水稻落粒性状的SSR关联分析开题报告

1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）

1 国内外研究进展

落粒性是水稻的一个生物学性状，也是一个与实际生产相关的重要性状，它与水稻的机械化收割和最终的产量有着密切的联系。因而研究水稻落粒性的遗传机制，以及改良落粒性适中的水稻品种成为国内外研究者们的重要任务之一。多数遗传研究结果表明，控制水稻落粒性的基因主要有主基因和QTL两类。

1.1 水稻落粒性的生理生化基础

水稻籽粒脱落主要发生在离层部位，而离层( abscission layer)组织位于护颖和小穗梗之间，种子开始脱落时，先在护颖和小穗梗间出现一层离层，这个过程在水稻抽穗之前的16到20小时就开始出现了。离层组织是由几层薄壁细胞构成的，薄壁细胞呈小圆球形，与其他细胞相比体积较小，和周围的厚壁细胞区别很大。当种子进入成熟期，离层细胞开始发生降解反应，形成一个光滑的离层面，谷粒因此离开母体，只要有风吹过或者触碰就会脱落。一部分植物激素会影响离层细胞的生长和发育，乙烯能促进离层细胞的分解而使谷粒发生脱落，而生长素则促进离层细胞生长发育而阻碍谷粒的脱落。降解过程中起到重要作用的一种酶是水解酶（如多聚半乳糖醛酸酶和β-内-葡聚糖酶），水解酶会受到外界环境和一些信号的刺激而激活，向植物体发出降解离层细胞的命令，从而使谷粒从植株上脱离（金亮等，2009）。

水稻品种间存在落粒性差异的根本原因是不同的离层形态存在于不同的水稻品种。野生稻的护颖和小穗梗间的接合处会形成从表皮到接近维管束都发育良好的离层，野生稻的成熟籽粒在离层处发生细胞的降解而脱落，延续了种族，有利于野生稻的自然生长。而栽培稻的离层具有从表皮到维管束向上倾斜的离层，不降解部分组成的支持区要比易落粒的品种宽，从而导致籽粒成熟后不易脱落，因而成熟种子可以得到有效收获（宋颖娉，2015）。

1.2水稻落粒性的相关基因研究进展

前人对水稻的落粒性已经做了大量的研究，目前普遍认为水稻的落粒性是一个数量性状，它的遗传受到多个基因的控制，或者可以认为其由一个或几个主效基因和多个微效基因共同控制。截至2018年，有8个与水稻落粒性有关的基因已经被定位。它们分别是qSH1、OsSh1、SH3、sh4、SHA1、SHAT1、SH5、sh-h。

qSH1由杂交组合为易落粒的籼稻品种Kasalath与不易落粒的粳稻品种日本晴克隆得到。qSH1 位于1号染色体，cDNA 全长2450bp，包含有4 个外显子，能编码一个BEL1 型同源异型蛋白来控制水稻的落粒性，qSH1 解释了68.6% 的表型变异。该基因5' 端调节区的一个单碱基突变(SNP)引起脱离层不能形成而导致落粒性丧失。距离qSH1 基因开放阅读框12kb 的5' 端调节区存在一个SNP，Kasalath中为G，日本晴中为T。该SNP 引起qSH1 在日本晴小穗基部将要形成脱离层的区域不表达，造成脱离层不能形成而导致落粒性丧失。在落粒品种中都具有与Kasalath 一样的SNP 位点，而不落粒品种则具有与日本晴一样的SNP 位点。SNP 位点正好位于RY 重复序列，RY 重复序列是ABI3 型转录因子的结合位点，Kasalath 和日本晴在该位点上的差异可能影响了转录因子与RY 重复序列的结合，造成qSH1 表达部位的差异，从而影响脱离层的形成，引起落粒性的差异(Konishi etal.,2006)。

OsSh1与高粱中控制落粒性的Sh1同源，介导了南京11号的落粒性。南京11号落粒性强，而通过伽马辐射南京11号诱变而来的SR-5不易落粒。通过对两者做全基因组的比较、转录表达以及Southern印迹，发现突变体OsSh1 中第3个内含子中有超过4KB的插入，导致了OsSh1 转录水平的降低从而导致不落粒(Lin et al.,2012)。

克隆得到的SH3 的材料的亲本为W1411和IRGC104165。W1411是一种从塞拉利昂收集的非洲野生水稻(O.barthii)。IRGC104165是从几内亚采集的非洲水稻品种(O.glaberrima)。SH3是从其F2代中克隆的一个编码YABBY转录因子的基因，其控制水稻离层发育。研究发现含有SH3的45.5kb的基因组区段缺失引起了非洲栽培稻种子落粒性的丧失(Lv et al.,2018)。

sh4 基因是一个影响水稻落粒性的主效QTL，它能解释籼稻和野生稻杂交的F2 群体的69% 的表型变异。来自野生稻的等位基因增加了籽粒的落粒性，并且是显性的。sh4基因编码一个功能未知的转录因子，控制水稻的离区发育(Li et al.,2006)。

SHA1被精细定位到一个5.5Kb、只包含一个开放阅读框的物理图距内，该图距位于SSR标记RM6441~RM1113之间。SHA1同sh4 的氨基酸有98%序列一致性，而且是等位基因。但两者的不同之处在于，SHA1 并不影响离区的形成。SHA1 基因预测的氨基酸序列在元江野生稻和包括特青在内的8个栽培稻品种中仅存在一个氨基酸的变异（K79N），这个变异是由一个单碱基的变异造成的（g237t）。g237t突变只出现在所有检测的96个籼稻和112个粳稻中，而没有出现在任何所检测的25份野生稻样本中。这个结果证明SHA1 基因的g237t突变导致了种子落粒性的丧失，所有检测的栽培稻品种都因含有g237t突变而失去了成熟后的落粒性(Lin et al.,2007)。

SHAT1 编码一个APETALA2转录因子，能参与离层的发育，是落粒性所必需的。遗传分析表明SHAT1在离层的表达受到sh4 的正向调节。在小穗早期发育阶段SHAT1和sh4 在离层持续集中表达对离层的身份确定是必需的。qSH1作用于SHAT1和sh4的下游，通过维持SHAT1和sh4的表达促进离层的分化(Zhou et al.,2012)。

SH5的转录本能够在多个组织中被检测到，并且在花梗的断裂层中表达水平很高。研究表明，该基因亚细胞定位在细胞核内。作为BEL1类同源异形基因，SH5通过增强断裂区发育和抑制木质素的生物合成来诱导种子落粒(Yoon J et al.,2014)。

sh-h基因为隐性基因，编码一个含有羧基末端结构域（CTD）的磷酸酶结构域的蛋白，将该蛋白命名为OsCPL1。亚细胞定位和生化分析表明，OsCPL1蛋白是一种核磷酸酶，在穗发育过程中能够抑制离层的分化(Ji et al.,2010)。

1.3水稻落粒性的QTL定位研究进展

在QTL方面, 前人通过大量的群体定位，获得了很多控制水稻落粒性的位点。其中包括粳稻、籼稻和普通野生稻之间的各种组合群体，截止到2015年，在十二条染色体中，只有第10染色体上没有检测到落粒性QTL，其中第1染色体上检测到的频率较高（杨绍华，2011）。表1中共列出了44个已报道的水稻落粒性QTL,其中第1染色体上有9个，占的比例最高；第5染色体上只有1个，占的比例最小。LOD值在2.52~127.31之间，PVE值在0.87%-30.2%之间。

表1 水稻中部分已报道的控制落粒性的QTLs

Table 1 Some of shattering QTLs in Rice that had beenreported

2 本研究的意义

水稻落粒性是水稻驯化和构成产量的重要性状之一，生产上易落粒和难落粒都是不利的。通过关联分析发掘落粒性的优异等位变异有利于为了解水稻人工驯化积累新素材，从而在分子水平阐释水稻的遗传进化，同时也为育种应用提供了基因资源。

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2. 研究的基本内容和问题

研究目标：

1. 获得自然群体水稻落粒性状表型多样性信息。

2. 获得自然群体基因多样、遗传分化程度等信息，

3. 研究的方法与方案

研究方法：

1.采用sds法提取水稻全基因组dna。

2.ssr标记选择: 依据已发表的水稻分子图谱和微卫星数据库，选择覆盖水稻整个基因自的120对引物。

4. 研究创新点

本研究所用材料多，材料选取严谨，通过记录生育期确保材料成熟度一致，并且均在每个穗子的相同部位进行测量，以拉力来量化落粒性的大小，更为直观和准确。本研究利用由多份水稻资源组成的自然群体，结合SSR标记，利用关联分析的方法，从而发掘出控制水稻落粒性的优异变异及典型载体材料。

5. 研究计划与进展

2018年5月初：播种

2018年6月初：移栽

2018年7月：取叶片，提取全基因组dna;合成120对基本覆盖全基因组的ssr标记