【摘 要】
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长期以来,我国北方粳稻与日本粳稻亲缘关系很近,株型等农艺性状相似,栽培技术也大同小异。直到上世纪80-90年代,我国北方特别是辽宁粳稻直立穗型逐渐推广,产量潜力明显增加,化肥尤其是氮肥施用量也明显增加,而日本粳稻株型和施肥量基本没有变化。为了比较日本粳稻品种和中国粳稻品种在不同施肥条件下的农艺性状,分别选择日本粳稻代表品种秋田小町和中国粳稻代表品种辽粳5号,秋田小町是日本粳稻代表性优质品种,辽粳5
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长期以来,我国北方粳稻与日本粳稻亲缘关系很近,株型等农艺性状相似,栽培技术也大同小异。直到上世纪80-90年代,我国北方特别是辽宁粳稻直立穗型逐渐推广,产量潜力明显增加,化肥尤其是氮肥施用量也明显增加,而日本粳稻株型和施肥量基本没有变化。为了比较日本粳稻品种和中国粳稻品种在不同施肥条件下的农艺性状,分别选择日本粳稻代表品种秋田小町和中国粳稻代表品种辽粳5号,秋田小町是日本粳稻代表性优质品种,辽粳5号是我国北方粳稻第一个直立穗型品种。本研究通过这两个品种杂交构建重组自交系（RIL）为试材,分别在不同氮素水平下种植,分析不同穗型重要农艺性状差异,同时对RIL进行测序分析,绘制精准连锁图谱,利用R/qtl（http://www.rqtl.org/）鉴定重要农艺性状的QTL,通过CRISPR/Cas9技术验证不同氮肥处理DPE1的效应表达,意在阐明氮素水平对中日不同穗型粳稻基因型重要农艺性状的影响及其遗传机制,为未来我国北方粳稻高产优质育种及栽培提供参考依据。主要研究结果如下:1.通过不同氮肥处理不同穗型重组自交系研究发现,氮肥对不同穗型水稻株型、穗部性状、产量及品质均影响较大。具体表现在随着氮肥量的增加,不同穗型的重组自交系群体株型均出现了显著差异,其中株高、叶长、叶宽均增加,且株高、倒二叶宽、倒三叶长、倒三叶宽随着氮肥的提高极显著增加;穗部性状方面穗数、一二次枝梗数、穗粒数及着粒密度也均增加,除穗粒数外且均达到显著或极显著水平;生物产量、理论产量均增加,其中理论产量达到极显著水平;但随着氮肥量的增加,结实率呈下降趋势;碾磨品质、外观品质和营养食味品质也均有不同程度的下降。2.在高氮、低氮两种处理模式下,直立穗型群体株高、剑叶基角、叶长均均极显著低于半直立与弯穗型群体,而叶宽均极显著高于其他两种穗型群体;随着穗弯曲度的加大,穗长、千粒重均呈上升趋势,且直立穗型群体极显著小于其他两种穗型群体;直立穗型群体穗数、穗粒数、一二次枝梗数、着粒密度均显著或极显著高于其他两种穗型群体,但结实率显著或极显著低于其他两个穗型群体;弯穗型群体生物产量及理论产量在高低氮处理下均高于直立与半直立群体。另外在两种氮肥处理下均是直立穗型群体品质最差。3.采用基于重测序的图谱构建策略,对秋田小町和辽粳5号杂交获得的RIL群体及其亲本进行了重测序。总共生成了639.74 GB的原始数据,每个RIL的深度约为7.88倍,辽粳5号的深度为27.12 GB（61.00倍）,秋田小町的深度为21.28 GB（51.00倍）,鉴定了双亲之间总共106,844个SNP。使用69284个高质量多态性SNP标记构建了包含970个重组片段的重组bin图谱,总遗传长度为894.49 c M,由于两个亲本同属粳亚种血缘较近,因此2号、3号、6号、8号和9号染色体的标记密度较低,但仍然科研满足遗传作图需求。辽粳5号的基因渗入率呈正态分布,渗入率在低施肥条件下与每穗粒数显著正相关,而在高施肥条件下与千粒重和产量显著正相关。4.对高低氮处理下RIL群体株型、穗部性状、产量相关性状及品质性状共33个性状进行QTL定位,共在两种环境下检测出42个QTL,其中低氮条件下19个,高氮条件下23个;在低氮条件下在1号染色体上发现控制剑叶宽和倒二叶宽的QTL,在9号染色体上发现一个QTL簇,与高氮条件下的株高、穗弯曲度、剑叶长、倒3叶长、倒2叶宽有关,进一步分析发现该QTL簇与已知直立穗型基因DEP1的物理位置重叠;本研究在两种氮素水平检测出的11个穗部性状相关的QTL中只有2个稳定表达,占比仅为18.2%,这两个位点是分别是9号染色体控制穗长的QTL和11号染色体控制一次枝梗数的QTL;在高氮条件下检测出6个和品质相关的QTL,而在低氮条件下检测出4个品质相关QTL,没有检测到在两种氮素水平稳定表达的QTL。另外,还检测到分别在不同氮素水平表达的着粒密度、穗数、千粒重等相关QTL。5.结合第9号染色体QTL分析的相关结果,我们利用CRISPR/Cas9技术在粳稻品种Sasanishiki的遗传背景下进行了涉及DEP1的突变试验,并将野生型和突变体在高低氮两种氮素水平种植。结果表明与野生型相比,突变体的株高、穗弯曲度和食味值对氮素变化更为敏感,而在不同氮素条件下,突变体的每穗粒数、穗数、经济系数和产量相对稳定。因此可以认为,DEP1突变体在相对较低氮素水平表现出稻米品质有所改善,而对产量及其构成因素的影响较小。
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