籼型细胞质对东北粳稻育种贡献的研究

Hybridization of indica and japonica rice and utilization of an ideal plant type have enabled development of high-yielding japonica rice in northeast China. The genetic and physiological mechanisms research of heterosis of indica-japonica hybrid also more thorough. However, little is known about the genetic contribution of cytoplasmic inheritance in indica-japonica hybrid. In this study, contribution of cytoplasmic inheritance and nuclear-cytoplasm interaction to japonica super-rice breeding through bioinformatics and biological techniques combined with analytical methods of classical genetics, and found the experimental evidence for the discovery of inter-subspecific nuclear-cytoplasmic interaction by construction of isonuclear alloplasmic lines in Oryza sativa L. ssp. Japonica .

在籼粳亚种杂交优势利用与理想株型相结合理论指导下培育的超高产品种实现了我国水稻单产的又一次飞跃，为我国粮食安全做出了巨大的贡献。籼粳杂交优势理论与利用多针对于亚种间核基因组间的相互作用，对细胞质作用的报道与探讨非常有限。本研究以东北粳稻为试材，利用生物信息学与生物技术手段，结合经典遗传学分析方法，分析东北主栽品种细胞质的籼粳属性，并通过回交选育的方法构建同核异质系，阐述籼质粳核粳稻核质互作优势产生的植物学机理，证明核质互作对于北方粳型超级稻育种同样具有重要意义，将是水稻超高产育种理论与方法的有益补充。

在籼粳亚种杂交优势利用与理想株型相结合理论指导下培育的超高产品种实现了我国水稻单产的又一次飞跃，为我国粮食安全做出了巨大的贡献。本研究以东北粳稻为试材，通过经典遗传学和生物技术相结合的手段，研究结果表明：利用细胞质籼粳特异性分子标记筛选到4份超高产粳稻沈农265、沈农9741、辽粳454、沈农9816的细胞质为籼型，细胞质功能基因测序分析发现籼质粳核材料具有籼亚种背景；多年多点双列杂交试验得出，杂交后代F1的穂数、穗长和穗粒数加性效应达显著性水平，穗粒数、理论产量的显性方差达显著水平，分蘖数、理论产量的母性方差和母体遗传方差比率达显著水平，加性、显性和母体效应与环境互作遗传方差达显著性水平，分蘖数和千粒重对产量贡献有极显著的正向母体效应。同核异质系材料与亲本相比，每株的分蘖数、穂数和理论产量均高于亲本材料。RNA-seq转录组表达差异分析得出，在沈农265//₪6龙稻18同核异质系中有223和99个转录本呈现上调和下调表达2.0倍以上，共有120个转录本在数据库有功能注释，在沈农265//₪6绥粳18同核异质系中有18和5个转录本呈现上调和下调表达2.0倍以上，共有9个转录本在数据库有功能注释。基因功能及其所参与的调控途径分析结果表明，这些差异表达基因主要参与水稻细胞的抗氧化作用、物质和能量代谢、光合作用等生物学过程。光合作用和呼吸作用已知功能基因在同核异质系中表达下调，细胞核相关功能基因表达上调。本研究结果阐明了细胞质基因对粳稻产量的遗传效应以及同核异质系核质互作优势产生的植物学机理，证明核质互作对于东北粳稻育种同样具有重要意义，将是水稻超高产育种理论与方法的有益补充。