【毕业学位论文】（Word原稿）水稻耐盐碱性QTLs分析作物种质资源硕士论文

密级： 论文编号： 中国农业科学院 学位论文 水稻耐盐碱性 析 I 摘 要 水稻是一种对盐碱中度敏感的作物，土壤盐碱化是盐碱稻作区水稻生产稳定发展的主要限制因素。深入开展水稻耐盐碱性遗传研究，对发挥水稻品种在盐碱稻作区的产量潜力、进一步扩大水稻的可种植面积、 保障 盐碱稻作区粮食的安全生产和提高人民的生活水平以及改善生态环境具有十分重要的意义。 而至今有关水稻耐盐碱性 的遗传及 究，主要局限于水稻耐盐性，且采用 记的研究报道 较 少。 本研究以耐盐碱性强的籼稻品种 “ 宜矮 1 号 ” 与耐盐碱性弱的籼稻品种 “ 丽水糯 ” 杂交而构建的重组自交系为试验材料，采用 记，试图检测到与水稻耐盐碱性密切相关且对表型变异的贡献率较大的 在为水稻耐碱性的精细定位和分子标记辅助选择育种提供理论依据。 1、在 胁迫下，水稻发芽率及其相对盐害率均呈向低或高的偏态分布； 在 胁迫下，水稻苗期死叶率和死苗率 均呈正态分布 。在 碱胁迫下，水稻 不同 生长 时期死叶率的分布均呈正态分布 ， 死苗率呈向低的死苗率偏 态 分布，认为 上述性状为 由少数主效基因和多个微效基因共同控制 的数量性状 。 2、 检测到与盐胁迫 7 d 时发芽率及其相对盐害率相关的 3 个，对表型变异的贡献率均小于 为微效基因；分别检测到与盐胁迫 10 d 时发芽率及其相对盐害率相关的 个和 8 个，其中 表型变异 的 贡献率最大，达 3、 检测到与盐胁迫下 水稻 死叶率相关的 个，位于第 4、 8 染色体上，其中 为主效基因； 检测到与 盐胁迫下 水稻 死苗率相关的 0 个，分别位于第 1（ 5 个 ）、 3、 4（ 2 个 ）、 5、 8 染色体上，但这些 为微效基因。 4、 共检测到与碱胁迫 10 d 60 d 时水稻 死叶率相关的 17 个，对表型变异的贡献率范围为 均 为微效基因。其中 个不同时期 被检测到，为比较稳定的 测到与碱胁迫 下 死苗率相关的 个，对表型变异的贡献率为 5、 检测到与碱胁迫下水 稻株高、穗长、结实粒数相关的 3 个，其中控制相对株高的表型变异的贡献率最大，达 6、 分别控制盐胁迫下发芽率、死叶率和死苗率的 控制碱胁迫下死叶率的 制盐胁迫下死叶率的 控制碱胁迫下死叶率的制盐胁迫下死 苗 率的 控制碱胁迫下死叶率的 制盐胁迫下死苗率的 控制碱胁迫下死 叶 率的 别位于同一染色体的相同区间，认为耐盐性和耐碱 性有一定的相关性。 关键词 ： 水稻 ， 耐盐性 ， 耐碱性 ， 微卫星标记 ， 数量性状位点 to to in of is to in in It is to s of on of of in , to to to in be in AS in 1. P a to or at a at a a to -3 by 2. P it . 3. to on , of to on (5 3, 4 (2 5, 8. of to 4. 0of in TL of 5. he 6. at as LR at as LR at as LR SR at as LR .), 录 第一章 文献综述 . 1 物耐盐机理研究 . 1 胁迫对植物的伤害机理 . 1 物耐盐机理 . 2 稻耐盐碱性研究现状 . 5 稻耐盐碱性遗传差异 . 5 稻耐盐碱性 位 . 6 子标记 . 8 记 . 9 记 . 9 记 . 10 记 . 10 记 . 11 记 . 12 位分析 . 12 位的基本原理和方法 . 12 位的统计软件 . 14 传连锁图谱的构建 . 15 本的选配 . 15 离群体的类型和选择 . 15 稻分子遗传图谱 . 16 子标记辅助选择 . 17 试验的研究目的及意义 . 18 第二章 材料与方法 . 19 验材料 . 19 究方法 . 19 稻耐盐碱性鉴定 . 19 记分析 . 20 据统计分析 . 20 稻耐盐碱性状的表型分析 . 20 锁分析与 析 . 21 第三章 结果与分析 . 22 碱胁迫下重组自交系群体的耐盐性状表型变异分析 . 22 芽期和苗期耐盐性状的表型变异 . 22 V 稻耐碱性状的表型变异分析 . 25 传连锁图谱的构建 . 27 稻耐盐碱性 测 . 29 胁迫下发芽率的 测 . 29 胁迫下死叶率和死苗率的 测 . 30 胁迫下水稻死叶率和死苗率的 测 . 32 胁迫下水稻主要农艺性状的 测 . 34 第四章 讨论 . 36 稻耐盐碱性遗传 . 36 稻耐盐碱性的 位 . 36 同耐盐碱性状的 较 . 37 盐性状与耐碱性状的 较 . 37 稻耐碱性 增效等位基因 . 37 第五章 结论 . 39 稻耐盐碱性表型变异 . 39 稻耐盐性的 测 . 39 稻耐碱性的 测 . 39 稻耐盐性和耐碱性的相关性 . 39 参考文献 . 41 致谢 . 47 作者简历 . 48 中国农业科学院硕士学位论文 第一章 文献综述 1 第一章 文献综述 盐渍化土壤在世界上分布广泛，全世界约有 10 亿公顷土壤盐渍化 ， 占所有陆地面积的 7 。约占5%总耕地面积的 公顷耕地受到盐的危害 (2002)。其中 ， 我国的盐碱土地面积达到一亿公顷，在现有耕地中，至少有 800 万公顷的土地由于不当的灌溉和施肥，导致了土壤中盐分的积累，而 形成盐渍化（高继平， 2005）。 土壤的盐渍化是限制农作物生长，造成作物减产 的 最 大 非生物胁迫之一 。 据统计 1939 1978 年间，影响作物产量的各种环境因素中干旱和盐碱造成的减产量高达 40%以上 (1982)。改良和利用大面积盐渍化土壤可以通过农业工程措施改良土壤，降低土壤盐 碱 分缓解作物生长的胁迫条件。但是通过遗传改良提高作物的抗逆性，培育耐盐 碱 作物品种是解决这一问题的最经济有效的方法。 水稻是全世界最重要的农作物之一，也是我国种植面积最大的重要粮食作物 。而 水稻是一种对盐碱中度敏感的作物，土壤盐碱化是盐碱稻作区水稻生产稳定发展的主要限制因素。深入开展水稻耐盐碱性遗传研究，对发挥水稻品种在盐碱稻作区的产量潜力、进一步扩 大水稻的可种植面积、保证盐碱稻作区粮食的安全生产和提高人民的生活水平以及改善生态环境具有十分重要的意义。 物耐盐 机理 研究 胁迫对植物的伤害机理 盐胁迫对植物的伤害称为盐害 (包括原初盐害和次生盐害。原初盐害是指盐离子的直接作用，对细胞膜的伤害。次生盐害是指盐离子的间接作用，导致渗透胁迫，使植物根系吸水困难，从而造成水分和营养的亏缺。盐逆境对植物的胁迫可分为渗透胁迫、离子毒害和离子吸收不平衡即营养亏缺。盐胁迫对植物的伤害主要有以下几个方面： 长 抑制 生长抑制是植物对盐渍响应最敏感的生理过程。盐敏感植物在盐胁迫几小时内就会对植株的生长产生不可逆的减缓 (et 2000a； 2002)。盐分对植物个体发育的影响非常显著，总的特征是抑制植物组织和器官的生长和分化，提早植物的发育过程。小麦长时间处于盐胁迫下，叶片数减少，叶面积缩小，分蘖数和籽粒减少，影响了小麦的产量 (1988)。种子发芽期和幼苗阶段对盐最为敏感 (章文华， 1991； 1986)，所以通常用芽期和苗期进行耐盐机理、生理及 耐盐基因表达的研究。 光合作用的影响 盐胁迫下光合作用下降，一方而是盐逆境对叶绿体的结构破坏，另一方面是光合电子传递过程的光抑制作用。当植物受到环境胁迫时，往往会发生光抑制现象，光抑制现象的主要发生部位为 I。盐胁迫对 I 的光能利用率的影响报道较多，但尚未得到统一认识。 (1993)认为，盐胁迫可以改善 I 的功能； (1994)则认为，盐胁迫可以抑制 I 的功能；朱新广等 (1999)认为，在低盐浓度胁迫下小麦的 性变化不人，但当盐浓度达一定 浓度后， 性显著下降。许多实验中国农业科学院硕士学位论文 第一章 文献综述 2 研究表明，盐分胁迫对非盐生植物的光合作用是抑制的，并且降低程度与盐浓度正相关。另外，光合能力的下降也与植物种类、品种以及盐的种类有关。 子毒害 盐逆境下，植物地上部积累高浓度的盐离子或 K+比例太高会使植物受到伤害。高浓度的 一方面置换质膜的钙，另一方面消弱质膜上的膜保护系统，致使膜脂过氧化作用加剧，膜透性增加，K+、 子外渗导致离子不平衡及矿质营养的失调（赵可夫， 1993）。 透胁迫 土壤盐分过高，使土壤水分的溶 质含量太高，造成植物吸水困难，种子不能萌发，幼苗不能吸水或吸水很少，从而形成生理干旱；植物根系向地上部叶片输送的盐分大于叶肉细胞对离子的吸收。盐离子会在细胞质外体积累，细胞失水，造成水分胁迫，使细胞质膜受到伤害。膜的结构组成发生改变，透性增加，被动渗透增加。 系统的伤害 自 J. M. (1968)提出的自由基伤害学说以来，现已广泛用于需氧生物细胞伤害机理的研究。植物体内可通过多种途径产生自由基，但主要来源于叶绿体的光合作用和线粒体的呼吸作用中的电子传递过程。自由基的大量产生若 不能及时被超氧化物酶分解，将会形成破坏力更大的羟自由基(1995)，这些自由基会对不同的细胞成分包括膜脂、膜蛋自、核酸发生氧化作用，从而使细胞膜的结构和功能完整性受到破坏，膜的选择性丧失，严重会使植物细胞死亡。丙二醛 (膜质过氧化的产物 (陈少裕， 1989)，通常被看成是许多植物伤害的指标 (王宝山， 1986；蒋明义， 1996)，膜脂过氧化的中间产物自由基和最终产物 对膜造成严重的损伤，这些损伤主要是膜蛋白质的聚合和交联以及膜类脂的变化引起的 (王宝山， 1988 )。生物膜中的结构蛋白和 酶的聚合、交联改变了这些蛋白质的空间构型，从而改变了它们的结构功能和催化活性。而膜中不饱和脂肪酸的过氧化及其过氧化产物都直接影响膜的组成、结构、膜的流动性、透性及其生理功能。各种亚细胞器膜如叶绿体膜、线粒体膜和微粒体膜等也受到损伤，细胞生理功能出现紊乱，最终导致细胞死亡。 物耐盐机理 植物的耐盐机理是植物对环境的长期适应中进化形成的。许多盐生植物具有特殊的耐盐机理，吸盐型植物将进入体内的盐分通过细胞的离子区域化作用积累在液泡中，或通过组织的肉质化冲淡盐离子对植物的毒害；泌盐型植物依赖于叶片或茎 上盐腺的分泌作用将体内过剩的盐分分泌到体外或贮存到盐囊泡中 (1974)，以调整组织的含盐量，使组织免受盐害。一些植物还可通过淋溶和吐水的方式排盐，如红树可通过蒸腾流将叶细胞内和积累在叶表面的盐分排掉。盐生植物灯心草通过落叶的方式降低体内盐分，叶片衰老后，盐分达到饱和即脱落 (1984)。淡土植物多为拒盐型植物，通过对离子的选择性吸收和适度控制盐分在不同器官、组织或细胞的不均一分配作用，来降低细胞的盐离子浓度，每种植物通常具有不同程度 的上述机制 (刘友良， 1993)。 物整体水平的拒 理 植物地上部 量取决于木质部蒸腾流中 度，而木质部蒸腾流中的 度取决于两个方面，一是根、茎基部的拒 用，另一方面是木质部薄壁细胞对木质部汁液离子的选择性吸收和释放。植物根系凯氏带是盐离子进入植物体的主要屏障，由于 U 型凯氏带的阻隔作用，植物体不能将中国农业科学院硕士学位论文 第一章 文献综述 3 入根细胞内，即使进入细胞也通过 +泵再排出，内皮层细胞内的 同样被排出，这可能与植物的细胞质膜组成有关 (1986)。植物体将吸收的 向木质部运输过程中，被木质部或韧皮部传递细胞吸收，并分泌到韧皮部中再运回根中，最后分泌到环境中，形成 植物体内的循环过程 (1987)。也即植物通过脉内再循环把 运到体外，这一点在菜豆、高粱、小麦植物中均得到证明王宝山， 1997)。 离子的区域化 无论是盐生植物还是淡土植物，盐离子在植物体内的区域化都是重要的耐盐机制。区域化包括整株水平的离子区域化和细胞水平的区域化。盐胁迫卜，植物吸收的 地上部特别是向叶片和果实的运输选择性降低，而 K+运输选择性增加；植物 体将吸收的 存于根茎基部，从而阻止 叶片运输。液泡是植物成熟细胞最大的细胞器，能贮存营养和代谢产物，避免有毒物质对细胞的伤害。盐生植物和较耐盐的淡土植物组织所吸收的盐离子主要分布在液泡内作为渗压剂，盐离子在液泡的分布是植物抗盐性的重要特征 (1970)。离子运输到细胞内一方面通过 H+反转运蛋白将盐离子运到质外体，从而运到胞外，所需能最由质膜 供；另一方面通过液泡膜 所需能量由液泡膜 供 )，从而减 轻盐离子对胞内各种酶的伤害，使各种代谢反应正常进行 (1996)。 胞内可溶性物质的渗透保护作用 当植物处于盐渍环境时，由于外界环境的渗透势很低，植物细胞很容易失去水分，表现为水分胁迫，而处于生理干旱状态，此时只有细胞内水势低于外界时，才能继续吸收水分 (刘友良， 1999)。一般来讲，植物细胞通过积累溶质，提高细胞溶质浓度以降低渗透势，参与渗透调节的物质一是从外界吸收的无机离子，二是在细胞内合成的有机溶质。两者对渗透调节的贡献率随植物品种的不同、生活环境的不同而异。植物细胞原生 质中的许多酶对离子浓度十分敏感，高浓度的离子将抑制这些酶的活性。因此，过多离子的累积被区域化在液泡内，而在细胞质中累积的渗透调节物质主要是一些对酶的正常功能没有影响的有机化合物，且数量有限，最常见的是脯氨酸，另外还有甜菜碱、可溶性碳水化合物、有机酸、多元醇等。脯氨酸的渗透调节最有效，受胁迫时，其大量累积可达到原来的数十到数百倍；甜菜碱是另一种重要的调节物质，盐生植物中，它累积在细胞质中，形成低渗透势，从而与液泡中的盐分保持渗透平衡，以保证植物的正常生理活动；有机酸在盐生植物对盐渍生境的适应中也很重要，它可以 部分平衡阳离子及调控细胞质的 。 胎发育晚期丰富蛋白 (人 (1981)首次从棉花种子发育晚期的胚胎中发现人量积累的一类蛋白质，称为 后白家族的其它蛋白也陆续从不同种类的植物中获得。 在受到逆境胁迫而脱水的营养组织中表达 (1994)，因而和逆境胁迫有关。 白在减少种子发育后期的衰老，提高抗性中有重要的作用 (1997)。编码 白的基因称 为 因，目前在大麦、小麦、水稻、棉花、油菜、玉米、大豆等作物中都已克隆到相应的 因。包括大麦的 因，小麦的 基因，胡萝卜的 因，大豆的 萄种子的 因，棉花的 因 (邱栋梁， 2002 )。对水稻进行大麦 因 逆境下受害症状出现的较迟，且容易恢复，可维持较高的生长速率；而且耐盐性与 白积累呈正相关 ( 1996)。番茄 因转到酵母盐敏感突变体也能提高其对盐和水分胁迫的抗性 (1996)。目前，大多数人认为 白通过保护细胞结构的完中国农业科学院硕士学位论文 第一章 文献综述 4 整性，从而提高植物的抗性。 白是多基因家族，在抗逆研究中很受重视。 调蛋白 (自 1987)等首次报道了在烟草盐适应细胞中存在盐胁迫蛋白，此后又发现在玉米 (986)、大麦 (1987)、小麦 (郭庆房， 1999)等许多植物中存在盐胁迫蛋白，而且以 26白质的含量显著，可占总蛋白 的 10%且增加量与总蛋白的量正相关。由于 26蛋白的合成总是伴随渗透调节的开始，因而被定名为渗调蛋白。在耐盐的小麦根系也有渗调蛋白的合成，而不耐盐的品种则不增加。番茄细胞的渗调蛋白基因己被成功克隆分离，编码一个 24蛋白 (986)。盐诱导在转录水平上调节，基因产物与烟草细胞的渗调蛋白的同源性达到 92%，与烟草病程相关蛋白、甜蛋白和玉米胰蛋白酶、淀粉酶抑制剂也有很高的同源性。渗透调节基因不仅受转录水平的调控，而且还受转录后水平的调节，脱落酸诱导编码渗透蛋白 合成并使 其稳定，但是只有渗透调节才能导致渗透蛋白的积累。 抗氧化防御系统的活性增强 对盐分胁迫下植物体内抗氧化防御系统己进行了大量研究，并己确定它由一些能清除活性氧的酶系统和抗氧化物质组成，如超氧化物歧化酶 (过氧化物酶 (过氧化氢酶 (抗坏血酸(，它们协同起作用共同抵抗盐分胁迫诱导的氧化伤害，如 化两个超氧自由基发生歧化反应形成 被 化除掉。在整个氧化防御系统中， 所有植物在氧化胁迫中起重要作用的抗氧化酶。根据 结合的金属离子的不同， 分为 类型。 要存在于叶绿体和细胞质中， 要存在于线粒体， 些膜保护酶己被克隆 (2002)并进行了转基因，烟草的 基因苜蓿抗旱能力提高，大田实验表明烟草的 苜蓿中的表达能通过调控叶绿素荧光、电解质渗漏和茎尖再生来减弱渗透胁迫对苜蓿的伤害，从而提高抗性 (1993； 1996)。但也有些报道不能提高抗盐性 ，这表明转单一的抗氧化酶基因不足以防御这种氧化胁迫，不能提高植物的抗盐性，抗盐性是膜保护酶系统的协同作用 (赵风云， 2003)。 合碳代谢途径的改变 在盐分胁迫下，植物的代谢会受到干扰而发生紊乱，而有些植物在盐逆境或干旱胁迫下可以改变代谢途径以适应盐分环境，由 植物转为 植物。如冰叶日中花、獐毛等。 植物是白天开放气孔进行 吸收和固定，夜晚关闭气孔，这样不利于在胁迫下保持水分；而 植物是夜间开放气孔进行 吸收和固定，白天气孔关闭减少水分散失， 植物的不同不是代谢时间的变化而是结构上的变化，在渗透胁迫下 物能在不影响 定的同时缩小气孔的导度，保持水分。因而 植物比 植物具有更强的抗逆