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新型四倍体水稻及杂种的细胞遗传学研究

新型四倍体水稻及杂种的细胞遗传学研究

作者：袁赟华南农业大学

学位级别：硕士

同源四倍体水稻是由二倍体水稻通过染色体加倍获得的水稻种质。与二倍体水稻相比,加倍后的同源四倍体水稻表现出千粒重增加、茎秆增粗、叶片颜色加深等生物学优势,但分蘖数减少、结实率下降等限制了其在生产上的应用。本实验室经过10多... 详细信息

同源四倍体水稻是由二倍体水稻通过染色体加倍获得的水稻种质。与二倍体水稻相比,加倍后的同源四倍体水稻表现出千粒重增加、茎秆增粗、叶片颜色加深等生物学优势,但分蘖数减少、结实率下降等限制了其在生产上的应用。本实验室经过10多年努力选育出了具有高育性和稳定性的新型四倍体水稻(Neo-Tetraploid rice)。该材料与低育性同源四倍体水稻杂交所获得的杂种具有明显的产量优势,显示出广阔的应用前景。为了弄清新型四倍体水稻及其杂种F高育性的细胞遗传学机理,本研究以低育性同源四倍体水稻(T449)为对照,对新型四倍体水稻及其杂种F花粉母细胞减数分裂期间的染色体行为等进行深入研究。主要研究结果如下:(1)新型四倍体水稻杂种F及双亲的主要农艺性状和花粉育性。T449结实率、单株实粒数、株高分别为20.55%、127粒、87.40cm;H结实率、单株实粒数、株高分别为69.75%、421粒、102.50cm;F结实率、单株实粒数、株高分别为83.12%、757粒、116.44cm。与T449相比,H和F在株高、剑叶长、主穗长、有效穗数、谷粒长度、谷粒宽度、千粒重、单株实粒数、结实率方面均高于T449,且株高、单株实粒数、结实率达到了极显著水平。新型四倍体水稻杂种F在株高、单株总粒数、结实率等方面具有超亲优势。T449、H和F花粉育性分别为35.10%、77.95%、77.01%,与T449相比,H和F涨幅分别为122.08%和119.40%,且达到了极显著水平。T449典败花粉率、染败花粉率、圆败花粉率分别为5.46%、46.15%、13.29%。H和F在典败花粉率方面显著低于T449,在染败花粉率与圆败花粉率方面极显著低于T449。(2)新型四倍体水稻杂种F及双亲的花粉母细胞减数分裂过程中染色体行为。T449、H和F花粉母细胞减数分裂过程基本一致,都经历了前期Ⅰ、中期Ⅰ、后期Ⅰ、末期Ⅰ、前期Ⅱ、中期Ⅱ、后期Ⅱ、末期Ⅱ和四分体九个时期,但各时期的染色体异常类型及频率不尽相同。在四分体时期,三份材料异常率依次为:F(1.01%)体拖曳率依次为:H(1.63%)体落后率依次为:H(4.96%)体分离不同步率依次为:H(5.59%)体异常率为4.02%,H和F在该时期未发现纺锤体异常。无论在终变期还是中期Ⅰ,较T449而言,H与F的二价体数目均较高,单价体、三价体、五价体、六价体的频率较低或者为0。在终变期:T449构型为:(3.29±0.25)Ⅰ+(5.56±0.36)Ⅱ+(1.27±0.12)Ⅲ+(7.22±0.17)Ⅳ+(0.11±0.03)Ⅴ+(0.06±0.02)Ⅵ;H构型为:(0.59±0.12)Ⅰ+(6.10±0.34)Ⅱ+(1.28±0.20)Ⅲ+(7.84±0.18)Ⅳ;F构型为:(0.49±0.16)Ⅰ+(9.18±0.45)Ⅱ+(7.28±0.23)Ⅳ。在中期Ⅰ:T449构型为:(4.19±0.40)Ⅰ+(5.30±0.45)Ⅱ+(1.30±0.18)Ⅲ+(7.21±0.30)Ⅳ+(0.05±0.03)Ⅴ+(0.04±0.02)Ⅵ;H构型为:(2.51±1.03)Ⅰ+(6.53±0.62)Ⅱ+(0.92±0.29)Ⅲ+(7.42±0.39)Ⅳ;F构型为:(0.69±0.13)Ⅰ+(12.65±0.54)Ⅱ+(5.49±0.27)Ⅳ。综上所述,新型四倍体水稻及其杂种表现出较强的生物学优势,显示出广阔的应用前景。四倍体水稻成熟花粉的育性是其结实率偏低的原因之一。三份材料花粉母细胞在中期Ⅰ染色体拖曳、后期Ⅰ染色体落后,末期Ⅰ微核,末期Ⅱ染色体分离不同步和纺锤体异常的频率与其结实率存在一定的相关性。高结实率材料的花粉母细胞在减数分裂过程中出现单价体、三价体和高价体的频率较低,出现二价体的频率较高,出现四价体的频率一般也较高。

关键词：同源四倍体水稻新型四倍体水稻农艺性状花粉育性减数分裂

新型四倍体水稻华多1号细胞遗传及基因组变异

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新型四倍体水稻华多1号细胞遗传及基因组变异

作者：陈远谋华南农业大学

学位级别：硕士

同源四倍体水稻是由二倍体水稻经过染色体加倍获得的种质。籼、粳型同源四倍体水稻杂交F1具有明显的生物学优势,蕴含巨大的增产潜力。然而,其杂交F1育性普遍偏低,产量优势难以发挥,无法在生产上直接应用。本室经过多年努力,成功获得育... 详细信息

同源四倍体水稻是由二倍体水稻经过染色体加倍获得的种质。籼、粳型同源四倍体水稻杂交F1具有明显的生物学优势,蕴含巨大的增产潜力。然而,其杂交F1育性普遍偏低,产量优势难以发挥,无法在生产上直接应用。本室经过多年努力,成功获得育性正常的同源四倍体水稻新种质,这一类新种质目前暂称为“新型四倍体水稻”(Neo-tetraploid rice),其中有2份材料,即华多1号和华多2号已获得国家植物新品种权。为了加快利用该材料,本研究利用华多1号作为研究材料,从形态学、细胞学和基因组学等方面,对其主要农艺性状和杂种优势表现、花粉母细胞减数分裂特征和基因组变异特征等进行系统研究。主要研究结果如下:(1)华多1号具有优良的主要农艺性状,并表现明显的杂种优势。华多1号成熟花粉育性为95.62%,极显著高于亲本T45和T44。与双亲相比,华多1号结实率显著提高,平均达到了76.46%以上。华多1号株高为104 cm,有效分蘖数为6.6个,千粒重35.44 g,穗总粒数87粒。利用华多1号与不同类型的同源四倍体水稻杂交,F1与同源四倍体水稻相比,实粒数、总粒数和结实率等极显著的提高,且部分杂种F1表现出超亲优势,表明华多1号可以克服F1的不育性。(2)华多1号花粉母细胞减数分裂过程异常染色体行为明显比其亲本低。华多1号花粉母细胞减数分裂过程及特点与二倍体基本一致。华多1号减数分裂期间的染色体异常率明显低于双亲,前者的异常率为8.80%,而双亲的平均达25.06%。双亲的异常主要包括染色体拖曳、染色体桥、落后染色体等。华多1号除后期II出现染色体不同步分离,其他时期出现的异常染色体频率均较低。华多1号终变期染色体平均构型为:2n=48=(0.06±0.02)I+(10.17±0.31)II+(6.87±0.15)IV+(0.02±0.01)VI;亲本T45的平均构型为:2n=48=(0.55±0.10)I+(7.93±0.27)II+(0.07±0.02)III+(7.16±0.14)IV+(0.03±0.01)V+(0.27±0.05)VI+(0.12±0.03)VIII;亲本T44的平均构型为:2n=48=(0.34±0.09)I+(5.55±0.40)II+(0.04±0.02)III+(8.68±0.19)IV+(0.22±0.05)VI+(0.05±0.03)VIII。(3)华多1号全基因组与亲本比较,出现丰富的变异特征。华多1号通过基因组重测序共获得25.15 G高质量的碱基,其GC含量为45.41%,Q30达到85.06%,测序深度为57×。通过与双亲基因组对比,华多1号基因型与父本T44较接近。在华多1号中共检测到26243个非同义SNP、896个的移码突变In Del、991个SV和36个CNV。与双亲比较,华多1号共筛选出9041个变异基因。通过与育性相关的关键词,在其中筛选出390个可能与育性有关的变异基因。基因富集分析表明,390个基因主要涉及细胞、催化活性、细胞过程等功能。通过进一步的GO注释和基因网络关联分析,筛选出16个与育性相关的主效基因,已知功能注释表明,它们在花粉发育、纺锤体组装、减数分裂等过程或功能中发挥重要的调控作用。综上所述,本文研究表明华多1号花粉母细胞减数分裂过程染色体异常频率低,花粉育性高,与同源四倍体水稻杂交F1育性正常并具有明显的优势,具有利用前景。而华多1号在全基因组产生了丰富的遗传变异,其中可能与华多1号高育性相关的变异基因,值得进一步研究。

关键词：水稻同源四倍体水稻新型四倍体水稻减数分裂基因组重测序

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新型四倍体水稻杂种育性相关遗传学研究

新型四倍体水稻杂种育性相关遗传学研究

作者：梁军红华南农业大学

学位级别：硕士

同源四倍体水稻是二倍体水稻经秋水仙素通过染色体加倍获得的水稻种质。利用籼型和粳型同源四倍体水稻杂交F获得具有明显的生物学优势,但F育性普遍偏低,难以直接利用。本实验室经过多年努力,利用不同类型的同源四倍体水稻杂交和多世代... 详细信息

同源四倍体水稻是二倍体水稻经秋水仙素通过染色体加倍获得的水稻种质。利用籼型和粳型同源四倍体水稻杂交F获得具有明显的生物学优势,但F育性普遍偏低,难以直接利用。本实验室经过多年努力,利用不同类型的同源四倍体水稻杂交和多世代的定向选择,成功地培育出新型四倍体水稻(neo-tetraploid rice)。该水稻不但育性高,而且可以克服杂种F的不育性,也就是说,与低育性同源四倍体水稻杂交F育性正常,产量优势得以发挥,显示出广阔的利用前景。为了弄清新型四倍体水稻杂种F高育性的细胞遗传机理,本文新型四倍体水稻品系H8与低育性同源四倍体水稻与杂交组配杂种F,对F花粉母细胞减数分裂染色体行为、优势表现及可能涉及的遗传机理等进行研究。获得以下主要研究结果:(1)新型四倍体水稻杂种(T485×H8)F育性表现及细胞遗传研究通过碘-碘化钾染色研究结果表明,新型四倍体水稻杂种F花粉育性最高,为83.7%,双亲分别为61.18%(T485)和69%(H8)。通过WE-CLSM(激光扫描共聚焦显微镜)观察胚囊育性,F、H8,T485分别为87.01%、83.65%,81.82%;发现杂种F及双亲胚囊育性接近,均表现正常。通过染色体压片技术研究花粉母细胞减数分裂期间的染色体行为,结果表明,杂种F及双亲花粉母细胞减数分裂过程基本一致,都经历了前期Ⅰ、中期Ⅰ、后期Ⅰ、末期Ⅰ、前Ⅱ、中期Ⅱ、后期Ⅱ,末期Ⅱ和四分体9个时期。但各个时期均出现不同程度的异常,主要异常类型包括多价体、染色体拖曳、落后、微核和分裂不同步等。中期Ⅰ染色体拖拽率由少到多依次为T485(13.7%)体落后率由少到多依次为H8(4.59%)体不同步率由少到多依次为H8(8.97%)四分体时期,异常频率由少到多依次为F(1.08%)体及二价体和单价体调查,获得如下染色体构型:在终变期,F构型:(1.62±0.22)Ⅰ+(8.71±0.40)Ⅱ+(0.33±0.06)Ⅲ+(6.84±0.73)Ⅳ+(0.01±0.01)Ⅴ+(0.07±0.03)Ⅵ。H8构型:(1.69±0.23)Ⅰ+(8.48±0.41)Ⅱ+(0.16±0.04)Ⅲ+(7.13±0.67)Ⅳ+(0.15±0.02)Ⅴ+(0.10±0.01)Ⅵ。T485构型:(2.07±0.20)Ⅰ+(9.45±0.45)Ⅱ+(0.17±0.05)Ⅲ+(6.45±0.63)Ⅳ+(0.03±0.02)Ⅴ+(0.10±0.03)Ⅵ。在中期Ⅰ,F构型:(2.43±0.25)Ⅰ+(8.27±0.36)Ⅱ+(0.46±0.07)Ⅲ+(6.70±0.83)Ⅳ+(0.07±0.04)Ⅴ+(0.04±0.02)Ⅵ;H8构型:(2.49±0.25)Ⅰ+(7.70±0.39)Ⅱ+(0.45±0.07)Ⅲ+(6.90±0.87)Ⅳ+(0.04±0.02)Ⅴ+(0.05±0.03)Ⅵ;T485构型:(2.26±0.18)Ⅰ+(9.27±0.32)Ⅱ+(0.51±0.07)Ⅲ+(6.27±0.54)Ⅳ+(0.05±0.02)Ⅴ+(0.06±0.02)Ⅵ。综上所得,染色体拖曳、落后、微核和分裂不同步在三份材料里有一定的相关性,三份材料出现的二价体和四价体数目较多,其他构型相对较少。(2)新型四倍体水稻杂种F优势表现及相关遗传机理通过对新型四倍体水稻杂种F及双亲农艺性状调查和分析。F株高、实粒数、千粒重和结实率的平均值均明显高于亲本型,与母本(T485)相比,增加幅度分别为53%、122.36%、16.84%和62.99%;与父本(H8)相比,增加幅度分别为3.52%、55.54%、2.57%和24.96%,其中以实粒数最高。杂种F实粒数、千粒重和结实率具有明显的超亲优势,其中最大值分别为151cm、693粒、42.08克和85.26%,最小值分别为123cm、312粒、36.32克和71.89%,变异系数分别为4.43%、17.04%、3.13%和4.04%;单株实粒数中亲优势最大。综上认为,新型四倍体水稻与同源四倍体水稻杂交F育性高且优势明显,其中与产量相关性状的优势尤为明显;其高育性可能与减数分裂期间较低染色体异常行为有关。显示新型四倍体水稻具有应用前景。

关键词：同源四倍体水稻新型四倍体水稻杂种优势花粉育性减数分裂

新型四倍体水稻育性高的细胞学与分子遗传研究

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新型四倍体水稻育性高的细胞学与分子遗传研究

作者：焦亚敏华南农业大学

学位级别：硕士

同源四倍体水稻是由二倍体水稻加倍获得的种质。该种质具有明显的生物学优势,但育性普遍偏低,难以直接应用于生产。本室经过多年努力,培育出高育性的新型四倍体水稻(neo-tetraploid rice)。新型四倍体水稻与低育性同源四倍体水稻杂交,杂... 详细信息

同源四倍体水稻是由二倍体水稻加倍获得的种质。该种质具有明显的生物学优势,但育性普遍偏低,难以直接应用于生产。本室经过多年努力,培育出高育性的新型四倍体水稻(neo-tetraploid rice)。新型四倍体水稻与低育性同源四倍体水稻杂交,杂种F不但育性高,而且产量优势明显,具有广阔的应用前景。为了弄清新型四倍体水稻高育性的遗传机理,本研究利用新型四倍体水稻华多3号(H3)和低育性的同源四倍体水稻T452杂交获得F,F自交得到F,从F开始按照结实率超过80%和低于20%两个标准对子代进行连续定向选择,分别选育高育性定向自交系JG和低育性定向自交系JD 2个群体,并开展以下研究:一是利用WE-CLSM技术(whole-mount eosin B-staining confocal laser scanning microscopy)等对JG和JD及其双亲生殖过程的细胞学开展研究;二是利用JG和JD分别构建混合池,开展BSA(Bulked Segregant Analysis)的关联定位,以及BSR-seq(转录组测序结合BSA)研究,研究与育性关联的候选基因,进一步通过qRT-PCR(Quantitative Real-time Polymerase Chain Reaction)进行验证。主要研究结果如下:(1)高育性定向自交系JG和低育性定向自交系JD及其双亲的生殖特性高育性定向自交系JG和高育性亲本H3,分别与低育性定向自交系JD及低育性亲本T452比较,前两者成熟花粉育性明显高于后两者。JG、H3、JD和T452的成熟花粉育性分别为88.53%、87.45%、25.08%和23.70%。JD花粉主要败育类型有典败(18.44%)、圆败(14.85%)、染败(55.17%)和小花粉粒(1.23%)。通过WE-CLSM技术对成熟胚囊和授粉3d的胚囊观察统计发现,JG和JD及其双亲胚囊育性基本正常,未存在明显差异。但授粉3d后未受精胚囊出现的频率却存在明显差异,JG、H3、JD和T452未受精胚囊的频率分别为7.62%、12.30%、53.76%和64.38%,JD和T452未受精胚囊的频率明显高于JG和H3,说明花粉育性对胚囊受精的影响是显著的。(2)高育性定向自交系JG和低育性定向自交系JD及其双亲花粉母细胞的减数分裂染色体行为及构型JG和JD及其双亲花粉母细胞的减数分裂过程基本一致,但不同时期染色体行为异常的类型存在差异,如中期染色体拖曳、后期染色体落后、末期微核、纺锤体异常、二分体未分裂等。值得一提的是,四份材料中期Ⅱ和后期Ⅱ的异常频率均比其他时期高,其中,JG分别为43.85%和41.44%、JD分别52.35%和56.67%、H3分别为22.27%和44.51%、T452分别为44.93%和44.59%。它们在终变期和中期Ⅰ的染色体构型存在明显差异。无论是终变期还是中期Ⅰ,JG和H3的二价体数目均高于与JD及T452,JG在终变期和中期Ⅰ二价体的数目分别是5.8±0.14和9.43±0.02;JD分别是4.74±0.26和8.52±0.18;H3分别是5.76±0.05和9.28±0.02;T452分别是3.47±0.17和8.50±0.51。以上结果表明,JG和H3的高育性可能与其二价体数目高于与JD及T452有关。(3)新型四倍体水稻高育性基因的BSA关联定位及BSR-seq分析关联定位分二步进行:一是利用JG和JD群体的F代和F代分别构建混合池并开展BSA关联定位。其中F代测序共得到高质量的SNPs位点1346124个,In Dels位点294650个,对这些变异位点进行关联分析,定位到7号染色体上的1个区域(18180000-19500000),在该区域内共注释到185个基因,其中在子代或亲本间存在非同义突变基因有114个,移码突变基因有26个。F代测序共得到1343958个高质量的SNPs和295480个In Dels,关联分析同样定位到7号染色体上的1个区域(18400000-22120000),在该区域内共注释到536个基因,其中在子代或亲本间存在非同义突变基因有33个,移码突变基因有97个。二是利用JG和JD群体的F代减数分裂时期的花药进行BSR-seq分析,得到65202个SNPs,关联分析定位到位于7号染色体18915234-19692348、19736756-19748279区间内的107个基因,这些基因均在亲本间或子代间发生非同义突变或移码突变。BSA关联定位及BSR-seq综合分析发现,三次结果均定位到7号染色体18915234-19500000的区段,该区段共包含78个可能与四倍体水稻育性相关的基因。(4)新型四倍体水稻高育性相关基因的qRT-PCR验证对利用BSA关联定位及BSR-se

关键词：水稻(Oryza sativa L.) 新型四倍体水稻育性 BSA(Bulked Segregant Analysis) BSR-Seq

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新型四倍体水稻创制及杂种优势的遗传研究

新型四倍体水稻创制及杂种优势的遗传研究

新型四倍体水稻华多1号花粉发育细胞学和育性相关基因研究

2019年中国作物学会学术年会

作者：刘向东吴锦文 SHAHID Muhammad Qasim 郭海滨李亚娟俞淑红卢永根华南农业大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室

同源四倍体水稻是由二倍体水稻加倍获得的种质。籼型和粳型同源四倍体水稻杂交F1具有明显的生物学和产量优势,但育性普遍偏低,难以直接应用于生产。为了解决此问题,本室于1999至2008年间利用不同类型同源四倍体水稻进行广泛的杂交,组配... 详细信息

同源四倍体水稻是由二倍体水稻加倍获得的种质。籼型和粳型同源四倍体水稻杂交F1具有明显的生物学和产量优势,但育性普遍偏低,难以直接应用于生产。为了解决此问题,本室于1999至2008年间利用不同类型同源四倍体水稻进行广泛的杂交,组配杂种F1并在杂交后代开展高育性材料的定向选择,于2009年成功地选育出结实率超过80%的高育性四倍体水稻。细胞遗传学研究表明,该水稻减数分裂期间染色体构型与同源四倍体水稻明显不同,前者二价体数量比后者平均高出2个,甚至个别细胞还出现24个二价体的现象;四价体以环型为主,而同源四倍体水稻则复杂多样。重测序结果表明,其基因组存在丰富的DNA变异,许多变异是特异的。为此,我们参照拟南芥对此类具有高育性且稳定材料的命名,将该类高育性的四倍体水稻称为"新型四倍体水稻"(neo-tetraploid rice),区别与直接来源二倍体水稻加倍而成的同源四倍体水稻(autotetraploid rice)。2016年新型四倍体水稻"华多1号"和"华多2号"分别获得国家植物新品种权。新型四倍体水稻不仅本身育性高,而且可以克服大部分的杂种不育性,并产生明显的杂种优势。本室利用新型四倍体水稻与超过50份不同类型同源四倍体水稻杂交组配杂种F1,评价其杂种优势表现并通过转录组学研究其分子遗传机理。结果发现,绝大部分杂种F1育性正常,高的结实率超过90%,而且产量优势十分明显,特别是单株产量(77%)和结实率(15%)等产量相关的性状具有明显的超亲优势,显示出其具有广阔的应用前景。转录组学研究发现,杂种F1与双亲比较,前者出现大量特异差异表达的基因,其中超过95%基因涉及产量相关的QTLs,且显著地富集在碳水化合物代谢途径上,超过1000个基因为非加性表达;与糖类代谢和淀粉合成酶相关基因(如OsBEⅡb和OsSSⅢa等在开花后3天的籽粒中显著上调。以上研究结果为进一步解析新型四倍体水稻杂种优势的基因网络作用模式及分子育种提供重要基础。

关键词：水稻同源四倍体水稻新型四倍体水稻育性杂种优势转录组学

来源： cnki会议评论

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新型四倍体水稻华多1号花粉发育细胞学和育性相关基因研究

基于定向自交系研究新型四倍体水稻育性的细胞遗传及相关基因

第十九届中国作物学会学术年会

作者：吴锦文陈远谋林泓陈洋于航陆紫君李翔刘向东华南农业大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室

【研究背景】同源四倍体水稻是由二倍体水稻通过染色体加倍获得的新种质。籼型和粳型同源四倍体水稻杂交具有明显的生物学和产量优势,但结实率偏低一直以来是制约其在生产上应用的主要原因。为解决该问题,本研究团队利用近二十年时间创... 详细信息

【研究背景】同源四倍体水稻是由二倍体水稻通过染色体加倍获得的新种质。籼型和粳型同源四倍体水稻杂交具有明显的生物学和产量优势,但结实率偏低一直以来是制约其在生产上应用的主要原因。为解决该问题,本研究团队利用近二十年时间创制和培育出高育性的新型四倍体水稻。研究表明,新型四倍体水稻育性高达80%,且其与低育性同源四倍体水稻杂交F1育性表现正常并可产生强大的产量优势,显示出较强的应用前景,但目前有关新型四倍体水稻的高育性机理研究还相对较少。基于此,本研究采用细胞遗传学和转录组测序技术对新型四倍体水稻华多1号的花粉发育过程进行研究,以了解和阐明其高育性的原因;【材料与方法】供试材料为新型四倍体水稻华多1号及其低育性双亲,研究采用塑料半薄切片,WE-CLSM,醋酸洋红压片和转录组测序等技术对华多1号花粉发育过程进行细胞学观察和花粉发育相关基因的表达差异研究;【结果与分析】细胞遗传学研究表明,与低育性双亲相比,新型四倍体水稻华多1号成熟花粉育性达到95.62%,其花粉母细胞减数分裂过程的异常频率较双亲明显降低,并且减数分裂期的染色体构型更为稳定。转录组测序结果表明,与低育性双亲相比,新型四倍体水稻华多1号中共检测出440个差异表达基因,其中193个差异表达基因是花粉发育过程相关基因。统计分析后发现,129个基因(～66.8%)在华多1号中是上调表达,这些基因中包括3个环境敏感型花粉不育基因(TMS9-1,TMS5,和CSA),1个减数分裂相关基因(RAD51D)和3个绒毡层调控相关基因(MIL2, Os AP25,和Os AP37)。为验证上述基因在新型四倍体水稻华多1号中的功能,我们采用基因敲除技术验证TMS9-1和TMS5在华多1号中的功能,并获得对应的突变体:nt-tms9-1和nt-tms5-1,细胞遗传学和表型分析的结果进一步验证了该基因在新型四倍体水稻华多1号中的功能。【结论】以上研究结果表明,新型四倍体水稻华多1号在花粉发育过程中表现异常频率较低。与低育性双亲相比,花粉发育相关基因的上调表达或正常表达是导致新型四倍体水稻高育性的一个主要原因。

关键词：水稻新型四倍体水稻花粉发育转录组测序

来源： cnki会议评论

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基于定向自交系研究新型四倍体水稻育性的细胞遗传及相关基因

作者：李凯华南农业大学

学位级别：硕士

同源四倍体水稻是由二倍体水稻原种通过染色体加倍形成的水稻新种质。该种质具有明显的生物学优势,但育性普遍偏低,产量优势无法发挥,难以直接应用于生产上。本室经过多年努力,利用不同类型同源四倍体水稻杂交培育出四倍体水稻新种质,... 详细信息

同源四倍体水稻是由二倍体水稻原种通过染色体加倍形成的水稻新种质。该种质具有明显的生物学优势,但育性普遍偏低,产量优势无法发挥,难以直接应用于生产上。本室经过多年努力,利用不同类型同源四倍体水稻杂交培育出四倍体水稻新种质,并称之为新型四倍体水稻(neo-tetraploid rice)。该材料与同源四倍体水稻相比,育性显著提高,结实率可达80%以上,而且与低育性同源四倍体水稻杂交组配的杂种F,产量优势明显,显示出广阔的利用前景。为了开展新型四倍体水稻高育性的遗传研究,本室利用新型四倍体水稻与低育性同源四倍体水稻杂交并对其后代进行定向选择,创建了高育性和低育性2个定向自交系群体。本文利用该自交群体的单株杂交,在后代通过定向选择,选择高和低育性的单株开展以下研究:一是生殖特性及育性相关的细胞学研究;二是通过高通量测序技术,对定向自交系全基因组变异分析;三是利用全基因组重测序,对高低定向自交系群体构建的混合池(BSA)进行分析;四是通过高通量测序技术,对高低定向自交系及其子代进行转录组测序分析,初步筛选育性相关基因。主要研究结果如下:(1)定向自交系群体及杂交后代生殖特性及细胞遗传。高育性定向自交系(XJG)早晚季平均结实率为75.14%,低育性定向自交系(XJD)平均结实率为9.51%,XJG显著高于XJD,高育性子代FG早晚季平均结实率为85.85%,低育性子代FD平均结实率为15.23%,子代结实率同样差异极显著。XJG早晚季平均花粉育性为87.40%,XJD为51.77%,FG为83.38%,FD为54.40%,两两对比它们的花粉育性,发现高育性材料明显高于低育性材料。高育性和低育性定向自交系及其子代减数分裂过程一致,都经历了9个时期。虽然不同材料在不同时期存在不同程度的异常现象,但低育性定向自交系和低育性子代减数分裂各时期的染色体行为的异常频率明显高于高育性材料。其中后期Ⅱ和末期Ⅱ2个时期最为明显,这两个时期XJD的异常频率分别为53.47%和47.12%,FD分别为53.76%和45.13%;而XJG则分别为31.63%和8.86%,FG分别为25.60%和7.36%。XJG终变期染色体构型为:(0.44±0.10)Ⅰ+(7.56±0.35)Ⅱ+(0.13±0.04)Ⅲ+(8.01±0.41)Ⅳ,中期Ⅰ染色体构型为:(0.37±0.09)Ⅰ+(8.98±0.60)Ⅱ+(0.26±0.08)Ⅲ+(7.22±0.36)Ⅳ;XJD终变期染色体构型为:(0.36±0.07)Ⅰ+(9.58±0.35)Ⅱ+(0.20±0.04)Ⅲ+(6.95±0.36)Ⅳ,中期Ⅰ染色体构型为:(0.68±0.14)Ⅰ+(9.98±0.58)Ⅱ+(0.32±0.08)Ⅲ+(6.60±0.32)Ⅳ;FG终变期染色体构型为:(0.50±0.09)Ⅰ+(9.07±0.43)Ⅱ+(0.24±0.06)Ⅲ+(7.18±0.41)Ⅳ,中期Ⅰ染色体构型为:(0.35±0.10)Ⅰ+(8.29±0.34)Ⅱ+(0.17±0.05)Ⅲ+(7.64±0.46)Ⅳ;FD终变期染色体构型为:(0.35±0.08)Ⅰ+(9.15±0.40)Ⅱ+(0.17±0.04)Ⅲ+(7.19±0.40)Ⅳ,中期Ⅰ染色体构型为:(0.63±0.12)Ⅰ+(9.83±0.48)Ⅱ+(0.38±0.08)Ⅲ+(6.64±0.34)Ⅳ。通过WE-CLSM技术调查统计高育性和低育性定向自交系及杂交后代的的胚囊育性。四份材料XJG、XJD、FG和FD胚囊育性分别为:91.52%、85.71%、91.72%和86.92%,差异不明显,且都在85%以上,说明这些材料成熟胚囊育性基本正常,不是引起低育性定向自交系结实率低的主要原因。(2)定向自交系群体全基因组变异分析。利用高通量测序技术对高和低两个定向自交系群体的亲本XJG和XJD进行全基因组重测序,XJG检测到SNP和InDel变异数分别为657289个和134465个;XJD分别检测到687503个和150139个。其中XJG特有的SNP为232128个,非同义突变为21627个,涉及到的基因为5939个;XJD特有的SNP为262352个,非同义突变为23560个,涉及到的基因为6154个。两个材料的特异InDel分别为45823个和54017个,其中移码突变分别为1342个和1514个,分别涉及到1102个和1168个基因,通过与减数分裂相关基因进行筛选,得到900个变异基因,基因富集分析表明,这些基因在DNA结构、减数分裂过程等发挥重要调控作用。(3)定向自交系群体及构建的混合池测序筛选差异基因。利用基于重测序技术衍生的BSA-seq技术对50X50混合池进行分析,得到位于1号染色体30790000-30910000区间共20个基因,位于2号染色

关键词：新型四倍体水稻育性 DNA-BSA 转录组全基因组重测序

NaCl胁迫下新型四倍体水稻种子萌发特性及基因差异表达分析

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华南农业大学学报 2023年第5期44卷 696-707页

作者：林泓黄子娟邓瑞莲郭海滨陆紫君刘向东吴锦文华南农业大学农学院/广东省植物分子育种重点实验室/岭南水稻种质资源基地库广东广州510642

【目的】评价新型四倍体水稻在不同浓度NaCl处理下的种子萌发特性、幼苗建成期形态指标和根部细胞结构差异,评估盐胁迫相关基因的表达差异。【方法】在不同浓度NaCl(0、50、100、150、200和250 mmol/L)处理下,以‘华多1号’为研究材料,... 详细信息

【目的】评价新型四倍体水稻在不同浓度NaCl处理下的种子萌发特性、幼苗建成期形态指标和根部细胞结构差异,评估盐胁迫相关基因的表达差异。【方法】在不同浓度NaCl(0、50、100、150、200和250 mmol/L)处理下,以‘华多1号’为研究材料,统计其种子在萌发时间、发芽势、发芽率和萌发指数指标的差异。在幼苗形成期,统计和比较‘华多1号’在不同浓度NaCl处理下的总根数、幼苗苗长、根长、幼苗鲜质量、含水率和根冠比参数的差异。利用WE-CLSM和塑料半薄切片技术观察根尖组织细胞的形态。利用基因组重测序、生物信息学分析和qRT-PCR技术对‘华多1号’与双亲相关的盐胁迫基因进行分析和定量验证。【结果】当NaCl浓度升高时,‘华多1号’种子发芽率和萌发指数呈递减趋势,但相对盐害率和平均发芽时间呈递增趋势。当NaCl浓度高达250 mmol/L时,‘华多1号’种子相对盐害率为35%,表明其具有较强的耐盐性。在NaCl处理8~20 d后,‘华多1号’幼苗随着NaCl浓度升高,总根数呈减少趋势,同时幼苗苗长、根长、幼苗鲜质量和含水率呈下降趋势,但根冠比呈上升趋势。NaCl胁迫会抑制‘华多1号’幼苗生长,导致其根尖细胞体积变小,细胞皱缩和细胞排列松散;盐胁迫条件下,根尖伸长区的表皮和外皮层的细胞会增厚,中间皮层的细胞层数增加,中柱直径缩小,木质部导管分化数目增加。在‘华多1号’中发现有85个盐胁迫基因在CDS区中较双亲存在差异,包括53个盐敏感相关基因、32个盐胁迫抗性相关基因。qRT-PCR结果表明:与对照相比,‘华多1号’的4个盐敏感基因(LOC_Os03g16900、LOC_Os06g48510、LOC_Os02g34810和LOC_Os04g32920)和2个耐盐性基因(LOC_Os03g20090和LOC_Os11g26790)表达量显著上升。【结论】该研究可为后续系统评价四倍体水稻种质资源的耐盐性、揭示四倍体水稻的耐盐性调控机理,以及后续筛选耐盐多倍体水稻品种提供理论依据。

关键词：新型四倍体水稻盐胁迫种子萌发基因表达

同源四倍体水稻:低育性机理、改良与育种展望

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遗传 2023年第9期45卷 781-792页

作者：刘向东吴锦文陆紫君 Muhammad Qasim Shahid 华南农业大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室广州510642 岭南现代农业科学与技术广东省实验室广州510642 华南农业大学广东省植物分子育种重点实验室广州510642

同源四倍体水稻具有籽粒增大、营养成分增加和抗性增强等特点,但其育性普遍偏低,影响产量,无法直接应用。高育性四倍体水稻的成功创制解决了同源四倍体水稻育性偏低的瓶颈问题,然而该类型多倍体水稻能否在生产上推广应用需要进一步探讨... 详细信息

同源四倍体水稻具有籽粒增大、营养成分增加和抗性增强等特点,但其育性普遍偏低,影响产量,无法直接应用。高育性四倍体水稻的成功创制解决了同源四倍体水稻育性偏低的瓶颈问题,然而该类型多倍体水稻能否在生产上推广应用需要进一步探讨。本文总结了同源四倍体水稻及其杂种F1育性偏低的细胞和分子遗传学机理研究的概况,重点介绍了高育性四倍体水稻的主要类型及最新的研究进展,最后提出未来利用新型四倍体水稻开展多代杂种优势等研究的设想,以期为水稻多倍体育种提供参考。

关键词：水稻同源四倍体水稻新型四倍体水稻 PMeS多倍体水稻杂种优势利用