亚洲杂草稻起源方式及其红色果皮进化机制研究

Weedy rice are dversified with various agronomic and biological traits through the naturaly self-reproducing in long-term, sharing characteristics of both wild and cultivated rice, which is an ideal gene pool for evolutionary study as well as improvment of the resistance of cultivated rice. Hoevever, there are still lots of debate and hypothesis about the origins and evolution of the weedy rice. The objectives of this project is aimed to collect various weedy rice germplasms from the worldwide distribution (in Asian coutries, China and Yunnan province) in different geographic zones and rice farming systems, and then, analyze the genetic diversity and indica-japonica differentiation of different spatial distribution patterns (latitude and altitude) at the morphological and molecular levels, validating the modes of origin of the weedy rice. Meanwhile, wild, weedy, cultivated rice and its progenies (F2-F4) dirived from crosses of particular intersubspecific and intervavietal hybridization, possessing of red pericarp will be analyzed, identifying the relationship between the Rc, Rd gene sequences and red pericarp, and resolving the molecular evolution mechanism of the pericarp color. This study would help to clearly clarify the phylogeny relationships of wild rice, weedy rice and cultivated rice, reveal the molecular mechanism of the main traits in weedy rice, and put a new insight into the control and utilization of the weedy rice.

杂草稻长期自然生长繁衍，农艺性状及生物学特性表现多样，是介于野生稻和栽培稻的一类中间类型材料，是一种稻种进化研究的理想遗传资源及改良栽培稻抗逆性的天然基因库。迄今对杂草稻的发生和进化尚有很多的争论和假说。本项目旨在收集和利用国内外（亚洲、中国和云南）不同地理和稻作生态区数百份杂草稻资源作为实验和对比材料，从形态学和分子水平分析不同空间（纬度、海拔）分布式样下的杂草稻资源遗传多样性及其籼粳分化，佐证杂草稻的起源方式；以红色果皮为研究性状，利用野生稻、杂草稻、栽培稻及其亚种间与品种间特定组合杂交后代（F2-F4）红色果皮资源为研究材料，分析不同来源材料Rc、Rd基因序列与果皮颜色的关系，从基因组水平上解析果皮颜色的演变和进化，解析杂草稻资源红色果皮性状的分子进化机制。该研究将有助于阐明野生稻、杂草稻和栽培稻的系统进化关系，揭示杂草稻主要性状发生的分子机制，为杂草稻的防控及其发掘利用提供新思路。

杂草稻长期自然生长繁衍，生物学特性表现多样，是介于野生稻和栽培稻的一类中间类型材料，是一种稻种进化研究的理想遗传资源及改良栽培稻抗逆性的天然基因库。本项目通过收集和利用国内外不同生态区数百份杂草稻资源为研究材料，从形态学、分子生物学水平分析不同稻作区的杂草稻资源遗传多样性及其籼粳分化，佐证杂草稻起源方式；利用野生稻、杂草稻、栽培稻及其杂交后代红色果皮资源为研究材料，分析Rc-bHLH序列差异，解析杂草稻资源红色果皮性状的分子进化机制；通过耐储存鉴定等，开展杂草稻有利种质资源筛选，为水稻育种提供新资源。研究结果如下：1收集和保存了亚洲12个国家的杂草稻资源450余份。2探明了亚洲不同稻作区杂草稻与来源地栽培稻间差异依次表现为中国华东>韩国>东南亚诸国>中国华南>中国华北。3明确了亚洲杂草稻和栽培稻发生了显著的籼-粳遗传分化，而普通野生稻则没有相应的遗传分化。4解析了籼型和粳型的杂草稻沿纬度梯度的地理分布呈现不同模式：籼型杂草稻具有广泛适应性；中间类型和野生稻主要是在中、低海拔梯度5-35°N；粳型杂草稻明显集中分布在高于纬度35°N的地区。5分析了黄河流域豫北粳稻区杂草稻的籼粳分化特性，发现当地杂草稻间的遗传差异小，与当地栽培稻有着较远的亲缘关系。6鉴定了亚洲杂草稻的果皮颜色的表型多样，多数为红色或褐色、少数为白色，杂草稻红色果皮Rc基因型与表型鉴定结果几乎一致。7探明了杂草稻Rc-bHLH基因在缺失点附近序列多态性在特定区间内明显高于栽培稻和野生稻，说明Rc-bHLH基因在野生稻中和杂草稻中不是中性进化基因，受一定的选择作用。8揭示了亚洲不同纬度梯度的杂草稻发生途径与栽培稻、野生稻有关，高纬度地区的杂草稻来源于当地粳型栽培稻；在5-10°N和25-30°N纬度梯度上的杂草稻来源于源籼型栽培稻回复突变或者籼型栽培稻之间的杂交；低纬度地区杂草稻来自于栽培稻与野生稻杂交或者野生稻进化。9杂交稻田间落粒种子的自生苗群体中筛选出类似杂草稻植株，验证了在自然条件下产生杂草稻的可能。在杂交稻材料后代中，出现类似杂草稻植株频率依次为籼粳型>纯籼型>纯粳型。10筛选到9份耐储存的杂草稻种质资源。11发表了杂草稻相关研究论文并出版学术专著。该研究有助于阐明野生稻、杂草稻和栽培稻的系统进化关系，揭示杂草稻主要性状发生的分子机制，为杂草稻的防控及发掘利用提供新思路。