水稻作为发展中国家最主要的粮食作物之一,提供着一半以上世界人口的主食。随着人口的飞速增长,提高水稻产量的意义也变得愈发重要,而杂交水稻的推广是提高水稻产量的一个可行办法。虽然杂交水稻已经大范围商业化,但是不育系的低异交率使得杂交水稻的制种效率普遍偏低和制种成本的增加,从而限制了杂交水稻的推广。柱头外露是影响水稻异交性能的重要因子,柱头外露的颖花的结实率是柱头不外露的颖花的三倍以上,因此改良水稻不育系的柱头外露率可以提高其异交率。近年来学者们定位了许多柱头外露的QTL,但是大部分效应都非常的小,目前也没有利用柱头外露QTL改良不育系柱头外露的相关报道。在本研究中,我们通过连锁分析定位了两个大效应的柱头外露率QTL:q SE2和q SE6,通过关联分析鉴定了三个柱头外露QTL与三个粒形基因共定位,并验证了它们的功能。本研究主要结果如下:1.通过构建高柱头外露率三系不育系超泰A和两系不育系广占63S的BC1F2群体,我们在第二染色体上定位到一个主效的柱头外露QTL基因q SE2,解释群体遗传变异46%。NIL(超泰A)比NIL(广占63S)的柱头外露率高50%,且NIL(广占63S)表现为花粉败育,因此推断q SE2就是光温敏核不育基因tms5。2.利用温敏不育基因tms5紧密连锁的分子标记鉴定Pokhreli和HD9802S的F2群体的育性,我们从中筛选出纯合可育的192个单株用来构建遗传连锁图。在该群体中扫描到三个柱头外露率的QTL,分别是q SE4、q SE6和q SE9。其中q SE6为主效的QTL,在群体中解释柱头外露率遗传变异29%,但是该QTL来源于低值亲本HD9802S。NIL(Pokhreli)比NIL(HD9802S)的柱头外露率低30%。3.对529份多样性栽培稻的花器性状进行全基因组关联分析,对柱头外露相关性状检测到超过50个显著性位点。籼稻和粳稻中检测到的位点大多不同表明籼粳间柱头外露率的遗传差异较大。对于纯系而言,柱头外露率的遗传力较高,属于典型的数量性状,受多个位点效应的影响。应用混合线性回归,5个位点联合解释遗传变异39%,表明柱头外露存在很强的加性效应。4.GWAS检测到的三个关联位点和三个粒形基因共定位,分别为GW2、GS3和GW5。利用这三个基因的三组转基因材料,我们验证了三个位点对柱头外露的效应。通过进一步考察三组转基因材料的柱头性状,我们发现GS3会减小柱托长度,GW5会增加柱头的大小,GW2会降低柱头大小。三个基因对水稻粒形的影响与前人报道相符。因此三个基因通过调控颖壳和柱头的形状来影响柱头外露。5.对529份栽培稻粒形的GWAS表明GS3和GW5是栽培稻粒形变异的主要基因。利用功能性标记检测529份材料的GS3和GW5的基因型,通过回归分析我们发现两个基因都能够解释柱头外露遗传变异20%以上,两个基因联合能够解释30%以上。这些结果表明,GS3和GW5也是控制栽培稻柱头外露率的主要基因。6.为了研究GS3和GW5对于改良柱头外露的可行性,我们将这两个基因划分为四种基因型组合:GW5GS3、GW5gs3、gw5GS3和gw5gs3。通过比较四种基因型组合的柱头外露和产量性状,我们发现GW5gs3这种基因组合具有最高的柱头外露率和产量。而栽培稻中出现频率最高的基因型组合gw5GS3的柱头外露率和产量都最低,因此可以利用优势基因型组合GW5gs3对栽培稻进行遗传改良。7.GW5gs3主要存在于籼稻II和热带粳稻中,而gw5GS3主要存在于籼稻I和温带粳稻中,这种分布的差异表明这GS3和GW5可能受到某种选择。利用这两个基因序列内SNPs分析这两个基因的连锁不平衡,我们发现无论是否考虑群体结构,两个基因间都存在较强的连锁不平衡。通过对两个基因不同基因型和不同基因型组合的核酸多态性分析,我们发现这两个基因可能在育种的过程中受到选择,从而形成不同亚群中GW5gs3和gw5GS3分布的差异,进而导致不同亚群的柱头外露率和产量的差异。