（遗传学专业论文）近等基因系群体的ghd7和qph1上位性分析.pdf

i 呲y 1 m 7 帆9 叭叭9 帆7 m 1 l l 7 l l 华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文 否如需保密，解密时间年月日 是否保密 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外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料，指导教师对此进行了审定。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做了明确的说明，并表示了谢意。 研究生签名：枷蕃手 时间：山f 。年占月f 7 日 学位论文使用授权书 本人完全了解华中农业大学关于保存、使用学位论文的规定，即学生必须按照学 校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印刷版和电子版， 并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。本人同意华中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，同时本人保留在其他媒体发表论文的权力。 注：保密学位论文( 即涉及技术秘密、商业秘密或申请专利等潜在需要提交保密的论 文) 在解密后适用于本授权书。 黼始移五手钟张司如 签名日期：p 年舌月f 7 日签名日期：。o 年名月夕日 注：请将本表直接装订在学位论文的扉页和目录之间 近等基因系群体的g h d 7 和印j ，上位性分析 目录 中文摘要i a b s t r a c t i i 缩略词表 1 文献综述1 1 1 数量性状和数量遗传学1 1 2 水稻产量构成2 1 3q t l 的定位2 1 3 1 分子标记的种类2 1 3 2 遗传作图群体4 1 3 3 统计方法一5 1 4q t l 上位性和杂种优势6 1 5 水稻产量q t l s 的定位与克隆7 1 5 1 水稻株型q t l s 研究7 1 5 2 水稻抽穗期q t l s 研究8 1 5 3 水稻每穗粒数和粒形q t l s 的研究9 1 6g h d 7 和q p m 的研究进展1 0 1 6 1 水稻一因多效基因g h d 7 10 1 6 2o p h i 的定位1 l 1 7 研究的背景与意义1 2 2 材料和方法13 2 1 田间试验1 3 2 2 数据调查一1 4 2 3d n a 抽提和分子标记分析1 5 华中农业大学2 0 1 0 届硕士学位论文 2 3 1d n a 抽提1 5 2 3 2p c r 扩增15 2 3 3 电泳及显影17 2 4 株高、抽穗期和每穗颖花数的q t l 分析1 7 2 5q t l 互作效应分析17 3 结果与分析18 3 1 跏办j 群体和g h d 7 群体的q t l 分析1 8 3 2q p h l g h d 7 群体的性状表现1 9 3 3q 矽h l g h d 7 群体的q t l 位点分析2 1 3 4 群体株高的互作分析2 2 3 5 九种基因型的表型比较2 4 4 讨论2 6 4 1 勿办j 和s d - 1 的比较2 6 4 2 上位性效应的重要性和其在遗传育种的应用。2 6 4 3p o k k a l i 携带强功能的g h d 7 等位基因2 7 参考文献2 9 致谢3 8 近等基因系群体的g h d 7 和勿厅，上位性分析 中文摘要 株高、抽穗期和每穗颖花数是水稻重要的农艺性状，合适的株高、抽穗期和每 穗颖花数对水稻高产和稳产至关重要。它们都是复杂的数量性状，随着分子标记的 普及使用，水稻高密度遗传连锁图谱的绘制成功，统计学软件的不断强化，使得q t l 研究走进了新的时代。同时，q t l 之间的上位性效应越来越被重视，作为影响数量 性状的重要因素之一，人类对上位性效应的认识必将逐渐深化。 利用珍汕9 7 p o k k a l i 的b c 3 f z 群体，在第1 染色体m r g 4 3 8 2 。m r g 0 3 3 9 之间定 位到影响株高的基因，命名为卯办j ，它的加性效应为5 7 1c m ，显性效应为3 0 6c m ， 可以解释b c 3 f 2 群体内株高9 0 3 的表型变异。同时发现在该群体内g h d 7 亦存在分 离。本研究中，构建g h d 7 和印办j 两个q t l 同时分离的近等基因系群体，研究两 位点的上位性效应。主要结果如下： l 、 在g h d 7 位点纯合，翻办j 位点杂合的q p h l 群体内，仍然在 m r g 4 3 8 2 m r g 0 3 3 9 区间内扫描到株高q t l ，加性效应51 0c m ，显性效应2 6 6c m ， 可以解释株高9 2 7 的表型变异。同时发现，助办j 还影响每穗颖花数。 2 、在g h d 7 和q p h l 位点均杂合的q p h i g h d 7 群体内高矮分离特别明显，且 在高株和矮株中，生育期都出现了早、中、晚穗的分离，其中，株高和抽穗期符合 单基因孟德尔期望的3 ：1 分离，每穗颖花数则呈现正态分布。 3 、q t l 分析得知，q p h i g h d 7 群体内，助办j 同时控制株高和每穗颖花数，g h d 7 分别控制抽穗期、株高和每穗颖花数。 4 、g h d 7 和印办j 的上位性影响了株高。进一步剖分互作形式发现，两基因间 对株高存在加性显性和加性加性效应。而两基因对每穗粒数则不存在上位性作用。 5 、p o k k a l i 的g h d 7 等位基因在珍汕9 7 背景下，对每穗粒数，株高和开花期的 效应与特青和明恢6 3 的g h d 7 等位基因效应相当。p o k k a l i 的g h d 7 等位基因有益于 提高水稻产量。 关键词：产量性状加性效应q t l 上位性效应基因互作 l 华中农业大学2 0 1 0 届硕士学位论文 a b s t r a c t p l a n th e i g h t ，h e a d i n gd a t ea n dn u m b e ro fs p i k e l e t sp e rp a n i c l ea r ei m p o r t a n t a g r o n o m i ct r a i t so fr i c e t h e ya r ec o m p l e xq u a n t i t a t i v et r a i t s w i t ht h ei n c r e a s i n gu s eo f m o l e c u l a rm a r k e r s ，h i g h d e n s i t yr i c eg e n e t i cl i n k a g em a ph a sb e e ns u c c e s s f u l l yd r a w n m e a n w h i l e ，s t a t i s t i c a ls o f t w a r eh a sb e e ne n h a n c e d t h e r e f o r e ，q t lr e s e a r c hh a sb e c o m e e a s i e r a tt h es a m et i m e ，q t le p i s t a t i ce f f e c t s ，w h i c hi sa ni m p o r t a n tf a c t o ra f f e c t i n g q u a n t i t a t i v et r a i t s ，h a sb e e nd e e p l yk n o w nb ym o r ea n d m o r ep e o p l e i nb c 3 f 2p o p u l a t i o nd e r i v e df r o mt h ec r o s sz h e n s h a n 9 7 p o k k a l i ，am a i ne f f e c tq t l f o rp l a n th e i g h t ，d e s i g n a t e dq p h l ，w a sl o c a t e do nc h r o m o s o m e1 ，b e t w e e nm r g 4 38 2a n d m r g 0 3 3 9 i t sa d d i t i v ee f f e c tw a s5 7 1c m ，d o m i n a n te f f e c tw a s3 0 6c m ，c o u l de x p l a i n 9 0 3p e r c e n to fp h e n o t y p i cv a r i a t i o n g h d 7w a sa l s os e p a r a t e di nt h i sp o p u l a t i o n i nt h i s s t u d y , n e a ri s o g e n i c l i n ep o p u l a t i o nw h i c hg h d 7a n dq p h lw e r es i m u l t a n e o u s l y s e g r e g a t e dw a sc o n s t r u c t e df o rt h e i ri n t e r a c t i o na n a l y s i s t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 i nq p h l - p o p u l a t i o n , q t lf o rp l a n th e i g h tw a ss t i l ls c a n n e db e t w e e nm r g 4 3 8 2a n d m r g 0 3 3 9 ，t h ea d d i t i v ee f f e c tw a s51 0c m ，t h ed o m i n a n te f f e c tw a s2 6 6c m ，c o u l d e x p l a i n9 2 7p e r c e n to fp h e n o t y p i cv a r i a t i o n q p h lw a s a l s of o u n dt oa f f e c tt h en u m b e ro f s p i k e l e t sp e rp a n i c l e 2 i nq p h l - g h d 7p o p u l a t i o n ，p l a n th e i g h tw a ss i g n i f i c a n t l yd i v i d e di n t oh i 【g ha n dl o w t y p e s i nt h eh i g hp h e n o t y p ea n dl o wp h e n o t y p e ，h e a d i n gd a t eb o t hs h o w e de a r l y , m i d d l e a n dl a t et y p e s s e g r e g a t i o no fp l a n th e i g h ta n dh e a d i n gd a t ea c c o r d e dw i t hr a t i oo f3 ：1 ， s p i k e l e tp e rn u m b e rp r e s e n t e d an o r m a ld i s t r i b u t i o n 3 q t la n a l y s i ss h o w e dt h a t ，i nq p h l g h d 7p o p u l a t i o n s ，o p h lc o n t r o l l e db o t hp l a n t h e i g h ta n dn u m b e ro fs p i k e l e t sp e rp a n i c l e ，w h i l eg h d 7c o n t r o l l e dh e a d i n gd a t e ，p l a n t h e i g h ta n dn u m b e ro fs p i k e l e t sp e rp a n i c l e 4 e p i s t a t i ci n t e r a c t i o n f o rp l a n th e i g h tw a sr e v e a l e db e t w e e ng h d 7a n dq p h l f u r t h e ra n a l y s i sf o u n da d d i t i v e x d o m i n a n c ea n da d d i t i v e x a d d i t i v ee f f e c ta f f e c t i n gp l a n t n 近等基因系群体的g h d 7 和勿厅j 上位性分析 h e i g h t t h e r ew a s n oe p i s t a t i ci n t e r a c t i o nf o rs p i k e l e t sp e r p a n i c l eb e t w e e nt w o 5 p o k k a l ic a r r i e dp o s i t i v ea l l e l e so ng h d 7 i t se f f e c tf o rn u m b e ro f p a n i c l e ，p l a n th e i g h ta n dh e a d i n gd a t ew a se q u i v a l e n tt oz h e n s h a n 9 7a n d a l l e l e g h d 7a l l e l ei np o k k a l iw a sb e n e f i c i a lt oi n c r e a s er i c ey i e l d k e y w o r d s ：y i e l dt r a i t s ；a d d i t i v ee f f e c t ；q t le p i s t a s i s ；g e n i ei n t e r a c t i o n h i 华中农业大学2 0 1 0 届硕士学位论文 缩略词表 i v 近等基因系群体的g m 7 和q p j 上位性分析 1 文献综述 1 1 数量性状和数量遗传学 遗传学通常把生物性状分为质量性状( q u a l i t a t i v et r a i t ) 和数量性状( q u a n t i t a t i v e t r a i t ) 两个大类。其中，质量性状受少数主基因控制，表现为不连续变异，且不易受 环境影响。对于质量性状，通常采用孟德尔的分类计数统计方法进行研究，即经典 遗传学的方法。 数量性状是受多个基因控制，表现为连续变异的一类性状。数量性状在分离群 体内不像质量性状那样可以明确分组，动植物的绝大部分性状均属数量性状，这些 性状和人类经济生产息息相关，如个体的高度、营养素含量、产品的经济产量以及 一些生物的抗逆性等。研究数量性状，对动植物的遗传改良、食品的质量与安全、 医疗保健、资源的利用和保护等均有非常重要的意义。 从理论上而言，所有基因均遵从孟德尔遗传规则，控制数量性状的基因也同样 服从遗传学规律( g e l d e r m a n n ，1 9 7 5 ) ，但由于数量性状受微效多基因( q u a n t i t a t i v et r a i t l o c i ，q t l ) 控制( 刘祖洞，1 9 7 9 ) ，很大程度上又受限于环境因素和遗传背景，因 此适用于质量性状的试验技术、表型测量和统计手段很难对其进行鉴定，于是数量 遗传学应运而生。 数量遗传学根据经典遗传学的原理，借助统计分析的方法，运用适宜的遗传模 型和数理统计的理论方法，研究数量性状遗传规律，探讨生物体内个体间数量性状 变异基础的- - 1 7 学科。它属于遗传学的一个分支，又和育种学密切相关。p a t e r s o n 等( 1 9 8 8 ) 在番茄中首次对分子标记定位q t l 的可能性进行了证实，随着分子标记 的广泛使用，现代数量遗传学走进了将表型测量和分子标记的数据结合进行分析的 分子数量遗传学时代。现代数量遗传学证明并沿用了传统数量遗传学的基本理论和 方法，又由于采用了分子标记和现代化的计算设备，使人类对数量性状的研究得以 深入和细化。 华中农业大学2 0 1 0 届硕士学位论文 1 2 水稻产量构成 水稻( o r y z as a f i v al ) 是世界主要的粮食作物，更是我国第一大粮食作物。随 着世界人口的不断增长，预计到2 0 5 0 年全球将达8 9 亿人口。有研究认为，在未来 3 0 年内，我国的水稻总产量必须较现在增加6 0 ，才可以满足届时的需求( 张启发， 2 0 0 5 ) 。因此，如何提高水稻产量，培育高产、稳产的水稻新品种，对保障未来的粮 食安全具有十分重要的意义。 我国是水稻的起源中心之一，具有丰富的种质资源( 杨文珏等，2 0 0 3 ) 。水稻产 量的直接构成主要由三部分组成：单位面积穗数、每穗实粒数、千粒重。栽培学认 为，这三个因素中，千粒重较为稳定，而有效穗数和实粒数由于受环境影响，故变 异较大。这三个性状间呈现一定程度的负相关，在生产上调整产量因素的关系，应 当以呈显著负相关的产量因素为重点。研究表明，在较低产量水平下，靠提高有效 穗数来提高产量效果最为显著，而水稻高产育种中，则开始从多穗型向中间型和穗 重型过渡，通过提高总颖花数，也就是穗粒数来提高单位面积的产量。因此，水稻 大穗育种成为育种学家的一个主要目标之一，穗长、一次枝梗数、二次枝梗数等， 都是影响每穗实粒数的重要因素。另外，水稻的株高决定了生物学产量，影响水稻 抗倒伏能力。生育期则决定了水稻品种的地区以及季节适应性( 岳兵等，2 0 0 5 ) 。因 此株高和抽穗期也是决定水稻高产稳产的一个重要指标，是与产量密切相关的性 状，通过改良这些产量构成性状，将可以达到提高水稻产量的目的。 这些控制水稻产量的性状都是数量性状，表现为连续变异，不能明确分组。所 以要对这些性状进行研究，就必须使用数量遗传学的研究方法。 1 3q t l 的定位 1 3 1 分子标记的种类 遗传图谱是研究数量性状的重要工具，而构建图谱必须有合适的标记。早期， 人们发展了形态学标记、同工酶标记，但是由于这些标记数目偏少，稳定性亦较差， 2 近等基因系群体的g h d 7 和勿办，上位性分析 所以没有得到广泛运用。随着分子生物学和各种试验技术的飞速发展，产生了大量 的分子标记。分子标记是指可遗传并可检测的序列或蛋白质。理想的分子标记必须 达到以下几个要求：共显性遗传、遍布全基因组且染色体上均匀分布、检测手段快 捷简便、成本尽可能低廉( 黎裕等，1 9 9 9 ) 。蛋白质表达产物受时空影响，对蛋白质 的检测也非常困难，因此，蛋白质标记很少被采用。目前所用的多是d n a 分子标记， 它是基于d n a 水平上的多态性，直接反应d n a 序列的差异，包括：基于分子杂交技 术的r f l p 标记( b o t s t e i ne ta 1 ，1 9 8 0 ) ；基于p c r 技术的分子标记，s s r ( l i re ta 1 ， 1 9 8 9 ) 、r a p d ( w i l l i a m se ta 1 ，1 9 9 0 ) 、a f l p ( v o se ta 1 ，1 9 9 5 ) 标记等；基于单 核苷酸多态性的s n p 标记( l e m i e u x ，2 0 0 0 ) 。 r f l p 是通过检测d n a 在限制性内切酶酶切后形成的特定d n a 片段的大小，反 映不同样品在d n a 水平上酶切位点的分布情况，如碱基突变以及由于序列缺失、重 复、倒位、易位等变异引起的变化。因此d n a 序列上的微小变化也能引起限制性 内切酶切点的丢失或产生。r f l p 标记广泛分布于整个基因组，其等位基因具有共显 性的特点，遵循孟德尔遗传规律，结果稳定可靠，重复性好。但是，这种标记的操 作非常繁琐，在进行r f l p 分析时，首先需要该位点的d n a 片段做探针，还要利用 放射性同位素及核酸杂交技术，因此，这类标记很难直接在育种上应用( p o w e l le ta 1 ， 1 9 9 6 ) 。 s s r ( 简单重复序列) 标记，也称微卫星d n a ( m i c r o s a t e l l i t ed n a ) 标记，是 一类由几个碱基组成的基序( m o t i f ) 串联重复而成的d n a 序列，其中最常见的是 双核苷酸重复，即( c a ) n 和( t g ) n 。s s r 标记广泛存在于基因组的不同位点，其 长度一般在2 0 0 b p 以下( m o r g a n te ta 1 ，1 9 9 3 ) 。根据s s r 两翼的保守序列设计引物， 再通过p c r 反应扩增微卫星片段。由于不同遗传材料的重复次数不同，导致核心序 列重复数目不同，因而扩增产物在长度上存在变化，产生了多态性。微卫星序列在 群体中揭示的多态性高，且覆盖全基因组，数量丰富，一般为呈共显性。又由于用 银染技术代替了传统的放射性技术，所以s s r 标记更加安全、方便、省时省力。近 年来随着很多物种基因组测序的完成，大量s s r 标记得到开发( m e c o u c he ta 1 ， 1 9 9 7 ) ，更由于基因芯片、毛细管电泳等新兴技术的投入使用，从而使遗传连锁图谱 华中农业大学2 0 1 0 届硕士学位论文 的构建变得更加方便、快捷。 s n p ( 单核苷酸多态性) 标记是指同一位点的不同等位基因之间单核苷酸的差 异，包括单个碱基的插入或缺失，单个核苷酸的替换等( c h orje ta 1 ，1 9 9 9 ) ，s n p 标记被认为是应用前景最好的遗传标记。目前，已经有2 0 0 0 多个s n p 标记定位于人 类染色体上，在拟南芥上也发展出多个s n p 标记。检测s n p 的最佳方法是基因芯片 技术，s c h r n a l z i n g 等报道的微芯片电泳技术，可以快速检测临床样品的s n p ，比之毛 细管电泳可提速1 0 倍，和板电泳相比，更可提高5 0 倍的速度( s c h m a l z i n ge ta 1 ，2 0 0 0 ) 。 s n p 标记与r f l p 及s s r 标记的不同表现在以下两方面：s n p 不再基于d n a 片段的长 度变化为检测手段，而是直接以序列变异作为标志；s n p 标记的分析摒弃了经典的 凝胶电泳，而代之以更先进快捷的d n a 芯片技术。 当然，不同的分子标记原理不同，各具特色，相互在技术上更可互补，在科学 应用过程中，不应局限于单一的分子标记，而应恰当运用各种分子标记，增加遗传 图谱的标记密度。 1 3 2 遗传作图群体 一般用来q t l 定位的初级群体有f 2 群体、f 3 群体、回交群体，重组自交系群体 ( r i l s ) 、双单倍体群体( d h ) ，这些群体又可细分为临时性分离群体和永久性群体。 临时性分离群体包括f 2 ：3 群体、回交群体，这些群体的后代中含有杂合基因型， 因而可发生分离，不能在不同的环境中进行重复试验。但临时性群体构建简单，可 估计加性效应和显性效应，因此这种作图群体经常用于q t l 作图研究。 永久性群体包括r i l s 群体和d h 群体。r i l s 利用单粒传( s s d ) 的方法得到，由 于经过多代自交后，系内个体间多数位点已经纯合，自交不分离，所以对相同基因 型的单株可以进行重复试验，在不同的环境下对q t l 进行定位，同时检测q e 互作。 d h 群体是利用花药培养和染色体加倍的方法，得到完全纯合的单株，其后代稳定， 可永久使用。利用这类群体进行q t l 作图也有大量报道。但是构建永久性群体所需 时间较长，且不能估计显性效应。 在初级作图群体中，非目标q t l 位点也会发生分离，这极大程度的干扰了目标 4 近等基因系群体的g h d 7 和印j i j 上位性分析 q t l 的表型性状，因此要对q t l 进行精细定位，还需构建更高级的作图群体。 高级作图群体主要指的是含有目标的染色体片段替代系( c s s l s ) 和近等基因 系群体( n i l s ) ，通过连续回交和分子标记辅助选择( m a s ) 可以得到。这些群体 个体间仅在目标q t l 位点发生分离，极大限度的消除了背景干扰，使该位点表现为 简单的孟德尔遗传，为精细定位和品种改良创造条件( x i ee ta 1 ，2 0 0 8 ) 。 1 3 3 统计方法 随着数量性状的深入研究，q t l 定位的方法也在不断的完善。统计方法有单标 记法、区间作图法、复合区间作图法、混合线性模型的复合区间作图法。 单标记法即按照不同标记基因型对供试材料进行分组，利用t n 验或方差分析检 测基因型与表型的关系，这种方法不需要构建连锁图谱，只能确定标记与q t l 是否 连锁，而不能准确估计q t l 的具体位置。 区间作图法( i n t e r v a lm a p p i n g ，i m ) 是将极大似然法和线性回归相结合，以完 整的遗传连锁图为基础，对基因组任意相邻的两个标记之间是否存在某性状的效应 位点进行判断，用一个似然值( l o d ) 表示( l a n d e re ta 1 ，1 9 8 9 ) 。该方法可以估计 q t l 的效应大小和所在位置，但是也有不足的地方，即容易产生幻影q t l ( g h o s t q t l ) ，幻影q t l 是指当同一染色提上存在多个q t l 对同一性状产生影响时，i m 法检 测到的q t l 的位置和效应估计出现偏差。 后来，发展出复合区间作图法( c o m p o s i t ei n t e r v a lm a p p i n g ，c i m ) ，就是在i m 模型中加入标记协因子，选择多个可能的q t l s 作为背景干扰，得, l p , q t l 与性状之间 的偏回归系数用以检i 贝t j q t l 是否存在( z e n ge ta 1 ，1 9 9 4 ) ，这样的方法控制了背景遗 传效应，消除了区间之外其他位点q t l 的影响，增加- j q t l 的可靠性，提高了作图 精确性。 混合线性模型复合区间作图法可分析q t l 的加性和显性效应、上位性效应以及 q e - f f 作效应( w a n g e ta 1 ，1 9 9 9 ) 。这种方法可以把环境效应、q e 互作效应等作为随 机效应，进行多环境下的联合q t l 定位分析，提高作图精度和效率。 华中农业大学2 0 1 0 届硕士学位论文 1 4q t l 上位性和杂种优势 多数作物的产量构成因子都是复杂的数量性状，由多个q t l 控制，同时受环境 影响。控制这些复杂性状的遗传体系包括基因主效应、基因间互作效应( 上位性) 以及基因与环境的互作效应。f i s h e r ( 1 9 1 8 ) 首次提出上位性，用以描述非等位基因 座累加效应的统计偏差，并采用正交剖分的方法将遗传方差分为加性、显性和两位 点互作方差三部分。c o c k e r h a m ( 1 9 5 4 ) 进一步将上位性方差分解为加性加性( a a ) 、 加性显性( a d ) 、以及显性显性( d d ) 。 杂种优势是生物界的普遍现象，它是指两个遗传组成不同的亲本产生的杂种一 代在生活力、生长势、抗逆性、产量、品质等方面优于亲本的现象。杂种优势自发 现以来，便在作物育种中展开了广泛的研究与运用，有关杂种优势的遗传机理研究 一直备受关注( x i a oe ta 1 ，1 9 9 5 ) ，国内外学者就此提出了多种假说。显性假说 ( d o m i n a n c eh y p o t h e s i s ) 首先由b r u c e ( 1 9 1 0 ) 提出，后来j o n e s ( 1 9 1 7 ) 又进一步 补充完善。该假说认为：在长期的自然选择过程中，多数显性基因有利于个体的生 长和发育，相对的隐性基因不利于生长和发育，所以在自然选择和人工选择压力下 未遭到淘汰。而不同品系的亲本进行杂交后，来自一个亲本的显性基因可以遮盖来 自另一亲本的隐性基因，这种互补效应消除了不利基因的作用，产生了杂种优势。 超显性假说( o v e r d o m i n a n c eh y p o t h e s i s ) 是由s h a l l 和e a s t ( 1 9 1 8 ) 各自分别提出的， 该假说认为：杂种优势并非由显性有利等位基因对隐性不利等位基因的遮盖决定， 而是由于杂合等位基因( a a ) 的两个成员在生理能力和适应性等方面，均优于任何 一种纯合类型( a a 或a a ) 。这种杂合等位基因不论是显隐性，都表现出杂种优势。 与显性假说相比，超显性假说有一个重要的差别：显性假说认为，两个亲本必须有 至少两对等位基因有差别，才能表现杂种优势；超显性假说则认为，两个亲本只要 有一对等位基因的差别，就能表现出杂种优势。 显性和超显性假说都是基于遗传学单基因理论，很难解释非等位基因的互作效 应。近年来的有关生理和生化遗传的研究表明，基因产物的功能互作是普遍存在的。 功能互作可能是遗传统计上的上位性生物学基础( t r u d ye ta 1 ，2 0 0 1 ) 。由于水稻的 6 近等基因系群体的g h d 7 和勿 ，上位性分析 许多性状都是受多位点控制，一个基因的改变可能会引起许多性状的反应。鉴于此， 上位性效应应是水稻产量性状遗传的重要组分之一。近年来，分子标记被广泛运用 于上位性的研究之中，华金平等( 2 0 0 3 ) 利用水稻优良组合“汕优6 3 r i l 间随机 杂交，构建了一个“永久f 2 群体，结果证实，q t l 间的互作效应是杂种优势作用 因素之一，这种上位性效应对杂种优势的作用会随遗传背景的不同而改变。 1 5 水稻产量q t l s 的定位与克隆 1 5 1 水稻株型q t l s 研究 合理的株型是水稻高产和稳产的生育基础和形态特征，培育半矮杆、少分蘖、 茎杆粗壮、群体光能与养分利用率高的“理想株型”一直是育种学的重要方向。自 分子标记的普及使用以来，大量有关株型的q t l 被定位，水稻株型性状的遗传研究 已经从经典遗传学的水平深入到分子水平。 2 0 0 2 年，s p i e l m e y e r 等使用高株k y e e m a 和矮株d o o n g a r a 作为亲本构建的近等基 因系，使用5 0 个重组单株将s d - 1 精细定位在第一染色体长臂两个r f l p 标记之间。随 后，使用图位克隆的方法成功克隆该基因。s a s a k i 等( 2 0 0 2 ) 发现s 小j 编码与赤霉素 ( g a ) 合成有关的g a 2 0 o x ，生物体内g a 合成途径大体可分为三个阶段：内根贝 壳杉烯( e n t k a u r e n e ) 的生物合成；细胞色素p 4 5 0 单加氧酶催化e n t k a u r e n e 转变成 g a l 2 ；c 2 0 和c 1 9 g a 的形成。g a 2 0 氧化酶是g a 生物合成过程中的一个关键酶， 它催化g a 5 3 一g a 4 4 _ g a l 9 一g a 2 0 的三步反应。 2 0 0 3 年，李家洋研究小组从水稻单分蘖突变体m o n oc u l ml ( m o c l ) 中克隆了控 制水稻分蘖的基因m o c l 。转基因功能互补试验证明m o c l 控制水稻分蘖，氨基酸序 列比较分析表明该基因属于g r a s 转录因子家族，其表达的蛋白能够促进腋芽分生。 在水稻中过量表达m o c l 可以得到多分蘖的转基因稻，该基因在农业生产上具有非 常重要的应用价值，利用转基因技术有目的的调控植物株型，使之成为高产、优质、 高效的优良品种。 7 华中农业大学2 0 1 0 届硕士学位论文 2 0 0 9 年，付向东研究小组从中国东北超级稻品种“沈农2 6 5 ”中成功分离出水稻 直立型密穗基因d e p l ，它是一个控制水稻产量性状的主效q t l ，该位点上的显性等 位基因是一个功能性获得性突变，它能引起稻穗变短、直立、着粒密集。d e p l 位点 编码与磷脂酰乙醇胺结合蛋白有类似功能域的蛋白，促进细胞分裂，从而提高水稻 产量。除此之外，d e p l 也能在其他主要农作物中发挥作用，已经在小麦和大麦中发 现了同等功能的等位基因。这一发现对农作物分子育种有重要的应用价值，可望由 此进一步研培育出更高产的新品种。 1 5 2 水稻抽穗期q t l s 研究 抽穗期决定了水稻品种的地区以及季节适应性，对指导育种实践、品种改良及 品种推广均具有重要意义，水稻的生长发育由以下3 个部分组成：基本营养生长、感 光性、感温性。g a r n e r 和a l l a r d 在上世纪2 0 年代提出长短日照的概念，由对日长的 反应将植物分为三类：长日照，短日照和日中性植物( g a i n e ra n da l l a r d ，1 9 2 2 ，1 9 2 7 ) 。 长日照植物亦称长日性植物，指植物在生长发育过程中需要有一段时期，如果 每天光照时数超过一定限度( 1 4 d 时以上) 才能形成花芽，日光照时间越长， 开花越早，短日照植物则相反。而日中性植物是指对日长的反应不敏感的植物。水 稻是典型的短日照植物，在短日照条件下，加速抽穗。 y a n o 等利用n i p p o n b a r e k a s a l a t h 籼粳交群体在定位到了位于第6 染色体中部影响 水稻抽穗期的q t l ，h d l ，然后利用高世代回交群体将其定位在1 2 k b 区间内。2 0 0 0 年，h d l 被克隆，它与拟南芥c o n s t a 脱因同源，编码具锌指结构域和核定位信号 的一种蛋白，是主要控制光周期反应的s e l 基因的等位基因。来自于n i p p o n b a r e 的等 位基因短日照促进抽穗，长日照抑制抽穗，比较测序发现，籼稻亲本k a s a l a t h 的等位 基因发生了多处突变，导致功能的缺失( y a n oe ta 1 ，2 0 0 0 ) 。 d o i 等( 2 0 0 4 ) 使用图位克隆法在水稻中克隆了另一抽穗期q t l ，肋洲，该基因 在短日条件下促进抽穗，长日下则对抽穗期没有影响。e h d l 对抽穗期的作用是独立 与h d l 存在的。励们基因编码含3 4 1 个氨基酸的b t y p e 反应调控元件( b t y p er e s p o n s e r e g u l a t o rp r o t e i n ) ，其表达可能受生物钟与光周期的双重调控，励川的表达在短日 8 近等基因系群体的g h d 7 和勿厅，上位性分析 下存在峰值，在长日下受到抑制。芯片数据以及r t - p c r 分析显示：舶们在短日下促 进月刃口与其他m a d s 、f 互己碳基因的表达。与其它抽穗期基因不同的是，e h d l 在拟南芥中找不到同源基因，推测在水稻中可能存在一条独特的信号通路来控制水 稻开花。 1 5 3 水稻每穗粒数和粒形q t l s 的研究 提高水稻产量是水稻育种和研究的终极目标，在水稻高产育种中，开始从多穗 型向中间型和穗重型过渡，通过提高总颖花数，也就是穗粒数来提高单位面积的产 量。水稻的每穗颖花数是复杂的数量性状，一般由多个主效和微效的q t l 共同控制， 且易受环境影响，因此具有非常复杂的遗传基础。随着分子标记技术和分析方法的 发展和完善，一些和水稻每穗颖花数相关的q t l 被检测到。 2 0 0 5 年，a s h i k a r i 等利用籼稻h a b a t a k i 和粳稻k o s h i h i k a r i 作为亲本，首先使用9 6 个单株的n i l 在第一染色体短臂上初步定位了控制水稻每穗粒数的q t l ，g n l ，该 q t l 解释y 4 4 的表型变异，在精细定位的过程中，将g n l 分解为g n l a 和g n l b 。最 终利用1 3 0 0 0 株的n i l 分离群体，将g n l a 定位在6 3 k b 的区域内。利用生物信息学知识 进行搜索，在该区域找到一个编码细胞分裂素氧化酶的基因，o s c k x 2 。通过比较测 序发现，群体内大穗的品种该基因发生了突变，在基因编码区存在1 l b p 的碱基缺失， 由此推测仇c 麟2 就是g n l a ，紧接着对o s c k x 2 的反义r n a 遗传转化结果证实了这一 推测，遂g n l a 被成功克隆。o s c k x 2 的表达量和水稻每穗粒数呈现负相关，o s c k x 2 基因表达量的降低导致花序分生组织中细胞分裂素的积累，从而影响穗部细胞的分 裂速度，引起每穗粒数的增加。这一发现有利于在育种中有效选育大穗品种。 2 0 0 6 年，f a n 等克隆了位于水稻第三染色体上同时控制粒长和粒重的g s 3 。该研 究以长粒品种明恢6 3 和短粒品种) a 1 7 为亲本，构建g s 3 的近等基因系进行遗传定位。 最终将其定位于7 9 k b 区域内。利用生物信息学方法分析定位区间的序列，找到一条 全长c d n a ，来自于广陆矮4 号的幼芽组织，利用该c d n a 构建超标达载体并转化， 获得的转基因植株粒长减小，同时构建r n a i 载体并转化，得到了谷粒变大的表型单 株。 q 华中农业大学2 0 1 0 届硕士学位论文 1 6g h d 7 和卯办j 的研究进展 1 6 1 水稻一因多效基因g h d 7 2 0 0 8 年，x u e 等利用z h e n s h a n 9 7 m i n g h u i 6 3 衍生的r i l ，发现第7 染色体 c 1 0 2 3 r 1 4 4 0 区间存在一个影响每穗颖花数、抽穗期和株高的q t l 。后构建供体片段 在c 1 0 2 3 r 1 4 4 0 之间的n i l ( m h 7 ) ，以及供体片段在r m 5 4 3 6 r m 5 4 8 1 之间的n i l ( t q 7 ) ，两个n i l 内其它位点均纯合至z h e n s h a n 9 7 基因型。在近等基因系中，三个性 状都呈不完全显性，其中，晚穗对早穗显性，高株对矮株显性，大穗对小穗显性。 且这三个性状总是紧密连锁，即早穗单株总是小穗和矮杆，晚穗的单株总是高杆和 大穗，没有交换发生。使用来! 刍n i l ( t q 7 ) z h e n s h a n9 7 的f 2 分离群体，将g h d 7 精细定 位于分子标记m r g 4 4 3 6 一c 3 9 之间。光周期试验结果显示，在8 小时的短日照条件下， n i l ( m h 6 3 ) 的表型与z h e n s h a n 9 7 没有显著差异，由此说明，g h d 7 是感光基因。 由于g h d 7 位于染色体着丝粒区，遗传重组受到抑制，使用图为克隆的方法已经 很难将其定位到更小的区域内，于是决定利用候选基因的方法对g h d 7 进行克隆。通 过分析m r g 4 4 3 6 c 3 9 之间的序列，发现在标记r m 2 2 5 6 附近有一个预测的u n k n o w n p r o t e i n ，含有一个完整的c c t 结构域( c o n s t a n s , c