開題報(bào)告-修改版

1、研究課題的來源： 水稻原產(chǎn)于華南及東南亞等低緯度高溫、濕潤(rùn)的熱帶地 區(qū)，是短日照植物，經(jīng)過長(zhǎng)期的演變、分化和人工選擇，光溫反應(yīng)多樣化， 種植范圍由低緯度擴(kuò)展到高緯度（如我國(guó)的漠河北緯53 29也可種植），由低海拔地區(qū)擴(kuò)展到高海拔地區(qū) （朱德峰等， 2007）。水稻在這一拓展的過程中， 適應(yīng)不同地區(qū)、 不同季節(jié)的光溫生態(tài)條件， 分化出光溫反應(yīng)的不同生態(tài)類型， 主要表現(xiàn)在對(duì)溫度和日長(zhǎng)反應(yīng)的變化：由低緯度到高緯度，生長(zhǎng)季節(jié)自然日 長(zhǎng)逐漸變長(zhǎng)， 水稻的感光性逐漸變?nèi)酰?低緯度的華南地區(qū)品種一般都強(qiáng)感光， 感光要求的日長(zhǎng)短； 華中及長(zhǎng)江流域品種感光性中等， 華北品種一般弱感光， 東北的水稻基本不感光。相

2、同地區(qū)不同生長(zhǎng)季節(jié)所處的光溫條件不同，也是 產(chǎn)生光溫反應(yīng)差異的重要因素；早稻生長(zhǎng)季節(jié)是長(zhǎng)日照條件，因此早稻一般 不感光，晚稻是在日照逐漸變短的條件下完成發(fā)育，感光性強(qiáng)。中稻介于二 者之間，早熟類型偏于感溫為主，遲熟類型偏于感光。水稻這種適應(yīng)不同光溫生態(tài)條件，自身抽穗期發(fā)生適應(yīng)性改變 抽穗 期調(diào)控的遺傳機(jī)理一直是水稻遺傳研究的重點(diǎn)。但迄今為止，水稻這種對(duì)北 方長(zhǎng)日條件的適應(yīng)的機(jī)理還不完全清楚。本課題擬通過對(duì)影響北方粳稻長(zhǎng)日照條件下抽穗期生態(tài)地理適應(yīng)性分 子機(jī)理的研究，了解其遺傳本質(zhì)和抽穗期生態(tài)適應(yīng)性的分子進(jìn)化。同時(shí)各生 態(tài)地理分布區(qū)抽穗期關(guān)鍵基因的明了也是水稻品種抽穗期分子設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)， 據(jù)此在育

3、種中可有意識(shí)地設(shè)計(jì)適合當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)條件的抽穗期相關(guān)基因最佳等位 型，提高育種效率，同時(shí)也有利于品種資源的交流和應(yīng)用，提高種質(zhì)資源的 利用效率。研究目的和意義： 水稻的抽穗期決定品種的地區(qū)與季節(jié)適應(yīng)性，是重要的產(chǎn)量相關(guān)農(nóng)藝 性狀。水稻抽穗期是感光性、感溫性及基本營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)性綜合作用的結(jié)果。 在雜交稻組合的選配中，能事先預(yù)測(cè)雜交稻 Fl 的抽穗期表現(xiàn)，以期培育出 符合不同生育期要求的水稻新品種，首先需要了解所用親本的抽穗期基因 型。為此，日本學(xué)者培育了抽穗期測(cè)驗(yàn)系來解決這個(gè)問題，現(xiàn)有的測(cè)驗(yàn)系 包括：主要用于測(cè)驗(yàn) El、EZ、E3位點(diǎn)的EG系列（okumotoetal.1996）,用于 測(cè)驗(yàn)Se-1位點(diǎn)的

4、ER 一系列（Yamagataetal.1986和測(cè)驗(yàn)Ef-1位點(diǎn)的T65系 列（Tsaietal.1986現(xiàn)在已經(jīng)具備了培育抽穗期 QTL近等基因系用于精細(xì) 定位和用于研究 QTL 位點(diǎn)的地理分布,目前,己有應(yīng)用這些測(cè)驗(yàn)系分析日本水稻品種的抽穗期基因型及抽穗期基因分布的報(bào)道： Se-1 位點(diǎn)是影響日 本水稻適應(yīng)性重要位點(diǎn)，其中Se-1e是日本東南地區(qū)(N360 N410)及其它低 緯度地區(qū)(N210一 N300)和高緯度地區(qū)(N360一 N40)控制抽穗期的主要基因 (Ichitanietal.1998:Okumotoet缸.1996)，Se-1e位點(diǎn)主要分布于日本西南地區(qū) (N310一 N

5、360)水稻品種中，這些結(jié)果對(duì)指導(dǎo)親本選配具有重要意義。因此， 應(yīng)用抽穗期測(cè)驗(yàn)系分析我國(guó)水稻主栽品種的抽穗期基因型和抽穗期基因的 地理分布，對(duì)指導(dǎo)中國(guó)水稻育種，特別是對(duì)雜交稻親本的選配，克服三系 雜交稻及粕粳雜交稻 Fl 代超親晚熟具有重要實(shí)踐意義 (羅林廣等， 2001)。 此外，分析抽穗期感光基因在栽培稻主要生態(tài)型中的分布頻率，對(duì)探討水 稻類型的演化、起源與進(jìn)化，以及種質(zhì)的合理利用也具有重大意義。遺傳 育種家認(rèn)為對(duì)水稻抽穗期遺傳研究的深入將在品種改良及推廣中發(fā)揮重要 作用，同時(shí)水稻作為短日模式植物將與長(zhǎng)日模式植物擬南芥一起，在最終 揭開植物成花的機(jī)理的研究中將發(fā)揮不可替代的作用(岳兵和邢永

6、忠，2005)。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和分析1.2.1 水稻抽穗的光周期調(diào)控 由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換是決定水稻抽穗期的根本因素，這種轉(zhuǎn) 換受水稻自身和環(huán)境信號(hào)的雙重調(diào)控。近年來分子生物學(xué)的發(fā)展，使我們 對(duì)抽穗期調(diào)控分子機(jī)理有了較清晰的認(rèn)識(shí)，這些進(jìn)展主要體現(xiàn)在對(duì)水稻抽 穗期的光周期調(diào)控研究。迄今為止已有多個(gè)抽穗期相關(guān)基因被克隆，通過對(duì)基因功能及其相互 之間關(guān)系的研究，已明確水稻光周期誘導(dǎo)開花的模式。水稻通過兩條主要 調(diào)控途徑調(diào)節(jié)開花：一條是類似于擬南芥 GI-CO-FT 光周期調(diào)節(jié)開花模式的 OsGI- Hd1-Hd3a 路徑(Ya no et al, 2000; Kojima

7、 et al, 2002; Hayama et al,2002), OsGI整合光信號(hào)和晝夜節(jié)律信號(hào)調(diào)節(jié) Hd1的表達(dá)，Hd1 (擬南芥 CO的同源基因，編碼)調(diào)節(jié) Hd3a的表達(dá)。短日下促進(jìn) Hd3a的表達(dá)，促 進(jìn)開花，長(zhǎng)日下抑制Hd3a的表達(dá)，抑制開花。其中 Hd3a (擬南芥成花素 FT 的同源基因)是水稻中的成花素( Tamaki et al, 2007)，在葉片中表達(dá)， 通過韌皮部運(yùn)輸至頂端分生組織，啟動(dòng)開花。 RFT1 是 Hd3a 的同源基因( Chardon and Damerval, 2005; Komiya et al, 2008)，能在缺乏 Hd3a 的時(shí)候 促進(jìn)開花，

8、在短日下 RFT1 是冗余的， 短日條件下， 主要通過 Hd3a 激活水 稻開花。在長(zhǎng)日條件下，則主要靠 RFT1促進(jìn)開花(Komiya et al, 2009)。另一條是水稻獨(dú)有的開花調(diào)控路徑： Ehd1-Hd3a/RFT1， Ehd1 編碼一 個(gè)B-型反應(yīng)調(diào)節(jié)子，在擬南芥中沒有同源基因，能獨(dú)立于Hd1促進(jìn)水稻開花( Doi et al, 2004)。 Ehd1 在短日和長(zhǎng)日下都是重要的抽穗期調(diào)節(jié)因子， Ehd1 整合了多個(gè)信號(hào)(調(diào)控途徑基因的表達(dá)信號(hào)) ，尤其在長(zhǎng)日下抽穗期 調(diào)節(jié)中起著至關(guān)重要的作用。 Ehd1 在短日下受 OsMADS51 的直接調(diào)控(Kim et al, 2007)，調(diào)

9、控途徑為 OsGI -OsMADS51- Ehd1-Hd3a。長(zhǎng)日條件 下接受來自O(shè)sMADS50的信號(hào)，調(diào)節(jié)抽穗(Komiya et al, 2009)0 Ehd1整合 了多個(gè)信號(hào)， RID1/Ehd2/Osd1 在短日和長(zhǎng)日下都是 Ehd1 的正調(diào)節(jié)子， 促進(jìn) Ehd1 的表達(dá)，促進(jìn)抽穗( Wu et al, 2008; Matsubara et al, 2008; Park et al, 2008)。我國(guó)科學(xué)家克隆的 Ghd7(Xue et al, 2008)和 DTH8(Wei et al, 2010) 在長(zhǎng)日條件下通過抑制Ehd1的表達(dá)延遲抽穗。光敏色素B (phyB)在長(zhǎng)日 條件下

10、也能延遲抽穗( Takano et al, 2005; Ishikawa et al, 2005)。1.2.2 短日和長(zhǎng)日下水稻的開花模式 (Komiya et al, 2009; Wei et al, 2010)短日下只發(fā)現(xiàn)了開花促進(jìn)途徑，即通過 Hd3a 開花調(diào)節(jié)途徑： Hd1 和 Ehd1，通過促進(jìn)Hd3a的表達(dá)促進(jìn)開花。調(diào)控路徑為： OsGI- Hd1-Hd3a和 OsGI -OsMADS51- Ehd1-Hd3a。長(zhǎng)日條件下，既發(fā)現(xiàn)開花促進(jìn)途徑，也發(fā)現(xiàn)了開花抑制途徑。 Hd1 在 長(zhǎng)日下抑制Hd3a的表達(dá)，抑制開花，Ehd1的表達(dá)促進(jìn)Hd3a/RFT1的表達(dá) 促進(jìn)開花。多個(gè)基因通過影

11、響 Ehd1 的表達(dá)參與抽穗期的調(diào)控。1.2.3 抽穗期相關(guān)基因生態(tài)地理分布的研究水稻進(jìn)化和馴化過程中，適應(yīng)不同的生態(tài)地理環(huán)境(不同的溫光條件) 形成了各種光溫反應(yīng)模式，而各種光溫反應(yīng)模式形成的分子機(jī)理迄今為止 還不很清楚。 Izawa( 2007)認(rèn)為水稻對(duì)北緯高緯度地區(qū)長(zhǎng)日條件的適應(yīng)的 分子機(jī)制： 可能是 Hd1 和 Ehd1 參與的兩條抽穗期調(diào)節(jié)途徑相互作用、 加以 人工選擇的結(jié)果。 TaKaHaShi 等( 2009)的研究在某種程度上證實(shí)了這種 推測(cè)， TaKaHaShi 等( 2009)在短日條件下研究了抽穗期調(diào)控相關(guān)基因與 抽穗期多樣性形成的關(guān)系，試圖找到形成抽穗期多態(tài)性的分子機(jī)

12、制。研究 表明：成花素基因(Hd3a)的表達(dá)量與抽穗期的長(zhǎng)短高度相關(guān)，是水稻抽 穗開花遲早的決定因子。 能直接或間接影響 Hd3a 表達(dá)量的因素都能影響抽 穗期，從而形成不同的生育期表型，與水稻的生態(tài)地理分布相關(guān)。這些因 素主要有Ehd1基因和Hd1基因編碼區(qū)的等位型變異及 Hd3a啟動(dòng)子區(qū)的等 位型變異等。 Xue 等( 2008)的研究證實(shí) Ghd7 也呈現(xiàn)一種地理分布特征： 強(qiáng)功能型等位型分布在熱帶或亞熱帶區(qū)域品種中，北方高緯度材料等位型 往往是低功能型和無功能型。對(duì) DTH8 的研究證實(shí)：該基因與水稻的光敏 感性相關(guān)，DTH8無功能突變大大弱化水稻的感光性。北方粳稻感光性弱化， 預(yù)示

13、DTH8 可能與水稻的生態(tài)地理分布相關(guān)( Wei et al, 2010)。已有的研究證實(shí)短日照條件下水稻抽穗期的生態(tài)地理分布多樣性相關(guān) 的主要因素有： Ehd1 基因和 Hd1 基因編碼區(qū)的等位變異、 Hd3a 基因啟動(dòng) 子區(qū)的等位變異。而短日條件下形成各地理分布光溫生態(tài)區(qū)水稻 抽穗期的 各種基 因組合尚未有深入的研究，是否還有其它影響因素也有待研究。光周期 CLight/Dark)、光敏色索*說花色(PHYr CRY)?汜轍色AlPHYBJ生物鐘(Circadian clock) OsGIOsMADS/, (AMADS 14. OsM ADS 15 ?XHdlOsMADSSOI i - l

14、ikeproteins (Hd3a cicJ抽禍(Heading圖i光周期調(diào)控水稻抽穗期的路徑 注“：？”表示此基因沒有獲得遺傳方面的證據(jù)研究的內(nèi)容：1. 群體構(gòu)建和抽穗期記載以播種日至抽穗日的天數(shù) (d)作為抽穗期，Hdl的抽穗 期為？ d，明輝63的抽穗期為？ d，F(xiàn)1的抽穗期為？ d，介于親本之間。以？作 為雜交和回交親本，獲得的F2群體。2. 水稻DNA的提取：親本及水稻F2群體基因組DNA3. 通過SSR分子標(biāo)記驗(yàn)證抽穗期生態(tài)地理分布相關(guān)基因等位型在抽穗期地理分布中的作用親本多態(tài)性引物篩選：利用500對(duì)SSR引物對(duì)親本進(jìn)行篩選，篩選出有差異的 多態(tài)性標(biāo)記。用多態(tài)行標(biāo)記對(duì) F2群體基因

15、池進(jìn)行多態(tài)性篩選4. 分析遺傳作圖及遺傳分析參考文獻(xiàn)：1. Aus tin D.F., and Lee M., 1998, Detection of quantitative traitloci for grain yield and yield components in maize acrossgenerations in stress and nonstress environments, Crop Sci.,38: 1296-13082. Blzquez M.A., Ahn J.H., and Weigel D., 2003, A thermosensory pathway contr

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