水稻精米蛋白质含量QTLqPC-10的精细定位和候选基因分析

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水稻是我国的主要粮食作物之一,其产量约占我国粮食总产量的40%左右。因此水稻生产在保障我国粮食安全方面具有举足轻重的地位。然而,随着人们生活水平的不断提高,稻米品质受到越来越多消费者的关注。近年来,水稻育种家们围绕稻米品质的遗传解析和改良开展了许多研究,取得了一些重要进展,特别是关于稻米中淀粉品质的研究。但是对于影响稻米蒸煮品质的另一重要因素精米蛋白质含量的遗传控制机制仍不明了。因此,开展水稻稻米中精米蛋白质含量的遗传机制解析,对进一步改良稻米品质具有重要意义。  本研究初步分析了水稻种质资源中精米蛋白质含量的变异情况,进而以一套引进的染色体单片段代换系(Sasanishiki/Habataki)为材料,进行了控制精米蛋白质含量的QTL定位和候选基因分析,主要结果如下:  1.在两个环境中种植了334份不同类型的水稻品种/品系,测定精米蛋白质含量。结果显示精米蛋白质含量在不同品种中变异较大,最低为6.67%,最高可达14.33%;籼稻品种的精米蛋白质含量普遍高于粳稻,大多数水稻品种的精米蛋白质含量处于中等水平,高或低蛋白质含量的品种数都偏少。  2.利用Sasanishiki/Habataki组合衍生的38个染色体单片段代换系(CSSL)为群体,在三个环境下种植,检测了各株系精米蛋白质含量。QTL分析结果表明,除了qPC-1以外,qPC-10在三个环境中均能检测到,表明qPC-10是一个稳定表达的QTL,其贡献率为8.6%~17.8%,来自Habataki的等位基因可显著增加精米蛋白质含量。  3.利用携带有qPC-10籼型等位基因的染色体单片段代换系SL431与Sasanishiki回交并自交,获得了BC1F2群体。在扬州正季种植,考察了群体各单株精米蛋白质含量,并进行了分子标记分析。QTL分析表明,qPC-10位于第10号染色体上标记RM5758和RM467之间约3.83cM范围之内。  4.为进一步缩小qPC-10的定位区间,在BC1F2群体中选取qPC-10目标区段内基因型为杂合的个体单株继续种植,形成BC1F3群体,并在RM5758~RM467区间进一步设计多态性标记,对qPC-10进行了精细定位,最终将qPC-10定位在标记Y1和Y3之间约35kb范围内。  5.根据BC1F3群体中各单株基因型,构建了qPC-10的一套近等基因系,NIL-qPC-10H和NIL-q PC-10s。该近等基因系在株高、分蘖数、粒长、粒宽、每穗粒数、生育期和千粒重均没有显著差异,而精米蛋白质含量上存在极显著差异。进一步分析贮藏蛋白中的各组分蛋白质含量,发现清蛋白、醇蛋白和球蛋白含量差异不显著,但谷蛋白含量存在极显著差异。该结果表明,qPC-10可能只特异调控谷蛋白含量,而对其他组分蛋白的影响较小。  6.生物信息学分析表明,在35kb区间内共有4个ORF,其中包括一个控制谷蛋白合成的基因LOC_Os10g26060,序列分析表明,Sasanishiki和Habataki中LOC_Os10g26060在启动子区域和3,UTR上共存在7个碱基的改变,在编码区没有序列变异。RT-PCR分析发现,在花后1至10天,LOC_Os10g26060在NIL-q PC-10H和NIL-qPC-10s中表达量的差异并不大;随着时间的推移,表达量不断升高,并在花后25天达到最大。同时NIL-qPC-10H中LOC_Os10g26060的表达量显著高于NIL-qPC-10s。该结果说明:LOC_Os10g26060可能是qPC-10的候选基因,且其启动子序列的变异导致了表达量的变化,从而引起精米中蛋白质含量的变化。  7.利用RT-PCR分析贮藏蛋白和淀粉相关基因在近等基因系中的表达量,结果显示贮藏蛋白加工合成基因17KD-Prolamin、Glutelin-λ、GluA1、GluA2、GluB1和GluB4,这6个基因在NIL-q PC-10H中的表达量均高于NIL-qPC-10s,说明LOC_Os0g26060可能对这几个基因有反馈促进作用;同时10KD-Prolamin和13KD-Prolamin在NIL-q PC-10s中的表达量高于NIL-qPC-10H,说明LOC_Os10g26060可能对这几个基因有反馈抑制作用;少数淀粉合成相关基因表现出不同程度的上调和下调。  8.为了鉴别qPC-10座位上的不同等位基因,我们根据LOC_Os10g26060在启动子上的序列差异,设计了一个CAPs标记。利用该功能标记可以较好地区分qPC-10座位上的不同等位基因,为进一步利用qPC-10改良稻米品质提供了快捷的工具。
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