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水稻(Oryza sativa L.)是重要的粮食作物,养活着全球半数以上的人口。提高水稻产量、改良水稻品质是目前水稻育种研究的重要任务。水稻籽粒表现是影响水稻产量及品质的关键性状,调控籽粒性状遗传表现是实现水稻产量及品质改良的重要措施。水稻粒型、粒重及垩白等籽粒性状与产量和品质形成密切相关,属于多基因控制的复杂的数量性状,并且容易受环境条件影响。本研究在籽粒形态特征、灌浆生理、淀粉理化特性和组织细胞学等展开全面调查,对水稻籽粒生长发育进行解析;以籼型细长粒材料“玉针香”和粳型宽短粒材料“02428”衍生的重组自交系(RILs)作为群体,利用简化基因组测序构建高密度遗传图谱和QTL作图;结合表达谱测序揭示籽粒发育的基因表达调控,筛选QTL定位区间差异表达基因并预测候选基因;对候选基因进行克隆和初步功能鉴定;构建高通量基因分型技术体系,开发水稻籽粒相关分子标记并应用于水稻种质材料的分子筛选。主要结论如下:1、参试种质材料间的籽粒性状存在广泛的变异,籽粒面积、籽粒周长和圆度可全面反映品种外观性状,粒重和垩白性状变异系数较高。对于理化性质,籼稻AC值具有广泛变幅,为13.31-27.22%;碱消值具有最大的变异系数。RVA谱特征值与籽粒外观、理化特性具有明显相关性,AC和GC是影响RVA谱特征值的2个最主要理化指标。粒型性状主要与有效灌浆、灌浆快增期持续时以及灌浆渐进期持续时间相关,而粒重则主要与灌浆速率相关参数相关。垩白粒率和垩白度与活跃灌浆期和灌浆速率为最大时显著相关。AGPase、SSS和SBE酶活性在材料间差异明显而GBSS的活性较为接近。细胞学观察表明玉针香与02428在颖壳、颖果细胞形态及胚乳淀粉粒细胞结构差异明显。2、以玉针香×02428衍生的RILs为作图群体,采用GBS技术构建包含2,711个Bin标记的高密度遗传图谱,标记间平均遗传距离为0.86 cM。四个环境下,群体各性状呈连续变异分离,大部分接近单峰的正态分布。环境与株系互作对千粒重、谷粒周长、精米长、精米宽、长宽比和垩白率的影响较大,广义遗传力为4.26~70.67%。相关性分析表明,粒长、粒宽与垩白粒率、垩白度呈明显互作网络关系。通过多环境QTL作图,获得一批粒重、粒型(粒长、粒宽、籽粒面积、圆度和粒周长)以及垩白(垩白率和垩白度)的重要QTL,已报道的GS3、GL7/GW7、gw5/qSW5和qPGWC-7等位点在本研究得到重复鉴定。此外,经分析本研究获得14个贡献值高、受环境影响较小的粒型和垩白相关QTL簇,其中10个QTL簇为本研究首次报道。3、表达谱测序分析表明,亲本间存在5,056个显著差异表达基因;集群子代分离池(segregating bulks,由粒型和垩白性状表型极端的子代个体构成的混合集群)间存在668个显著差异表达基因。集群池间的差异表达基因,主要富集于生物调控、细胞进程、新陈代谢进程等生物进程类别及大量富集在结合和催化活性等分子功能类别。参与的信号通路,涉及Ribosome、Phenylpropanoid biosynthesi、Protein processing in endoplasmic reticulum、Plant hormone signal transduction和Homologous recombination等。利用BSR分析及ΔSNP-index峰值检测,获得44个与籽粒性状高度关联的重要区域SNPs,可直接转化为籽粒性状诊断性分子标记。4、通过差异表达基因与QTL定位区间的共定位分析,筛选获得4个影响籽粒性状的候选基因:UDP-阿拉伯糖差向异构酶OsUEL-2;双向糖转运因子OsSWEET3a、葡萄糖基转移酶蛋白家族的基因Os5bglu20,非溶酶体的葡萄糖苷酰鞘氨醇酶OsNLGase,这些基因主要参与碳水化合物合成代谢通路。预测OsUEL-2与籽粒粒长相关,OsSWEET3a与粒宽和垩白相关,而Os5bglu20和OsNLGase与垩白性状相关。对候选基因进行克隆、序列变异分析,获得重要的SNP突变位点。RNA表达分析表明,4个基因在籽粒颖果的表达较高,与籽粒发育调控密切相关。亚细胞定位显示OsUEL-2重组蛋白定位在细胞膜和细胞质,而OsSWEET3a定位在细胞膜。遗传转化植株鉴定初步结果表明,OsSWEET3a很可能对水稻籽粒粒宽起负调控作用,影响粒重。5、基于纳米磁珠特异吸附核酸的原理,本研究开发了高通量自动化DNA提取纯化技术。通过构建高通量基因分型技术体系,对部分籽粒粒型、粒重和垩白性状QTL位点进行了性状-标记关联分析和育种应用,鉴定出一批携带多个有利等位基因的育种材料。综上,本研究对水稻籽粒性状的遗传表现进行解析,利用GBS技术构建高密度遗传图谱,并鉴定出一批尚未报道的重要QTL。结合表达谱测序分析在QTL定位区间筛选出4个候选基因进行了初步的功能鉴定;此外,开发了一批籽粒相关分子标记并应用于育种实践。本研究为进一步理解水稻籽粒性状分子调控机理奠定了基础,同时也为水稻籽粒性状分子育种提供理论依据。