【毕业学位论文】水稻根系性状的遗传及基因定位博士论文

密级 ： 论文编号 ：中国农业科学院博士学位论文水稻根系性状的遗传及基因定位.)博 士 研 究 生 ： 吴伟明指 导 教 师 ： 程式华 研究员申 请 学 位 类 别 ： 农学博士专 业 ： 作物遗传育种研 究 方 向 ： 水稻遗传育种培 养 单 位 ： 中国农科院研究生院中国水稻研究所提交日期 2006年 6月.)D 006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 ， 也不包含为获得中国农业科学院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 。研究生签名 ： 时间 ： 年 月 日关于论文使用授权的声明本人完全了解中国农业科学院有关保留 、 使用学位论文的规定 ， 即 ： 中国农业科学院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 。 同意中国农业科学院可以用不同 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 )论文作者签名 ： 时间 ： 年 月 日导师签名 ： 时间 ： 年 月 日中国农业科学院博士学位论文1中国农业科学院博士学位论文评阅人、答辩委员会名单表论文题目 水稻根系性状的遗传及基因定位论文作者 吴伟明 专 业 作物遗传育种学 研究方向 水稻遗传育种学指导教师 程式华 培养单位（ 研究所 、 中心 ） 中国水稻研究所姓名 职称 硕 （ 博 ）导师 单 位 专 业 签 名石春海 教授 硕导 博导 浙江大学 作物遗传育种学金庆生 研究员 硕导 博导 浙江省农业科学院 作物遗传育种学评阅人钱 前 研究员 硕导 博导 中国水稻研究所 分子遗传学答辩主席祝水金 教授 硕导 博导 浙江大学 分子遗传学石春海 教授 硕导 博导 浙江大学 作物遗传育种学陶跃之 研究员 硕导 博导 浙江省农业科学院 分子遗传学李西明 研究员 硕导 博导 中国水稻研究所 作物遗传育种学胡培松 研究员 硕导 博导 中国水稻研究所 作物遗传育种学庄杰云 研究员 硕导 博导 中国水稻研究所 分子遗传学答辩委员杨长登 研究员 硕导 博导 中国水稻研究所 分子遗传学会议记录 （ 秘书 ） 胡慧英论文答辩时间地点 2006年 6月 18日 中国水稻研究所中国农业科学院博士学位论文2摘 要根是水稻的重要器官 ， 但其研究相对滞后 。 根系研究不仅有重要的理论意义 ， 而且有很大的实际应用价值 。 本研究在探索水稻成型根系特征 的基础上 ， 重点对其进行遗传分析 ， 目的是揭示其规律 ， 阐明其遗传特性 ， 为今后对水稻根系进行遗传改良提供理论参考 。1. 利用水稻水面无土栽培新方法进行试验群体材料的培育 ， 不仅能使培育的水稻取得与传统水田栽培相同的生物量与产量 ， 而且使根系的取样研究更方便 、 快捷 ， 工作量小 ， 根系的损伤小 。2 通过研究揭示了齐穗期成型水稻根系的形态分布特征 ： 按根粗对根长 、 根表面积 、 根体积和根尖数进行分区分析表明 ， 不同的根性状具有不同的分布特性 。 根长分布的最大值在 则认为该区间最高处所对应的位点即为该性状的一个 以 P 同时计算各 为了对根形态性状进行根详细的分析 ， 按根粗对不同的形态性状进行分区 ， 分区间距为每 每个分区单独作为一个性状 。 由于数据较多 ， 数据文件较大 ，利用 所以采用朱军等 （ 2003） 最新开发的 同样以 P 同生育时期根个体的特点不同时期的水稻单个不定根 ， 其形态是有差异的 （ 图 2 主要表现在根粗 、 根长和根的分支的多少以及分支根级数的多少上 。 苗期的不定根一般都比较细弱 ， 根也相对较短 ， 其分支根少 ，有的甚至没有分支根 。 即使发生的分支根也只是一次分支而几乎没有二次及二次以上分支 。 随着水稻生长 ， 不定根的总体数量逐渐增加 ， 不定根的根粗 、 根长度都逐渐增加 ， 不定根上所发生的分支根的数量也随之明显增多 。 不仅如此 ， 分支根的级数也逐渐增加 。 到齐穗期 ， 不定根的发展基本定型 ， 水稻整个根群完全形成 ， 之后虽然部分根仍然在继续生长 ， 但幅度非常有限 。 根据前人的观察 ，水稻单根最长可以超过 100在我们的研究中 ， 观察到 60 分支根的级数一般可以达到 3级以上 ， 多的可以达到 6级甚至更多 。中国农业科学院博士学位论文 第二章水稻齐穗期成型根形态性状的特点及基因定位5叶期 返青期 齐穗期图 2稻不同时期单个不定根比较F 2of of in 稻的根毛前人研究认为 ， 水稻在水培的条件下 ， 由于水体中的氧气少等原因 ， 它的根是不会产生根毛的 。在田间条件下 ， 尤其是在搁田以前 ， 水田土壤是在水分饱和的状态下 ， 一般也认为不会产生根毛 。本研究通过对水稻根的观察发现 ， 在水培条件下 ， 根是会产生根毛的 （ 图 2 而且不是偶然的个别现象 。图 2稻苗期不定根及根毛of 稻群体根形态性状的变异分析从图 2 对于群体根性状的变异分析表明 ， 5个性状均连续性的分布 ， 符合数量性状特征 。 适合进行 图 2of H 形态性状按根粗的分区分布特征分析通过对群体全 部 127个株系 ， 508个取样样品的根形态性状的测定 、 汇总分析 ， 结果显示 ， 根系的不同性状呈现不同的分布特征 。 对根粗按 二章水稻齐穗期成型根形态性状的特点及基因定位23表 2体根性状分区分布of in D 性状 10 4 m）10 7）二章水稻齐穗期成型根形态性状的特点及基因定位24表 2体根性状分区分布百分比of in D 性状 %）of %）of %）of %）of 二章水稻齐穗期成型根形态性状的特点及基因定位25表 2均单株根性状分区分布of in D 性状 m） 10 4）二章水稻齐穗期成型根形态性状的特点及基因定位26发现 ， 根长分布 、 根尖数量分布曲线相类似 ， 其分布曲线基本上是一个指数曲线 ， 从粗到细 ， 根长呈指数增长 。 根表面积的分区分布则是一个多峰曲线 ， 小峰 最大值在 而根体积分区分布特征与根长 、 根表面积和根尖分布都显著不同 ， 其曲线基本上是一个连续的单峰的类正态分布曲线 。长分布特征按根粗对根长进行分区分布分析表明 ， 其分布基本上是一个指数曲线 ， 从粗到细 ， 根长呈指数增长 （ 图 2 群体总根长最高值分布在根粗 总根长 其次分别为 群体根长分别为 万米 （ 表 2 其长度占全部区间总长的百分比分别是 和 11， 两个区间长度占总长的 88 以上 。 由此可见 ， 水稻根在 其中主要是 图 2 6 不同根粗分区的根长分布of 表面积分布特征根表面积的分区分布特征与根长分布不同 ， 其分布曲线是一个多峰曲线 （ 图 2 根由粗到细 ， 根表面积逐渐增加 ， 在 有一个小高峰 ， 之后略有下降 ， 然后又增加 ， 并且增加的幅度是呈指数增长的 。 与根长分布的最大区间一样 ， 最大值也 在 该分区表面积为 占总表面积的 其次分别是 分别占总表面积的 实际上 ， 水稻单根的根基粗一般在 1 粗于 1 根系表面积是根系功能主要指标 ， 根的吸水 、 吸肥功能不仅跟其生理性状有关 ， 而且与吸收的表面积呈正相关 。 显然 ， 根表面积越大 ， 吸收能力越大 。中国农业科学院博士学位论文 第二章水稻齐穗期成型根形态性状的特点及基因定位27图 2同根粗分区的根表面积分布of 体积分布特征对根体积进行分区分布分析表明 ， 其分布特征与根长 、 根表面积分布显著不同 ， 其曲线基本上是一个连续的单峰曲线 （ 图 2 从粗到细 ， 根体积逐渐增加 ， 至 之后又逐渐下降 。 最高值所在根粗区间 总根体积的 虽然根长和根表面积的最大值区间在 但该区间所占的根体积却不是最大 ， 所占比例只有 不到根总体积 10 的 占根总表面积的 由此也可以说明细根对于整个根系的重要性 。图 2体积在不同根粗区间的分布of 尖数量分布特征根尖的分区分布特征与前两者相类似 ， 而与根体积不同 。 分析表明 ， 其分布特征与根体积及根表面积显著不同 ， 而与根长分区分布特征相似 （ 图 2 但在细根端的曲线更陡 。 从粗到细 ， 根尖数量缓慢增加 ， 从 渡曲线 ， 几乎呈垂直状态 。 表 2 群体根尖数量在 占总数的 而其它区间所有根尖数量加起来总和还不到 3。图 2稻根尖数量在不同根粗分区的分布of 占根长 占根表面积 细根是根尖及其后一定短距离内的根 。 这部分根在水稻根的功能上 ， 扮演了极其重要的角色 。 同时也说明 ,本研究所采用的水面无土栽培方法 ，其取样的样品能够保存很好的完 整性 。 否则 ， 如果样品不完整 ， 细的分支根损失 ， 则根尖数量在较细分区的比例就会大大下降 ， 而相对粗分区内的分布就会大大提高 。 这也说明 ， 本研究的结果具有较好的准确性和可靠性 。形态性状的 形态性状的主效 五个形态性状检测到主效 7个 ， 在 12条染色体上都有分布 （ 图 2 其中根长主效 个 ， 根表面积主效 个 ， 根体积主效 个 ， 根平均直径和根尖数量的主效 0个和 9个 （ 表 2中国农业科学院博士学位论文 第二章水稻齐穗期成型根形态性状的特点及基因定位295(4(2(6(3(1(二章水稻齐穗期成型根形态性状的特点及基因定位307( M 8( M 9( M 10( M ( M 12( M 形态性状加性 on 二章 水稻齐穗期成型根形态形状的特点及基因定位31表 2形态性状主效应数量性状基因座间 位置 加性效应 献率) 2(%)根长 2132 356 124_1 1106 124_1 1106 49 357 27181294400 2002132 148 1106 二章 水稻齐穗期成型根形态形状的特点及基因定位32根长的 7个主效 、 8、 9、 11和 12染色体上 。 其加性效应从 释表现型总变异的 累计贡献率为 其中 4个 来自窄叶青 8号 ， 3个 来自京系 17。共检测到 6个根表面积的主效 分别在第 9、 11和 12染色体上 。 其加性效应从 解释表现型总变异的 累计贡献率为 其中 4个 来自窄叶青 8号 ， 2个 来自京系 17。检测到 5个根体积的主效 、 9、 11和 12染色体上 。 其加性效应从 解释表现型总变异的 累计贡献率为 其中 3个 负值 ， 来自窄叶青 8号 ， 2个 来自京系 17。 平均根直径的的 10个主效8和 9染色体上 。 其加性效应从 解释表现型总变异的 累计贡献率为 其中 4个 来自窄叶青 8号 ， 6个 来自京系 17。有关根尖数量的主效 个 ， 分别座落在第 6、 8、 9、 10和 12染色体上 。 其加性效应从 解释表现型总变异的 累计贡献率为 。 其中 7个 来自窄叶青 8号 ， 2个 来自京系 17。总体来看 ， 虽然每一条染色体上都检测到具有显著效应的 检测到的主效 、 第 9和第 12号染色体上 。 这 3条染色体上共检测到 23个加性 占总数的 形态性状的上位性 5个根性状共检测到 12对上位性 表 2 其中根体积和平均根直径各检测到 4对和 5对上位性数量基因座 ， 而根长 、 根表面积和根尖数量都分别只检测到 一对上位性基因位点 。影响根长的上位性基因位点位于染色体 2的 2的 其 上位性效应值 解释表观型变异的 影响根表面积和根尖数量的是同一对上位性基因位点 ， 并且都是在第 9染色体上的 根表面积的上位性效应值为 是负值 ， 起到减少根表面积的作用 。其对根表面积的表观型贡献率为 28。 而该上位性基因位点对根尖数量的效应值也是负值 ，为 贡献率为 影响根体积的共有 4对上位性基因位点 ， 分别位于第 1染色体的 染色体的 第 2染色体的 0染色体的 第 3染色体的 1染色体的 以及第 9染色体的 1106 其 遗传贡献率分别为 和 累积贡献率 中国农业科学院博士学位论文 第二章 水稻齐穗期成型根形态形状的特点及基因定位33表 2稻根形态性状的上位性性状位点H 色体 区间 位置 染色体 区间 位置 位性效应 贡献率i) ) j) ) 2(%)根长 2 112 12340 1 392 294 2950 对 ， 分别位于第 2染色体的 染色体的 第 5染色体的 染色体的 第 6染色体的 329 第 7染色体 染色体的 以及第 9染色体的 0染色体的 其 上位性效应值从 第 1和第 2对上位性 0， 分别为 和 ,而其余 3对的贡献率比较低 ， 最低的第 6条染色体内 2各 区间上位性 累积贡献率 同根粗分区根长度的 以每一个根粗分区的根长度作为一个单独的性状单位进行主效及上位性 从表 2 6可以看出 ， 共检测到 18个加性 其中 个 分别 在根粗 根粗 个 而位于第 9、 11和第 12染色体上 。 效应值从 42. 58到 第 9和第 11染色体上的 7， 而第 12号染色体上的 2个 号 。 这 3各区间的共 6个加性 其效应值从 两个端点效应值的 3个区间的第 11染色体上的 7， 而第 12号染色体上的 二章 水稻齐穗期成型根形态形状的特点及基因定位348号 。在 个 分别位于第 1、 11和第 12染色体上 。 效应值从分别为 第 1、 11染色体上的 7， 而第 12号染色体上的 2个 号 。 根粗 个 分别位于第 1和第 11染色体上 。 效应值从分别为 2个 7。在 个 位于第 11和第 8号染色体上 。 效应值从分别为 3个 7。从上面的分析可以看出 ， 位点 效应值前者高 ， 为 后者低 ， 为 不同根粗 分区根长度的上位性分析只检测到一对上位性 表 2 是第 11号染色体的 位置 和第 12号染色体的 位置 加加上位效应值为 有意思的是 ， 4个分区性状 （ 根长 、 根表面积 、 根体积和根尖数量 ）均只检测到一对具有显著上位效应的 其中 ， 根长 、 根表面积和根体积是同一对 位于第 11染色体的 2染色体的 而根尖数量的上位性 染色体的 染色体 间之间 ， 其效应值为 2同根粗分区根长度 (m)的加性 of in D 性位点间位置性效应 0.2 4 0.4 124_1 0.6 12817 0.8 1.0 949 1.2