙受周期性缺 水仍能正常生长、结实的能力。由于作物生产的最终目的是产量, t u r n e r ( 1 9 9 7 ) 进一步明确指出， 在缺水条件下，作物能获得足够产量的能力谓之为抗旱性。抗旱性涉及三个主要的生理范畴：( 1 ) 干 旱条件下作物维持高含水量；( 2 ) 作物在低含水量的情况下保持其生理功能；( 3 旱后作物含水量和 l 中国农业大学硕士学位论文 第一章文献综述 功能的恢复。 1 2 2 植物抗旱的生理机制 抗旱i 生( d r o u g h tr e s i s t a n c e ) 是一个总的概念，其内涵包括逃旱性( d r o u g h te s c a p e ) 、避早性 ( d r o u g h ta v o i d a n c e ) 、耐早性( d r o u g h tt o l e r a n c e ) 和复原抗旱性( d r o u g h tr e c o v e r y ) ( n g u y e ne ta l ， 1 9 9 7 ；z h a n ge ta l ，1 9 9 9 ) 。 逃旱性( d r o u g h te s c a p e ) 逃旱性是植物在土壤水分亏缺之前完成其生活史的能力，即在干旱来到之前成熟或作物水分 敏感期与雨季高峰一致从而避过干旱。 干旱条件下缩短生育期是一个非常重要而有效的适应机制，即植物细胞感觉到水分逐渐减少 时，会加快生育进程，在水分供应减少到一定程度或亏缺之前开花结实。但是从另个角度讲， 生育期的缩短只是作物在逆境备件下维持生长与繁殖的一种措施，事实上，由于生育期缩短不可 避免地缩短了作物的光合作用时间，最终导致总生物量和生产潜力的降低( t u r n e re ta 1 1 9 8 6 ) 。 避旱性( d r o u g h ta v o i d a n c e ) 避旱性是指作物在干旱的条件下减少水分损失、保持高水势( w a t e r p o t e n t i a l ) 的能力 又称御早 性，其抗性机理是通过发展强大的根系来吸收水分并运转至地上部分和通过关闭气孔、卷曲叶片 或不渗透的角质层来减少水分消耗( e k a n a y a k ee ta 1 1 9 8 5 ；d i n g k u h ne ta 1 1 9 8 9 ) 。 耐旱性( d r a v 【g h tt o l e r a n c e ) 耐早性是指植株忍耐较长时间的轻度缺水或在某一生育期内忍耐短时间严重缺水的能力( d e d a t t ae ta 1 1 9 9 2 ) 。植物的渗透调节能力与组织器官的耐脱水能力对植物耐旱性有重要贡献，有 较强渗透调节或耐脱水能力的植物可以推迟叶片卷曲，加快气孔关闭及维持甘片扩展，这些特性 都有利于提高植物的抗旱性。 复原抗旱性( d r o u g h tr e c o v e r y ) 复原抗旱性是作物在经过一段时期干旱后的恢复能力。研究表明保持较多的绿叶面积可以使 经历旱胁迫后的植物较快较好地恢复生长，维持较高的产量。 1 2 3 稻形态特性与抗旱性 形态结构是植物在长期适应干旱环境过程中所形成的外在特征，多数属于可遗传的性状，在 植物的整个生活史中具有相对稳定性，对植物的抗旱性有重要的作用，主要包括根系和叶部的外观 和解剖结构。 1 2 3 1 根系性状与耐旱性 根系在植物抗旱性研究占有十分重要的位置。在生理功能上，根系有吸收水分和养分并向根 际分泌氧等重要功麓，另外还能合成氨基酸、固定二氧化碳、合成细胞分裂素等( y o s h i d ae ta l ， 1 9 8 2 ；胡荣海，1 9 8 6 ) 。强壮发达的根系有利于促进干旱条件下水分的吸收，较高的根系渗透调 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章文献综述 节不但有利于土壤水分吸收，而且增加根系的生存能力和复原抗性的能力。研究表明，根长、根 粗、根系穿透力、总根重等性状与抗旱性关系密切( e k a n a y a k e e ta t 1 9 8 5 ) 。通过对水、早稻根 系的研究表明，较大根重、较粗根粗和较长根长是早稻品种的特点，这些性状均以显性为主，并 提出用根基粗代表根粗作为抗旱选择指标( i r r i ，1 9 8 5 ；彭永康，1 9 8 9 ；孙传清等，1 9 9 6 ；p r i c ee l a 1 1 9 9 7 b ；凌祖铭等2 0 0 2 a ) 。n a n t t c o o s ，穆平等研究表明，水稻根数与抗旱性无关，根粗在水 旱两种环境下的相关系数为r = o 9 7 ，是一个稳定的抗旱筛选指标。根系提水作用是一种生存机 制，在干旱条件下根系提水可以保证根系从深层相对湿润的土壤吸收水分，从而保持千层根系不 死亡，抗旱性强的品种的根系提水作用显著大于抗旱性弱的品种( r i c h a r d se ta 1 1 9 8 9 ) 。 1 2 3 2 叶片性状与水稻耐旱性 与抗旱性有关的叶片性状包括叶片形状( 卷叶) 、叶片鲜重、叶片水势、气孔、叶片角质层等。 时卷曲 适当卷叶和较强的角质层阻力可减少叶面蒸腾。胁迫条件下叶片卷曲。叶面积指数降低，有 助于降低水分散失，减轻与干旱伴随的高温、辐射造成的伤害。一些研究证明在干旱条件下，有 着较强卷叶度的作物产量较高。 叶片鲜重 抗旱性不同的水、早稻品种，在水分胁迫下保持叶片含水量能力不同，从而用于鉴别水、早 稻的抗旱性。凌祖铭等( 1 9 8 9 ) 研究表明，从叶片中部测得的叶片鲜重可代表全叶平均鲜重。叶 片鲜重与叶片含水量呈线性关系，水、早稻叶片鲜重存在显著差异，旱稻品种叶片鲜重一般高于 水稻品种，同时发现叶片鲜重与叶片水势有一定关系。s i n c l a i r 等( 1 9 8 5 ) 指出，叶片相对含水 量是一个很好的水分状况指标。 叶片水势 叶片水势是植物体内水势能的高低，是植物水分状况的综合指标( 克雷默，1 9 8 9 ；刘友良， 1 9 9 2 ) 。在植物受到一定干旱时能保持相对高的水势被认为是相对抗旱的品种或类型。一般早稻 品种叶片水势高于水稻品种( 潘瑞炽，1 9 7 9 ) 。叶片水势还能较准确地反映水、早稻受旱程度， 稳定性较好，可用作筛选抗旱品种或检验植物受旱程度的比较可靠的指标( 高吉寅等，1 9 8 4 ；凌 祖铭等，1 9 8 6 ；孙传清，1 9 8 8 ) 。 气孔性状 当发生水分亏缺时气孔迅速感知到，并调节其开度，防止水分过分散失，气孔的运动反应速 度受信号的控制，抗旱性不同的植物气孔对水分亏缺的反应速度不相同( 赵萍，2 0 0 3 ；张岁岐， 2 0 0 1 ) ，耐旱作物品种当土壤干旱时，气孔就部分或全部关闭。气孔阻力大小可用来衡量体内缺 水情况。吉田昌一( 1 9 8 4 ) 研究认为，耐旱水稻品种的气孔在土壤缺水表现出巨大的气孔阻力， 而不耐旱品种其气孔阻力低。 叶片角质层阻力 当在干旱或夜间气孔完全关闭时，作物的水分散失主要通过角质层蒸猎。不同作物的角质层 阻力有显著差异。研究认为，水稻品种问叶片角质层阻力有明显差异，其变化范围为3 0 - 6 0 s c m ， 角质层阻力大者其抗旱性亦强( 徐培伦，1 9 8 9 ) 。 3 1 2 4 稻生理生化特性与抗旱性 植物在遇到于旱胁迫时体内会产生一系列的反应，表现在生理生化上的变化，调动自身防御 胁迫系统，启动一系列与逆境有关的基因表达，并且可能会引起形态结构的变化，最重要的有气 孔的运动、渗透调节物和解毒物的合成。 1 2 4 1 渗透调节作用与抗旱性 植物在水分胁迫下通过溶质调节，降低渗透势维持膨压的作用称为渗透调节。渗透调节( o a ) 是一种重要的耐旱机制，是抗早性的重要组成部分。o a 是一个适应的过程，在这个过程中，细胞溶 质增加，渗透势减少以适应不良的生长环境，如干旱、盐和低温等。植物的渗透调节主要通过脯氨 酸、甜菜碱等亲水性溶质的积累而实现。脯氨酸是水溶性最大的氨基酸，水分胁迫时它的增加有 助于细胞或组织持水，防止脱水。脯氨酸可参与叶绿素的合成并对蛋白质起保护作用。s i n g h 认 为，干旱对游离脯氨酸的积累能力可作为采谷类作物抗旱育种的指标，而h a n s o n 则指出，大麦 脯氨酸积累作用是可遗传的，但与抗旱性无关。纵观脯氨酸与干旱反应关系的研究结果可以看出， 这些不同的观点和结论与试验方法、试验条件及实验材料的积累有关。水稻在水分胁迫下脯氨酸 的台量会成倍地增加，这种能力在不同品种中存在着遗传变异。杨建昌等( 1 9 9 5 ) 认为，在水分胁 迫下脯氨酸累积较早，持续时间长可作为水稻品种抗旱性的一个指标。 此外，离子和水通道的变化调节着离子和水分进出细胞，也是渗透调节的重要方面。蔗糖、海 藻糖、甘露糖醇等糖类，以及渗调蛋白、脱水素、胚胎发生后期丰富蛋白( l e a 蛋白) 等大分子物 质也对渗透调节有一定贡献。 1 2 4 2 抗氧化防御系统与耐旱性 干旱胁迫下细胞内会产生大量的氧自由基，损害膜的稳定性，如羟自由基( o i ) 、超氧化物 自由基( 0 2 ) 、单线态氧( 0 2 ) 等，它们均会引发和加剧膜脂过氧化，造成细胞膜系统的损伤， 膜透性增加。此时细胞内会诱导产生一系列清除活性氧的酶类、糖类、醛类等解毒物质f 如s o d 、 p o d 、c a t 、a s a 等) ，用于清除这些疆性氧维持膜的稳定性。在整个防御氧化系统中，s o d 是 所有植物在氧化胁迫中起重要作用的抗氧化酶。一般来讲，干旱胁迫下植物体内s o d 等酶的活 性与植物抗氧化胁迫能力呈正相关( e l i z a b e t h ，1 9 9 3 ) 。抗旱性强的植物在干旱胁迫下s o d 、p o d 、 c a t 的活性较高，因而能有效地清除活性氧，阻抑膜脂过氧化。李长明( 1 9 9 3 ) 研究认为，水 稻抗旱性强弱与叶片的s o d 和c a t 活性呈正相关，抗旱性强的品种其s o d 和c a t 活性有随 含水量降低而升高的趋势。王秀珍等( 1 9 9 1 ) 研究认为，在水、旱稻中，b 姥粉酶活性变化趋势 与( a + b ) 一淀粉酶总活性一致，b - 淀粉酶活性高低与品种抗旱性呈正相关，因此，两种淀粉酶活 性也可作为鉴别水稻抗旱性的参考指标。 4 1 2 4 3a b a - 5 抗旱性 a b a 能够使气孔导度下降以减少失水，抑制光合作用，使生长发育下降，增加根系水分运 输，降低叶片生长，改变叶态( 角质层变厚、表皮毛状体增多、气孔数减少) ，降低分蘖，提早 抽穗开花等( c h a n d l e re la 1 1 9 9 4 ：c h e ne ta 1 1 9 9 4 ) 。张殿忠( 1 9 9 0 b ) 研究表明，水分胁迫能诱 导a b a 的积累。a b a 的作用一是作为一种根冠间交流的信号，使植物感知土壤水分状况的变 化，并通过对气孔运动及叶片生长速率的调节有效地减少干旱胁迫下的水分消耗。更为重要的是， a b a 可以作为一种细胞的逆境信号物质直接介导许多逆境应答基因的表达( 杨洪强等，2 0 0 1 ) 。 1 2 4 4l e a 蛋白的保护作用 在严重干旱条件下，超出渗透调节范围时，有些植物能够存活，恢复供水后迅速恢复生长， 其机理在于这些植物在失水时产生的一些大分子或小分子有机物具有脱水保护功能，能够在水 分亏缺时保护膜系统及其他生物大分子免受破坏，胚胎发生后期丰富蛋r ( i z a 蛋白圾糖类是这 类脱水保护物质的代表。溘蛋白被认为是在干旱过程中对植物起保护作用的重要物质。目前 推测u a 蛋白可能有以下三方面的作用： ( 1 ) ：作为脱水保护荆；( 2 ) ：作为一种调节蛋白 参与植物渗透调节；( 3 ) ：通过与核酸结合而调节细胞内其他基因的表达。有些u 洫蛋白含有 一些带正电荷的保守区域，有人推测这些区域可与核酸类物质结合( 王洪春，1 9 9 0 ：j e a i l n ee ta 1 】9 9 1 ) 1 2 5 遗传控制与抗旱性 抗旱性属复杂的数量性状，受多基因控制，与抗旱性相关的基因的表达受环境条件的诱导， 其结果使植株产生了一系列形态、生理生化等方面的变化，从而使植物产生抗旱性，因此抗旱性 也是可遗传的性状。与抗旱性有关的农艺性状和生理生化物质，如根系的组成因子、地上部性状、 一些小分子渗透调节物质及解毒过程中的酶系统都受基因控制，有些基因只在植物的整个生育期 表达，有的则只在干旱条件下诱导表达。由于他们属数量性状，遗传规律和基因表达规律复杂， 要想很好理解这些性状和生理生化物质，必须对植物的干旱应答过程做深入的研究，弄清植株对 干旱信号的感知、传递、靶部位的接收及产生的效应，同时也要对控制这些性状和应答物质的基 因的遗传规律和表达规律做深入的探索，从而揭示抗旱性产生的遗传和分子机理。 t o r m e r 和p r a s a d 报道，一些早稻抗旱性由单个显性基因控制，这种简单的遗传研究难以真正 说明抗旱性的遗传基础。 1 3 抗旱性评价体系 1 3 1 抗旱性鉴定方法 常用方法包括田间直接鉴定法、早棚或人工气候室法、盆栽鉴定法、间接鉴定法( 路贵和等， 5 1 9 9 9 ) 田间直接鉴定法 在自然条件下控制灌水，造成不同的干旱胁迫，分析对作物形态或产量的影响，藉以评价品 种的抗旱性。 早棚或人工气候室法 在干旱棚或在控制温度、温度和光照的人工气候室内，根据需要研究不同生育阶段的抗旱性， 测定水分胁迫对生长发育、生理过程或产量的影响。 盆栽鉴定法 作物包括沙培、水培、土培。根据需要先用盆栽培养不同苗龄的苗，然后将正常生长的苗转 移到高渗溶液中( 聚乙二醇、甘露醇、蔗糖、生理盐水等) 进行脱水处理，研究农作物的恢复能力， 并结合测定一些生理指标和形态指标来评价作物的抗旱性。 间接鉴定法 在实验室用生理生化指标及分子生物学方法评价作物的抗旱性。铡如：植株或叶片的水势，脯 氨酸和脱落酸的含量等。 1 3 2 抗旱性评价指标 抗旱指标在作物的抗旱性评价中起非常重要的作用，简单、可靠、可行的评价指标可提高鉴 定的准确性和速度。常用抗旱鉴定指标有：形态指标、生理生化指标、产量指标和综合指标。一 般说来，植物在干旱条件下，生长和形成的产量能力是鉴定抗旱性的可靠指标。但简单、可靠、快 速的形态和生理生化指标，在加速抗旱鉴定和抗旱育种进程中显然具有重要的意义。 1 3 2 1 形态指标 形态指标主要包括根系性状和地上部性状，根系性状主要有最大根长、平均最大根粗、粗根 数、根干重、根体积、根分布深度、撮穿透力、根冠比等方面，地上部性状主要集中在叶脉粗、 叶肉厚、茎杆粗度，叶脉和叶鞘的维管束数目等方面，这些指标比较稳定，可重复性好，与抗旱 性有密切关系，是研究得比较深入的性状。胡荣海( 1 9 8 9 ) 在大量的小麦品种资源的抗旱筛选中发 现，在一定条件下抗旱性与株高存在着正相关，但超过一定限度，这种关系就会消失。 1 3 2 ，2 生理生化指标 生理生化指标主要集中在叶片水势、渗透势、渗透调节物质和氧自由基清除的酶系统等研究 上，结果表明，叶片水势与抗旱性有直接的关系，干旱状态下能保持较高水势的品种抗旱性较强； 渗透势是植株利用自身合成的渗透调节物质保持胞内水分含量的综合能力，有一定的可靠性。脯 氨酸( p r o l i n e ) 、甜菜碱、s o d 、p o d 、a b a 的含量与抗旱性都有一些关系，但在不同研究个体 中差别较大，可比性较差：总之，生理生化指标虽然受植株受早程度和状态影响较大，稳定性较 差，但与抗早性有一定的关联性，也可以作为稻作抗旱性的评价指标。 6 1 3 2 3 产量指标 作物的综台抗旱能力最终表现在产量上，因此许多研究者把产量性状作为评价抗旱性的重要 指标之一。c h i o n o y ( 1 9 6 2 ) ：- 系数法，抗旱系数= 胁迫下的平均产量月 胁迫下的产量； f i s c h e i ( 1 9 7 8 ) 提出了干旱敏感指数s l 的概念，即s i = 1 一胁迫下的平均产量非胁迫下的平均产 量，环境胁迫强度；由于这两种方法不能提供基因型产量高低的信息，兰巨生( 1 9 9 0 ) 提出了抗 早指数，即d 】- 抗旱系数旱地产量，所有品种旱地产量的平均值，较好的把高产和抗旱结合了起 来，但此方法没有体现对照种应起的作用，并且参试品种数量对抗旱指数的影响也较大；胡福顺 ( 1 9 9 2 1 对该公式进行了修订d i = 旱地产量2 ，该品种水地产量对照种的水地产量，对照种旱地产 量2 。 1 3 2 4 综台指标 上述的关于抗旱性鉴定方法中，基本上都是从单项指标( 因素) 上进行评定，而作物的抗旱 性是由多种因素相互作用，构成的一个较为复杂的综合性状，其中每一因素与抗旱性之间存在着 一定的联系。为了弥补这些缺陷，近年来较多采用综合指标法，其计算方法为：i 抗旱总级别法， 根据多项指标所测数据把每个指数数据分为4 5 个级别，再把同一品种的各指标级别相加，即 得到该品种的抗旱总级别值，以此来比较品种抗旱性的强弱；i i 采用模糊数学中的隶属函数的方 法，对品种各个抗旱指标的隶属值进行累加，求其平均数，并进行品种间比较以评定其抗旱性( 刘 学义，1 9 8 6 ) 1 4 稻作抗旱相关性状的q t l 研究进展 1 4 1 渗入系 1 4 1 1 渗入系的概念 绷( i n t r o g r e s s i o nl i n e ) 也称染色体片断代换系( c h r o m o s o m a ls e g m e n ts u b s t i t u t e d 如e ) ，是 通过系统回交和自交并利用分子标记辅助选择的手段使供体染色体片段渗入到受体亲本中。由于 渗入系的遗传背景与受体亲本大部分相同，只有少数渗入片段的差异，因此，渗入系和受体亲本 的任何表现型差异均由渗入片段所引起，这为遗传分析和功能鉴定提供了良好的研究材料，提高了 基因定位的准确性，同时渗入系构建过程也是品种选育的过程。 1 4 ，1 2 渗入系的构建方法 渗入系的构建一般采用多代回交的方法，同时借助于完整的分子标记图谱和标记辅助选择技 术。目前，在水稻、番茄和甘蓝等作物上已构建了渗入系，其中以番茄对渗入系构建和研究最为 完善。h o w e l le ta t ( 1 9 9 6 ) 对甘蓝研究表明，分子标记辅助选择能加速渗入系的构建进程在此 基础上，r a m s a ye ta 1 ( 1 9 9 6 ) 提出低代分子标记辅助选择单株的4 个标准在构建渗入系时， 7 中国农业大学硕士学位论文 第一章文献综述 分子标记辅助选择多是从低代( 回交1 代) 开始且连续进行选择( e s h e de ta 1 ，1 9 9 4 a ；h o w e l le t 口l ，1 9 9 6 ：r a m s a ye ta 1 ，1 9 9 6 ；d o ie ta a ，1 9 9 8 ； k u b oe ta 1 ，2 0 0 2 ) 。k u b oe ta 1 ( 2 0 0 2 ) 以 籼粳材料互为轮回亲本用低代( 从b c l f l 开始) 和高代( 从b c 3 f 1 开始) 分子标记辅助选择的方 法同时构建了两套渗入系。进一步比较两种方法构建的渗入系发现，两套渗入系中轮回亲本所占 基因组比例没有显著差异但高代选择方法分子标记辅助选择的次数要少，工作量减小，选择效 率更高。 1 4 1 3 渗入系的应用 ( 1 ) 0 t l 精细定位中的应用 初级定位估计出的q t l 位置的置信区问一般都在1 0 c m 以上( a l p e r t t a n k s l e y 。1 9 9 6 ) ，不 能确定检测到的一个o t l 中到底是只含一个效应较大的基因还是包含数个效应较小的基因“a s a s a k i ，1 9 9 7 0 ) 。也就说，初级定位的精确度还是不足以将数量性状确切的分解成一个个孟德尔 因子。因此，为了更精确地了解数量性状的遗传基础，在初级定位的基础上，还必须对q t l 进 行高分辨率( 亚厘摩水平) 的精细定位，亦即在目标q t l 区域上建立商分辨率的分子标记图谱， 并分析目标q t l 与这些标记间的连锁关系。 p a t e r s o ne ta 1 ( 1 9 9 0 ) 提出了渗入系作图进行q t l 精细定位。当渗入系与受体亲本杂交的后 代中，仅在渗入片段上存在基因分离，因而q t l 定位分析只局限在很窄的染色体区域上，消除 了遗传背景变异的干扰，这就从遗传和统计两个方面保证了q t l 定位的精确性( e s h e d z a m i r ，1 9 9 5 ) 。日本水稻基因组研究计划成功地应用染色体片段代换系对一个水稻抽穗期主效 q t l 进行了耪细定位，分辨率超过0 5 c m ( y a m a m o t o e ta 1 1 9 9 6 ) 。 ( 2 ) 渗入系在育种实践中的应用 随着不同的遗传背景下渗入系的构建，多年多点的渗入系性状调查和遗传分析，以及更为简 便快速的d n a 分子标记技术的发展，育种者就可以根据渗入系分析结果，通过标记辅助回交 ( m a r k e r - a s s i s t e db a c k c r o s s i n g ，m a b c ) 的方法进行设计育种( b r e e d i n gb y d e s i g n “) ，可以有 目标的将控制不同性状的有利基因进行组合，选育出生产上有应用价值的品种( p e l e m a nc ta 1 2 0 0 3 ) 。并且在渗入系的构建过程中，选用生产上大面积使用的品种作为受体亲本，那么在渗入 系中就能发现到既保留了亲本优良特性又改良了某些性状，这样的渗入系本身就具有很强的生产 应甩性。嚣此，渗入系的构建过程不仅为遗传分析提供有利的实验材料，同时也是品种选育和育 种中间材料的准备过程。 1 4 2q t l 定位的群体 构建一个特定的作图群体，并获得该群体的标记基因型数据和数量性状表型数据是开展o t l 研究工作的前提。根据其遗传稳定性可将作图群体分为三大类： 第一类为临时性分离群体，如f 2 、f 3 、b c 和三交群体等。临时性群体容易获得，而且能提 供丰富的遗传信息，可以同时估计加性效应和显性效应。因此。早期q t l 研究多用这类群体， 但该群体中分离单位是个体，一经自交其遗传组成就会发生变化，很难进行多年多点重复试验。 8 中国农业大学硕士学位论文 第一章文献综述 第二类为永久性分离群体，如重组自交系群体( r e c o m b i n a n ti n b r e dl i n e s ，r i l ) 和加倍单倍 体群体( d o u b l e dh a p l o i dl i n e s ，d h ) 等。这类群体中分离单位是株系，不同株系闻存在基因型的 差异，而株系内个体间的基因型是相同且纯合的，自交不发生分离。因此，可以进行重复区组试 验，把区组效应、重复效应和随机误差分解开来，增加检测o t l 的准确性。但是，构建r i l 群 体需要很长的时间；构建d h 群体也要受到基因型的限制，难度较大；此外，该群体不能估计显 性效应。临时性分离群体和永久性分离群体在0 t l 定位方面存在共同的局限性，即对q t l 的精 确定位能力不强，对效应小的盯几检测能力有限，增加群体大小和分子标记数目也只能在一定 程度上缓解这种局限性。 第三类为近等基因系( n c a r - i s o g e n i el i n e s ，n i l ) ，其基本特征是整个染色体组的绝大部分区 域完全相同，只在少数几个甚至一个区段存在差异。因此，它能使基因组中只存在一个或几个 q t l 分离，消除其它背景干扰并消去主效q t l 对微效q t l 效应的掩盖作用，大大提高了q t l 定位的准确性。尽管近等基因系构建时间长，工作量大，但近等基因系对o t l 分解和精确定位 的独特优越性使其成为分离和克隆q t l 的理想群体 1 4 3q t l 定位的方法 利用分子标记正确进行q t l 定位及其效应的估算有赖于o r r l 作图的统计模型方法。白8 0 年代以来，己相继提出了2 0 余种作图的统计方法，目前常用的q t l 作图方法主要有方差分析法、 区间作图法( l a n d e r & b o t s t e i n ，1 9 8 9 ) 、复合区间作图法( z e n g ，1 9 9 4 ) 、混合线性模型方法( 朱 军，1 9 9 7 ；1 9 9 8 ；2 0 0 0 ) 等。用这些方法可把数量性状定位在连锁图上，找到与其连锁的分子标记， 从而指导育种实践。 方差分析法( a n a l y s i so f v a r i a n c e ，a n o v a ) 这是以传统的单因子方差分析测验被研究数量性状在标记基因型间差异的显著性，即通过方 差分析、回归分析或似然比检验，比较不同标记基因型数量性状均值的差异，如存在显著差异， 则说明控制该数量性状的q t l 与标记间有连锁由于单一标记分析不需要完整的分子标记连锁 图谱，因而早期的o t l 定位研究多采用这种方法。这种方法直观而简便，其统计基础也较为可 靠。惠大丰等( 1 9 9 7 ) 研究表明，a n o v a 虽然难以精确定位，但其发现q t l 的能力很高。此外 a n o v a 无法估计标记与q t l 之间的重组率，对q t l 位置和效应的估计容易产生偏差。 区间作图法( i n t e