亚洲栽培稻籼--粳遗传分化及其与地理分布的关系说课材料.docx

此文档收集于网络，如有侵权请联系网站删除复且大学博士学位论文 亚洲栽培稻籼-粳遗传分化及其与地理分布的关系摘要籼粳分化代表亚洲栽培稻(Owza sativa L)遗传分化中主要的分化类型，长 期以来也是栽培稻遗传分化及其利用研究的焦点。由于籼稻和粳稻之间在形态、 生理、遗传以及对应的生境存在一系列差异，有些极端分化的籼稻和粳稻类型在 杂交时存在显著的生殖隔离，因此，栽培稻被划分为籼稻亚种(D sativa Lsubsp indica Kato)和粳稻亚种(Dsativa Lsubspjaponica Kato)。本研究首次采用高效 精确鉴定籼粳分化的插入缺失分子标记(InsertionDeletion，InDel)，系统阐明栽 培品种的籼粳遗传分化，并定量地确定籼粳遗传分化的程度。本研究根据不同 类型栽培稻品种的地域适应性，分析其地理分布规律，并分析海拔和纬度怎样影 响这一分布，为进一步理解籼稻和粳稻种植区的划分提供依据：同时，籼稻和粳 稻类型的精确鉴定，为其在育种中的合理应用提供科学依据，特别是籼粳杂种 优势的利用和在分子辅助育种中有效地选择亲本的种质资源提供依据。本研究的 主要结果如下：1栽培稻品种沿着海拔梯度的籼粳分化及其分布：采用34对能够特异区分籼粳 的InDel分子标记，分析了来自中国云南省的203份亚洲栽培稻品种和14份野 生稻种，海拔梯度在450m到2350m之间。研究结果表明：(1)云南栽培稻品种 发生了显著的遗传分化，分成籼稻和粳稻两大类群，其中只有极少数的栽培稻和 几乎所有的野生稻种表现为中间类型，没有发生分化；(2)籼稻适应区几乎覆盖 了所有的采样区域，而粳稻更适应于海拔高于1400m的区域，表明籼稻对海拔 具有很宽的适应范围，而粳稻则更适应于高海拔地区；(3)云南的栽培稻品种未 出现大量的中间类型，表明在云南分化程度较高的籼稻和粳稻可能由其它地方引 种而来，因此云南可能不是栽培稻的起源中心之一，而是栽培稻的遗传多样性中 心之一。2栽培稻品种沿纬度梯度的籼粳分化及其分布：采用34对InDel分子标记，对 分布于亚洲南纬。到北纬45。的纬度区间内的387个品种以及5个不同来源的非 洲栽培稻品种和52个野生稻种群作为研究材料进行实验分析。结果表明：(1)亚此文档仅供学习和交流亚洲藏培稻籼_粳遗传分化及其与地理分布的关秉洲栽培稻聚类为两个相对独立的群体，表明亚洲栽培稻发生了显著的遗传分化， 而非洲栽培稻和野生稻则没有相应的遗传分化：(2)籼稻和粳稻沿纬度梯度的地 理分布呈现不同的模式：籼稻在南纬20到北纬40。的广大范围内具有广泛的适应 性；粳稻则明显集中分布在高于北纬150的地区；大部分的中间类型则分布在低 于北纬270的地区：(3)对取样区间的栽培稻类型的种植比例和各纬度梯度30年 年均温的相关分析表明：籼稻的分布对温度变化不敏感，粳稻的分布则对温差变化反应敏感：同样中间类型对温度变化反应敏感。因此，栽培稻沿着不同纬度梯度的籼一粳遗传分化以及地理分布与其所在环境的生态因子温度紧密相关。3为了进一步了解能够特异区分籼一粳的InDel分子标记与籼粳遗传分化功能基 因的关系，本文分析了与InDel分子标记紧密连锁的基因序列，发现有50条基 因序列具有一定的功能结构域。比对日奉晴和93一ll中获得序列结果发现：(1)与 标记R2M10紧密相邻的基因序列存在90个变异；(2)与标记R4M43紧密相邻 的基因序列存在19个变异；(3)与标记R8M46紧密相邻的基因序列存在18个 变异：(4)与标记R3M10紧密相邻的基因序列存在1个变异，在420bp位置日 本晴有一个缺失突变，931l在此位置插入碱基T，造成蛋白序列发牛移码突变， 且93一ll中该基因在609bp位置提前终止。深入研究这些基因序列并进行进一步 验证其功能，将有助于深入了解栽培稻籼粳遗传分化过程中所受到的选择作用， 为栽培稻籼粳分化的起源和形成机理提供生物信息学和分子生物学支持。关键词：籼稻；粳稻；野生稻；遗传分化；地理分布；海拔；纬度；种质资源育种：结构域。(中图分类号：Q948)II复且大学博士学位论文亚洲栽培稻籼老嘲【传分化及其与地理分布的关系Abstractlndica-japonica variation represents the most significant genetic differentiation in Asian cultivated rice，and it has also been the focus of how to use genetic differentiation of cultivated riceBased on the differentiation in characteristics ofmorphology,physiology,genetics and their habitat，especially when significant differentiated varieties shows obvious reproductive isolation and sterility in Fl hybrids， Asian cultivated rice was classified into two subspecies Oryza sativa Lsubspindica Kato and subspjaponica KatoIn this study InsertionDeletion molecular markers (InDel)was first used in indica-japonica genetic differentiation of cultivated rice and identification of the degree of indica-japonica differentiationBased on that indica rice and japonica rice adapt to different environmental conditions we analyzed the differentiation and distribution patterns of cultivated rice along altitude and latitude gradients，and also accurately identified the type of riceIn order to exploring the difference in genome of typical indica and typical japonica，we analyzed gene sequence which is located near to the InDel molecular markersThis research will facilitate indica-japonica differentiation theoretical research，strategic utilization and conservation of rice germplasm，and provide scientific data for introducing different type of rice to certain place to achieve beRer agronomic characteristicsThe mainly results of this study are：1In this study,we analyzed 203 varieties and l 4 wild accessions of rice collected from localities across an altitude gradient between 450 and 2,350 m above sea level in Yunnan，China，applying the“InDel molecular indexdeveloped recentlyResults from PCA of the InDel data demonstrated significant genetic differentiation of rice varieties from Yunnan into indica and japonica typesA few cultivars and nearly all wild rice accessions showed only moderate or no differentiationFurther analyses demonstrated a clear distribution paaem of the rice varieties in the mounminous region：indica varieties were grown across the entire altitude gradient in the sampling areas，but most japonica varieties were found above 1,400 mThese results clearly indicated that indica rice could be cultivated in areas at much higher altitudes than those categorized by the traditional methodsThe knowledge opens a new dimension for introducing indica rice varieties to mountainous regions at higher altitudes and forIllselecting rice germplasm in these regionsIn addition，the pattern of significant indica-japonica differentiation in rice varieties from Yunnan suggested the exotic origin of cultivated rice，which did not support the hypothesis that Yunnan is a part of the center of origin of rice，although it is certainly one of the centers of geneticdiversity for rice。2Asian cultivated rice has significantly differentiated into indica and japonica subspecies that have extensive distribution worldwideTo determine genetic differentiation of Asian cultivated rice across a latitudinal gradient，a total of 387 Asian cultivated rice varieties，five African rice varieties，and 52 wild rice accessionscollected from a wide range of Asian countries and other regions were analyzed applying the InDel molecular indexThe principal component analysis classified Asian cultivated rice into two distinct groups，which demonstrated significant molecular genetic differentiation of Asia cultivated rice，while all wild rice and African cultivated rice showed no evident differentiationThe results clearly indicatedthat Asian cultivated rice has differentiated profoundly since its domestication and during its adaptation to various environments，contrasting with wild rice and African riceAnalysis of the geographic distribution indicated a clear pattern for the different types of rice，in which indica rice vari eties were found across a wide range of latitudes from-2。S to 40。N andjaponica varieties were mostly focused in the highlatitude areas greater than 1 50 NMost intermediate types of rice originated in regions at latitudes lower than 27。NCorrelation patterns between rice types and temperature along the latitude gradients suggested that indica rice was considerably less sensitive to temperature along the latitude ranges，butjaponica rice was highly sensitive to thetemperature at different latitudesThe molecular genetic intermediate type of rice wasalso sensitive tO temperatureWe conclude that the distribution pattern of different types of Asian rice across large latitudinal ranges is the consequence of their adaptation in relation to ecological factors ofthe environment，especially temperature This has an important implication in breeding of时brid rice by selecting properly ditYerentiated indica andjaponica parents3In order to understand the indica-japonica differentiation information in genome which Iinked with lnDel molecular marker and to lcam the molecular mechanism ofindica-japonica differentiation，in this study We analyzed sequence approachedIVclosely to 34 InDeI molecular markers and found：there are 50 sequences have functional domain which means these sequence could be real geneBased on the PCR we get these sequences separately from typical indica and typical japonicaFurther alignment of sequencing result showed that there are molecular variation between the sequence from typical indica 931 1 and typical japonica niponbare：Near the molecular marker R2M10，the sequences from 93-1 1 and niponbare have 90 bases change；R4M43，there are 1 9 bases change；R8M46，there are 1 8 variation in sequence；R3M 1 0，there is one variation in sequence，there is one deletion mutation in 7aponica at the posRion of 420bp which make one shift mutation in related protein sequence；it was a termination beforehand in indica at the position of 609bp Understanding these predicted gene sequences and further analysis of their domain and function，will help US to understand the selection process of indica-japonica variationThis study has very important implication in indicating the origin， differentiation and dimension of indica-japonica variation，and also in providing thegenetic information for the mechanism of indica-japonica variationKeywords：indica；japonica；wild rice；genetic differentiation；geographicdistribution；altitude；latitude；germplasm；breeding；domain(中图分类号：Q948)V复旦大学博士学位论文亚洲栽培稻籼省嘣t传分化及其与地理分布的关系第一章引言栽培稻是世界上最重要的粮食作物之一，为地球上一半以上的人口提供食 物。世界上主要的栽培稻有两种，亚洲栽培稻(Oryza sativa L)和非洲栽培稻(D glaberrima Steud)，而本研究中的主要材料是亚洲栽培稻，因此在后文中如无特 殊说明，栽培稻均指亚洲栽培稻。栽培稻在自然选择和人工选择的压力下产生了形态性状、生理生化和遗传基因等方面的一系列差异，分化成显著不同的两个类 型(Glaszmann，1987；Zhang et a1，1992；Sun et a1，2002；Zhu et a1，2000；Zhu el a1，2004；卢宝荣等，2009)，特别是分化程度较大的两个类型之间甚至存在很大程度的生殖隔离，有些学者建议将它们分为两个亚种(Kato et a1，1928)，籼稻(Dsativa Lsubspmdica Kato)和粳稻(Dsativa Lsubspjaponica Kato)。栽培稻的籼粳分化研究涉及栽培稻的起源与驯化起点、驯化过程中的受选择动力、在异质 生境中的趋异进化、籼一粳杂交生物学优势利用、籼粳杂交子代育性障碍等一系 列重要的理论和应用问题，深入了解籼一粳分化的遗传背景和分子机理，有助于 解决这一系列的重要问题，对于理论研究和育种实践都具有潜在的重要作用。近十年来，我国栽培稻育种研究进展较为缓慢，造成我国栽培稻育种研究水 平停滞不前的主要原因是育种亲本的遗传基础狭窄。根据数据预测，到2025年 世界粮食产量需要比现在增加50，才能基本满足世界人口增长以及粮食需求日 益增长的要求(Khush et a1，1998a，b)。现在栽培稻育种大多是几个亲本间的基因 重组组合，因此较难取得大的突破(肖国樱和袁隆平，2009)。另一方面，新育成 的品种对不良环境的抵抗能力降低，一旦出现新的病虫害或逆境胁迫，这些新品种就很容易丧失抗性，导致产量上的重大损失(Brat and Khush，2001)。栽培稻的 产量和品质是否能够满足全世界范围内的日益增加的粮食需求成为越来越受关 注的棘手问题。因此，希望提高栽培稻产量和质量就必须广泛深层开发和利用稻 种基因资源丰富的遗传多样性，通过扩大栽培稻改良品种的遗传基础才能实现 (卢宝荣，1998)。作物种质资源(Crop germplasm resources)是控制作物性状的基因 载体，因此作物种质资源又称为作物基因资源(Crop gene resources)。对于栽培稻 育种资源来说，除了作物的野生近缘植物和野生种是重要的选择资源，数量丰富1复旦大学博士学位论文 亚洲栽培稻籼弗遗传分化爰其与地理分布的关薏的传统农家品种、现有的新育成品种以及来自不同国家及区域的栽培品种也是非 常重要的各选资源，因为这些地方品种在极大差异生境中长期对气候和生态因子 适应而存在，它们具有在自然选择和人为选择进化过程中形成的各种基因 (Virmani，1994，1998)。因此，栽培稻的各种品种是作物育种和农业生产及其他农业科学研究中非常重要的物质基础。栽培稻分布在地球表面的广大区域内，在北半球最北分布区达到北纬50度 捷克和斯洛伐克，在炎热的赤道地区可以在印度尼西亚的苏门答腊岛找到爪哇稻 的踪迹；在南半球分布区达到南纬40度南美洲沿海地区；从年降雨量达到 4,450mm的缅甸到降雨量只有100mm的沙特阿拉伯分布着具有不同水淹适应特 性的栽培稻；从生长季平均气温33的巴基斯坦到生长季平均气温只有17(2的 日本分布着不同温度适应型的栽培稻；从太阳能光子量只有50 KL(kilolangleys) 的新加坡到太阳能光量子强至95KL(kilolangteys)的埃及尼罗河流域(Virmani，1994，1998)。栽培稻分布广泛、适应能力强以及多样性水平高，这给我们提出一 个疑问：栽培稻对地理和气候环境的适应多样性具有怎样的规律?栽培稻种植和 生长是否有相对更适应的地理或气候偏好区?来自不同地域的栽培稻品种是否形成它们独特的区域适应性，从而彼此产生地理亲缘或者生态特征上的差异?怎 样更有效地发现和利用栽培稻的地理和气候适应规律，从而有效地提高栽培稻产 量和品质?为了阐明这些问题，必须系统地了解栽培稻的起源驯化历史、遗传分 化背景和环境适应类型，掌握现代栽培稻的籼一粳分化程度及其与地理气候适应 规律等相关的背景资料，从而分析发现两者之问的关系，为进一步地理论研究应 用和育种实践应用提供重要的背景资料。1-1栽培稻的分类地位及其起源与驯化111分类地位稻属(Oryza L)为禾本科(Poaceae)竹亚科(Bambusoideae)稻族(Oryzeae Dumort)下的一个属，是禾本科中重要的植物类群。稻属目前常用的3组7系 24种的分类系统，是植物分类学者在前人大量研究工作的基础上，综合现代针 对稻属的研究成果建立的，由2个栽培种和20个野生稻种组成，广泛分布于热 带和亚热带地区(卢宝荣等，2001)。其中非洲栽培稻(D glaberrima Steud)及其祖2复旦大学博士学位论文亚洲栽培稻籼弗遗传分化爰其与地理分布的关薏的传统农家品种、现有的新育成品种以及来自不同国家及区域的栽培品种也是非 常重要的各选资源，因为这些地方品种在极大差异生境中长期对气候和生态因子 适应而存在，它们具有在自然选择和人为选择进化过程中形成的各种基因 (Virmani，1994，1998)。因此，栽培稻的各种品种是作物育种和农业生产及其他农业科学研究中非常重要的物质基础。栽培稻分布在地球表面的广大区域内，在北半球最北分布区达到北纬50度 捷克和斯洛伐克，在炎热的赤道地区可以在印度尼西亚的苏门答腊岛找到爪哇稻 的踪迹；在南半球分布区达到南纬40度南美洲沿海地区；从年降雨量达到 4,450mm的缅甸到降雨量只有100mm的沙特阿拉伯分布着具有不同水淹适应特 性的栽培稻；从生长季平均气温33的巴基斯坦到生长季平均气温只有17(2的 日本分布着不同温度适应型的栽培稻；从太阳能光子量只有50 KL(kilolangleys) 的新加坡到太阳能光量子强至95KL(kilolangteys)的埃及尼罗河流域(Virmani， 1994，1998)。栽培稻分布广泛、适应能力强以及多样性水平高，这给我们提出一个疑问：栽培稻对地理和气候环境的适应多样性具有怎样的规律?栽培稻种植和 生长是否有相对更适应的地理或气候偏好区?来自不同地域的栽培稻品种是否 形成它们独特的区域适应性，从而彼此产生地理亲缘或者生态特征上的差异?怎 样更有效地发现和利用栽培稻的地理和气候适应规律，从而有效地提高栽培稻产 量和品质?为了阐明这些问题，必须系统地了解栽培稻的起源驯化历史、遗传分 化背景和环境适应类型，掌握现代栽培稻的籼一粳分化程度及其与地理气候适应 规律等相关的背景资料，从而分析发现两者之问的关系，为进一步地理论研究应 用和育种实践应用提供重要的背景资料。1-1栽培稻的分类地位及其起源与驯化111分类地位稻属(Oryza L)为禾本科(Poaceae)竹亚科(Bambusoideae)稻族(Oryzeae Dumort)下的一个属，是禾本科中重要的植物类群。稻属目前常用的3组7系 24种的分类系统，是植物分类学者在前人大量研究工作的基础上，综合现代针 对稻属的研究成果建立的，由2个栽培种和20个野生稻种组成，广泛分布于热 带和亚热带地区(卢宝荣等，2001)。其中非洲栽培稻(D glaberrima Steud)及其祖2复旦大学博士学位论文 亚洲栽培稻籼弗遗传分化爰其与地理分布的关薏的传统农家品种、现有的新育成品种以及来自不同国家及区域的栽培品种也是非 常重要的各选资源，因为这些地方品种在极大差异生境中长期对气候和生态因子 适应而存在，它们具有在自然选择和人为选择进化过程中形成的各种基因 (Virmani，1994，1998)。因此，栽培稻的各种品种是作物育种和农业生产及其他农业科学研究中非常重要的物质基础。栽培稻分布在地球表面的广大区域内，在北半球最北分布区达到北纬50度 捷克和斯洛伐克，在炎热的赤道地区可以在印度尼西亚的苏门答腊岛找到爪哇稻 的踪迹；在南半球分布区达到南纬40度南美洲沿海地区；从年降雨量达到 4,450mm的缅甸到降雨量只有100mm的沙特阿拉伯分布着具有不同水淹适应特 性的栽培稻；从生长季平均气温33的巴基斯坦到生长季平均气温只有17(2的 日本分布着不同温度适应型的栽培稻；从太阳能光子量只有50 KL(kilolangleys) 的新加坡到太阳能光量子强至95KL(kilolangteys)的埃及尼罗河流域(Virmani，1994，1998)。栽培稻分布广泛、适应能力强以及多样性水平高，这给我们提出一 个疑问：栽培稻对地理和气候环境的适应多样性具有怎样的规律?栽培稻种植和 生长是否有相对更适应的地理或气候偏好区?来自不同地域的栽培稻品种是否形成它们独特的区域适应性，从而彼此产生地理亲缘或者生态特征上的差异?怎 样更有效地发现和利用栽培稻的地理和气候适应规律，从而有效地提高栽培稻产 量和品质?为了阐明这些问题，必须系统地了解栽培稻的起源驯化历史、遗传分 化背景和环境适应类型，掌握现代栽培稻的籼一粳分化程度及其与地理气候适应 规律等相关的背景资料，从而分析发现两者之问的关系，为进一步地理论研究应 用和育种实践应用提供重要的背景资料。1-1栽培稻的分类地位及其起源与驯化111分类地位稻属(Oryza L)为禾本科(Poaceae)竹亚科(Bambusoideae)稻族(Oryzeae Dumort)下的一个属，是禾本科中重要的植物类群。稻属目前常用的3组7系 24种的分类系统，是植物分类学者在前人大量研究工作的基础上，综合现代针 对稻属的研究成果建立的，由2个栽培种和20个野生稻种组成，广泛分布于热 带和亚热带地区(卢宝荣等，2001)。其中非洲栽培稻(D glaberrima Steud)及其祖2复且大学博士学位论文亚洲栽培稻籼捌童传分化及其与地理分布的关系先种短舌野稻(Dbathii AChef)和亚洲栽培稻(D sativa L)以及普通野生稻(D rufipogon Griff)和一年生野生稻(Onivara Sharma et Shartry)，还有长雄蕊野稻(D 10ngistaminata Chevet Rorhr)、南方野稻(0meridionalis Ng)、展颖野稻(D glumaepatula Steud)都属于第三组SectOryza L的第七系SerSativae Sharma et Shartry，它们同为AA基因组二倍体，染色体数2n=24(卢宝荣等，2001)。此外， 稻属其他组系还包含有BB、CC、EE、FF、GG基因组的野生稻种，染色体数 2n=24，以及BBCC、CCDD和HHJJ基因组的野生稻，染色体数2n=48(卢宝荣 等，2001)。112祖先种众多的学者应用形态性状、生理性状、杂种结实率、等位酶以及DNA标记 对栽培稻的起源和分化进行了大量的研究(Oka，1988；Sano Y and Sano R，1990； Morishima el a1，1992；庄杰云等，1995)。尽管对栽培稻种起源与分化的具体演化 过程还存在不同的看法，亚洲普通野生稻种己较公认为栽培稻的祖先(Chang， 1976；Khush，1997)。同时，栽培稻种分为籼(Dsativa Lsub spindica Kato)和粳 (D sativa Lsub spjaponica Kato)两大亚种的观点也得到广泛接受(Kato et a1，1928；Second，1982)。目前研究公认原始生境中生存的野生稻是人类最早采食收 集的材料，河姆渡等遗址出土的炭化稻谷证据显示(汤圣祥等，1 994)，在人类定 居并开始原始耕作的过程中，这些野生稻种逐渐被作为收集储藏并用于原始种植 的种子。起源中国稻作历史悠久，但稻作起源于何时、发祥于何地以及栽培稻的祖先 种到底是什么一直以来存在争议(陈文炳，1999；程侃声等，1984；程侃声，1994； 黄燕红等，2003)。栽培稻起源不但涉及稻种演化、传播、系统发育等理论问题，也是对稻作文化的认识问题。根据古籍记载和出土遗踪，从历史学、语言学、古 生物学、人类学，植物学以及籼粳稻种的地理分布等方面进行了系统的考察研究， 论证了中国栽培稻起源于公元前3000多年前的神农时代，扩展于公元前2622 世纪的黄帝与禹稷的时代(丁颖，1949)。自2000多年前的汉代开始，稻作文明在 中国有着非常丰富的古籍记载(管彦波，2005；季羡林等，2004)。从植物分类学 方面的记录来看，在中国迄今己发现的三种野生稻为：普遍野生稻(Drufipogon3复且丈学博士学位论文 亚洲载墙藕籼攒直传分化殪其与地理分布盼关熏Griff)、药用野生稻(n officinalis Watl ex Watt)和疣粒野生稻(0granulata Nees et Am ex Wall)(卢宝荣等，2001)。栽培稻与多年生野生稻杂交结实率高，而且特性 相似。中国广泛分布的这种普通野生稻与中国种植的普通栽培稻的亲缘关系很近 (表11)，同具24条染色体，可杂交和产生可育后代(Chang，1976；Vaughan etal， 2008)，据此认为中国稻作文化有其独立的演变系统(王象坤等，1998)。表1-1栽培稻和野生稻的主要特征比较Table11 The comparison of main characters between cultivated rice and common wild rice栽培稻起源于云南的假说曾被一些学者提出(Chang,1976)。而在中国长江下 游的河姆渡遗址、田螺山遗址和华南地区考古遗迹均有野生稻遗迹的报道(FuIler el a1，2007；管彦波，2005)。根据已有的研究，当把不同基因组、不用来源的野生 稻种(包括普通野生稻)与典型的籼稻和粳稻放在一起比较研究时，野生稻始终处4复旦大学博士学位论文亚洲栽培稻籼榭传分化及其与地理分布的关系 在遗传上未分化的中间状态(蔡星星等，2006；赵伟等，2008；卢宝荣等，2009； Xio