水稻低氮耐性相关性状的全基因组关联分析与育种利用

Rice is one of the most important crops and the main food for half the people of the world. Nitrogen is very important during the growth and development of the plant. However, excessive application of nitrogen fertilizers is not only leading to reduction of nitrogen utilization efficiency and a huge waste of energy, but also causes serious environmental pollution. It is an effective way for enhancing nitrogen use eficiency to fully exploit the genetic potential of crops to absorb nitrogen and breed high nitrogen efficient cultivars. Genome-wide association study based on the next generation high-throughput sequencing technology created a new stage for plant genomics in genetic research on important agronomic traits. Therefore, in this study we constructed a high-density rice haplotype map and performed genome-wide association study for nitrogen-deficiency tolerance related raits in the population of 220 rice landraces with different nitrogen sensitivity. Genome-wide identification of genes and functional molecular markers related to high nitrogen-use efficiency, exploration of new breeding materials with high nitrogen use efficiency combined with molecular marker assisted selection and conventional breeding techniques, may provide theoretical and practical basis for further improving rice nitrogen use efficiency through genetic and molecular biology methods.

水稻是最重要的粮食作物之一，全世界一半以上的人口以之为主食。氮在水稻生长发育过程中起着重要作用。然而，过量施用氮肥不仅导致氮素的利用效率降低，能源的巨大浪费，更造成严重的环境污染。充分挖掘和利用作物吸收氮素的遗传潜力，培育氮高效水稻品种是提高氮肥利用率的有效途径。利用新一代高通量测序技术进行全基因组关联分析策略为植物基因组学在重要农艺性状的遗传研究方面开创了一个新的阶段。因此，本研究以220份不同氮肥敏感性的水稻地方品种为材料，结合已构建的基因组高密度单倍体型图谱对水稻低氮耐性相关性状进行全基因组关联分析。在全基因组范围内鉴定水稻氮高效相关候选基因并挖掘相关功能性分子标记，结合分子标记辅助选择技术和常规育种技术培育水稻氮高效育种新材料，为今后通过遗传、分子生物学手段改良水稻氮素利用率提供理论及实践依据。

氮素是影响水稻生长发育及产量形成的重要因子，然而，水稻低氮耐性性状的基因定位报道仍较少。本研究采用来自世界范围内的402份不同氮肥敏感性籼稻地方品种为材料，结合已构建的全基因组高密度单倍体型图谱对水稻低氮耐性相关性状进行全基因组关联分析。运用混合线性模型，在P<10-6水平条件下，2013和2014年海南两种施氮水平下分别检测到影响7个和9个水稻氮素利用相关性状的156个和174个显著性SNPs位点；2013和2014年分别检测到影响水稻低氮耐性相关性状的11个和10个显著性SNPs位点，分布在10条染色体上的20个染色体区域；其中2013年海南在第2、4、7、8、9、10和12染色体上分别检测到1、3、1、2、1和2个水稻低氮耐性相关显著性SNPs位点；2014年海南在第1、2、3、5、8、9和12染色体上分别检测到1、1、2、1、1、3和1个水稻低氮耐性相关显著性SNPs位点。在检测到的21个水稻低氮耐性相关显著性SNPs位点上、下游100kb共200kb的连锁不平衡区间内共检测到278个候选基因。利用重组自交系群体在两种施氮水平下共检测到52个控制水稻产量性状的QTL，分布于9条染色体上的27个染色体区域，两种施氮水平下检测到11个相同的产量性状 QTL 和30个差异表达的产量性状QTL，表明不同施氮水平下水稻产量性状的遗传机制不同。本研究检测到的水稻低氮耐性相关遗传位点和候选基因，为分子标记辅助选择氮高效水稻品种提供了参考依据。课题执行以来，发表核心期刊论文2篇，作为参加人荣获“2013年度浙江省科学技术一等奖”1项。培养青年学科带头人1人；培养博士2人、硕士1人，均获得了学位、毕业工作。