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干旱是影响水稻生产的最重要非生物因素之一,解决这一问题的最有效途径之一是对水稻的抗旱遗传机理开展深入研究,选育出耐旱性强的水稻品种。
本文利用国际水稻所创制的籼粳交DH群体(IR64/Azucena)及其构建的含175个RFLP标记的遗传连锁图谱,于2004~2005年,在水分胁迫和正常水分条件下,对水稻不同生育时期的共计23个性状进行了考查和测定,对各性状的变化进行了显著性分析,对各性状间及其与抗旱系数间进行了相关性分析和通径分析,总结出了水稻抗旱鉴定体系和方法,对各性状进行了QTL定位分析。主要结果如下:
1、本研究所用群体的两个亲本中,IR64是国际水稻所育出的典型的籼型水稻品种,Azycena,是菲律宾当地的热带粳型水稻品种,两者的亲缘关系较远,遗传背景差异较大,目标性状差异明显,群体平均数多介于双亲之间,后代分离明显,表现出明显的超亲分离和连续变异,适合进行抗旱性状的QTL定位研究。
2、在发芽期,t测验表明,水分胁迫下根长、芽长和发芽率均比对照处理极显著降低;相关分析表明,水分胁迫下根长和发芽率与抗旱系数呈显著正相关;在两种水分条件下共检测到与发芽相关3个性状的7个加性QTLs和14对上位性QTLs,其中有2个主效QTLs和4对上位性QTLs存在环境互作效应。在两种环境条件下检测的QTL结果有较大差异,说明干旱对控制发芽相关性状基因的表达有显著的影响。在3个发芽相关性状中,检测到的控制发芽率的QTLs最多,有5个加性QTLs和5对上位性QTLs。
3、在苗期,t测验表明,水分胁迫下苗高、根数和冠重比对照处理显著或极显著降低,最长根长、根重和根冠比比对照极显著增加;相关分析表明,正常灌溉下,根重、根冠比与抗旱系数之间呈显著正相关,水分胁迫下,根重、根冠比与抗旱系数之间呈极显著正相关;在两种水分条件下6个苗期相关性状共检测到7个加性QTLs,25对上位性QTLs,检测出的上位性QTLs主要集中在根数和根重,其中两种环境条件下检测的控制根数的上位性QTLs达12对,控制根重的上位性QTLs有6对。
4、在出穗期测量的生理指标中,t测验表明,与对照处理相比,脯氨酸含量的增加达极显著水平,相对含水量、水势、叶绿素含量及气孔导度的降低均达显著或极显著水平;相关分析表明,在水分胁迫下,叶片相对含水量、叶片水势与抗旱系数呈显著或极显著正相关关系;在两种水分条件下共检测到抗旱相关的6个生理指标的7个加性QTLs,31对上位性QTLs,其中有2个主效QTLs存在环境互作效应,9对上位性QTLs存在环境互作效应。在两种环境条件下检测的QTL结果有较大差异,说明干旱对控制抗旱相关生理性状基因的表达有显著的影响。在6个抗旱相关生理指标中,检测到的控制气孔导度和水势的QTLs较多,气孔导度的有3个加性QTLs,8个上位性QTLs,水势的有8对上位性QTLs。
5、在水分胁迫下,产量相关性状与对照处理相比,降低均达显著或极显著水平;相关分析表明,在水分胁迫下,单株穗数、单株粒重、穗成粒数和结实率与抗旱系数的相关达极显著水平;在两种水分条件下8个产量相关性状共检测到9个加性QTLs,48对上位性QTLs,其中有1个主效QTLs存在环境互作效应,4对上位性QTLs存在环境互作效应。两种环境条件下检测的QTL结果有较大差异,说明干旱对产量相关性状基因的表达有显著的影响。在8个抗旱相关生理指标中,检测到的与株高、千粒重和单株穗数有关的QTLs较多,株高有2个加性和10个上位性QTLs,千粒重有1个加性和8个上位性QTLs,单株穗数有8对上位性QTLs。
6、创造性地总结出水稻品种抗旱鉴定体系和方法:在发芽期15%PEG溶液下发芽率和根长大的抗旱能力强;苗期水分胁迫下根干重和根冠干重比大的抗旱能力强;抽穗期水分胁迫下叶片相对含水量和水势的高抗旱能力强;成熟期单株穗数、单株粒重、穗成粒数、结实率大的抗旱能力强。
7、抗旱相关性状的互作效应广泛存在。在检测到23个性状或指标的118对互作QTL位点,分布在12条染色体上,许多QTL表现出较高的效应值和贡献率,说明互作效应发挥着重要作用。
8、定位结果中发现,控制苗期性状、出穗期抗旱相关生理指标及产量相关性状中均发现QTL分布有区域化趋势,表现出的一因多效或紧密连锁效应非常普遍,这一现象可能是性状间相关的遗传学基础。
总之,本研究首次定位的一些效应值较大、贡献率较高的QTLs及紧密连锁QTL区域可作为抗旱相关性状分子标记辅助选择的主要标记;同时,本实验所获得的结论和大量中间材料将为进一步探索水稻的抗旱机理和培育抗旱性强的水稻新品种提供一定的理论依据和实践基础。