利用近等基因系对水稻芒基因AWN3-1的遗传定位.pdf

书书书 中国农业大学学报 利用近等基因系对水稻芒基因 的遗传定位 姚国新 张 强 吴建涛 胡广隆 李自超 中国农业大学 农学与生物技术学院 农业部作物基因组与遗传改良重点实验室 北京市作物遗传改良重点实验室 北京 孝感学院 生命科学技术学院 湖北 孝感 吉林省农业科学院 水稻研究所 吉林 公主岭 摘 要 水稻长芒是从野生稻保留下来的性状 通过人工选择培育的现代品种一般都是无芒类型 到目前为止 还没有关于控制芒的基因精细定位和克隆的报道 本实验利用国家种质资源库中有芒的亲本 与无芒亲本日 本晴构建回交近等基因系 群体 从 回交分离群体中 选择出有芒和无芒呈 分离的群体 从中选 择杂合 单株构建 定位大群体 利用分离群体分组混合分析法 法 筛选均匀分布水稻染色体 组上 对 标记 将芒基因定位在第 染色体 和 之间 命名为 通过设计和筛 选多态性标记 进一步将 定位在 和 标记之间 遗传距离分别为 和 这些结果为克隆 奠定了基础 关键词 水稻 芒 基因定位 中图分类号 文章编号 文献标志码 收稿日期 基金项目 国家 计划项目 国家 计划项目 国家科技支撑计划 项目资助 第一作者 姚国新 博士研究生 通讯作者 李自超 教授 博士生导师 主要从事水稻种质资源及功能基因组研究 在野生稻进化到栽培稻的过程中 许多性状不 仅受到自然选择的影响 而且在很大程度上也是人 工选择的结果 例如芒的有无 籽粒的落粒性及种 皮颜色等 芒可以抵御鸟类啄食 增加迁移机率 中 国 农 业 大 学 学 报 年 第 卷 这些性状的改变对于水稻本身来说或许并不都是有 益的 但是 人工选择的性状都是符合育种需求 的 对这些性状进行作物功能基因组和稻作起源演 化及育种应用上的研究 具有十分重要的理论和实 践意义 水稻中已有 个与驯化相关的基因被克隆 包 括 个控制落粒的基因 和 个控 制分蘖角度的基因 和 个控制 红 色 米 皮 的 基 因 个 控 制 糯 质 的 基 因 野生稻中具有落粒的性状 有利于水稻的 繁殖 在人类选择下 逐渐变为不落粒 有利于收获 谷粒 等利用栽培稻 与野生 稻 构建回交群体 通过图位克隆方法 成功克隆了 研究表明栽培稻种中的等位基因 也保留了部分落粒性 等利用栽培稻中 落粒的籼稻 和不落粒的粳稻 构 建群体 同样通过图位克隆技术 分离了控制落粒的 基因 在籼稻和粳稻亚种中该基因同样存在 差异 说明落粒性在籼粳亚种间是独立遗传驯化 的 株型直立 有利于接受更多阳光 增加产量 等 和 等 分别克隆了控制水稻匍匐生长 的基因 和 基因突变后使水稻由匍 匐生长转向直立生长 等利用栽培稻与野 生稻构建定位群体 将控制米皮颜色的基因 分 离克隆 该基因是一个编码 结构域的转录因子 目前对控制芒性状基因的研究还仅仅停留在初 步定位的阶段 针对芒性状的精细定位和克隆研究 尚未 见 报 道 等 等 等 和 等 利用不同的材料定位了 个与芒相关的 分布于第 和 染色体上 表明芒性状是一个典型的数 量性状 本实验利用长芒材料 与无芒日本晴 通过连续杂交和回交 获得遗传背景相近 携带控制 不同芒性状基因的一套近等基因系 利用分 子标记和 材料对控制芒性状的基因进行了遗 传定位 研究为进一步克隆控制水稻芒性状的基 因 分析基因功能奠定了基础 材料与方法 定位材料构建 长芒亲本 粳稻 国外引进种 质资源 主穗芒长约 无芒亲本日本晴 粳稻 以 作为供体亲本 日本晴为轮回 亲本 随机挑选有芒单株与轮回亲本回交 杂交和 回交群体分别在中国农业大学上庄实验站 和海南省三亚南滨实验站 种 植 定位群体回交至 代 芒性状调查 定位群体齐穗后 以整穗完全无芒作为无芒单 株 调查群体中有芒和无芒单株的分离比例 适合度 测验用 完成 提取及 池构建 提取方法参照 等方法 略有改 动 池构建参照 等 方法 分别选择 株长芒和 株无芒单株 构建有芒和无芒池 银染 和电泳读带参照 等 方法 分子标记开发及遗传距离计算 对 标记参照 等 公布 的序列合成 均匀分布于水稻整个染色体组 平均标 记间距 水稻基因组序列由 和 下 载 序 列 比 对 采 用 和 软件 利用 和 设计标记引物序列 利用 进行分子标记的带型数据分 析和遗传距离计算 方法计算遗传距离 结果与分析 群体中芒分离比例的遗传分析 芒是多基因控制的数量性状 随机挑选有芒单 株回交 将控制芒的 分离到不同的群体中 回交至 构建 个约 株的小群体 调查 各小群体中芒有无的分离比例 统计结果见表 遗传分析表明 和 的芒有无分离 呈孟德尔式遗传 中含有控制芒性状的 个 中的芒有无受到上位性效应影 响 其他几个群体 位点个数和作用方式还不 清楚 和 群体中芒有无的分离为 表明该群体中的芒性状受 个显性单基因控 制 本实验选择 作为初步定位和进一步扩 繁定位的群体 第 期 姚国新等 利用近等基因系对水稻芒基因 的遗传定位 表 各群体中的芒分离比例的遗传分析 调查内容 总株数 有芒株数 无芒株数 分离比例 注 代表符合假设比例 对 基因的初步定位 从 对 标记中筛选到 对在双亲间 有多态性的标记 利用构建的 有芒和无芒池 在 对标记中筛选到 个池间有多态性的标记 和 利用 群体 对 个多态性的标记进行连锁分析 将目标基因定 位在第 染色体上的 和 之间 遗 传距离分别为 和 命名为 对 基因的进一步定位 利用 群体中 和 标记 全部为 杂 合 带 型 的 单 株 自 交 共 挑 选 了 株 无芒单株用于对 基因的的进一步 定位 在 和 之间 利用开发的新 标记 亲本中共筛选到 和 共 个有多 态性的标记 引物的序列信息见表 将 个标记 在 个无芒单株中进行定位连锁分析 被定位于标记 和 之间 遗传距离分别为 和 遗传图谱见图 说明 因定位群体扩 大 图 中各标记的遗传位置与初步定位结果稍有 差异 表 新开发引物的序列信息 引 物正向 反向 分子质量 图 在第 染色体上连锁遗传图 讨 论 与前人定位芒基因的比较 前人研究表明 在第 染色体上存在控制芒 的基因 初步定位在 范围内 由于定位群体 大小和标记密度等的原因 无法将其限定在较窄的 范围 本实验将 基因进一步精细定位在 范围内 位于前人定位的区间内 是否与已 报道初步定位的芒基因相同 还有待进一步验证 可用于驯化研究 在水稻进化演化的过程中 同时也伴随着人类 对水稻性状的驯化选择 对驯化过程中关键基因的 研究 可为水稻的起源演化途径提供证据 目前对 中 国 农 业 大 学 学 报 年 第 卷 于 水 稻 的 起 源 大 致 有 两 种 观 点 一 种 是 籼 稻 起 源 于 野 生 稻 粳 稻 起 源 于 籼 稻 随 后 形 成 现 代 的 栽 培 稻 另一种是籼稻 和粳稻 均起源于野生稻 是 个独立平行 的演化途径 究竟水稻怎样由野生稻演化为现 代的栽培稻还没有定论 通过检测在驯化过程中的 关键基因 和 在籼粳稻中的变异 结 果与粳稻起源于籼稻的结论相矛盾 芒也是水稻驯 化过程中的关键基因 对芒基因的定位 克隆和驯化 过程的研究可能会为水稻的起源演化提供更多的分 子证据 控制芒性状基因的作用方式复杂 芒性状是一个复杂的数量性状 温度 光照 海 拔 逆境等因素会影响芒的有无 同时无芒的籼粳材 料间杂交 后代也会出现芒 因而在表型上芒是 一个不稳定的性状 在遗传上 已有的研究表明 芒 是显性性状 由几对基因控制 同时存在上位性 本试验回交构建的 个群体中 分离出有单基因控 制芒性状的 和 群体 也有上位性影 响的 群体 在 和 群体中 既 有芒长较长且分布均匀的单株 也有芒长属于中间 类型且分布较稀疏的单株 证实芒性状是由多基因 控制的不完全显性性状 存在上位性效应 鉴于芒 产生的复杂性和存在多基因互作 利用水稻亚种内 材料构建定位的回交 可消除籼粳不同遗传背 景对芒的影响 但亚种内材料构建群体可能会遇到 遗传多样性狭窄 标记开发困难等问题 需选择遗传 差异大的材料作为亲本 结 论 水稻长芒是从野生稻保留下来的性状 通过人 工选择培育的现代品种一般都是无芒类型 因而控 制芒的基因是研究驯化的重要位点 本实验通过构 建 分离控制芒的 获得了第 染色体上 控制芒性状的单个 并将 精