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发展有效和简单的方法来正确识别染色体对于植物细胞遗传学的研究非常关键,尤其对于那些具有较多数目的小染色体的植物类型。
本研究中我们就利用FISH技术将24个来源于水稻基因组中富含基因区域的BAC定位在AA基因组粳稻日本晴的每条染色体臂上,从而发展了一套水稻分子细胞学标记。这套标记还能成功地用于分辨AA、BB、和CC染色体组二倍体野生稻的粗线期同源染色体。此外,45SrDNA和5S rDNA的定位对于识别第9、第10和第11号染色体也起着重要作用。
稻属含有亚洲栽培稻和非洲栽培稻两个栽培种及23个野生种。尽管稻属的遗传多样性已被广泛研究,可是分子细胞遗传学上的差异却知之甚少。重复DNA序列是研究植物基因组进化和物种分化的最有效手段之一。在水稻基因组中大约有50%的DNA为重复序列,因而研究水稻中的重复序列在不同稻种中的分布尤其是AA基因组,有助于阐明栽培稻的起源与分化,普通野生稻的分化以及不同稻种间的亲缘关系。4个串联重复序列用于本实验:5S rDNA、45S rDNA、RCS2和Os48。5SrDNA和45S rDNA是编码水稻核糖体RNA的串联重复序列,带有45S rDNA的水稻染色体通常称为NOR(核仁组织区)染色体。重复单位为155 bp的高度串联重复序列RCS2是水稻着丝粒的基本组成成分之一。Os48是水稻AA染色体组的亚端粒特异串联重复序列。本实验利用荧光原位杂交(FISH)技术,定位分析了这些重复序列在111个不同栽培种和AA组野生稻粗线期染色体上的分布情况,并结合已知具有籼粳分化的分子标记研究了栽培稻和野生稻的籼粳分化。主要结果如下:
1.在典型的粳稻测验种中具有1对NOR和2对Os48位点;粳型的古老地方品种中具有1对NOR,2~3对Os48位点。在典型的籼稻测验种中具有2对NOR,6~8对Os48位点;籼型的古老地方品种中具有2对NOR,6~7对Os48位点。所有粳稻的第6号染色体和第11号染色体的RCS2含量约是籼稻的5倍。由此说明这三个重复序列与明显的籼粳分化相关,可以作为识别籼粳稻的细胞遗传学标记。将其用于几个广亲和品种及一系列的中间型材料中也能正确的分析出它们与籼粳稻的关系。而只有少数几个籼稻品种的5S rDNA有两个位点,大多数典型籼粳测验种和地方籼粳品种中仅有一个位点,所以5S rDNA与籼粳分化无关,只是某些品种的个别特性。
2.用这三个重复序列分析AA组的野生稻表明普通野生稻与亚洲栽培稻亲缘关系最近,其中,个别一年生普通野生稻与粳稻关系较近;某些多年生普通野生稻可能是籼稻的直接祖先;并发现几个较为原始的祖先种。非洲栽培稻可能来源于巴蒂野生稻。展颖野生稻是AA组中距离其他亲缘关系最远的一个物种。此外,也将AA组中各栽培种与野生种做了聚类分析。结合已知具有籼粳分化的分子标记对上述材料进行了研究,结果表明籼粳分化是亚洲栽培稻的主要趋势,而在普通野生稻中也已存在明显的籼粳分化现象。