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水稻是一种喜温作物,在整个生长发育过程中对温度异常敏感。低温冷害是水稻生产的主要限制因子之一,也是世界上水稻主产区普遍存在的问题。因此,水稻耐冷性遗传机制的研究显得十分重要。水稻的耐冷性是一个较为复杂的数量性状,各个时期均具有特异性。本研究利用粳稻品种Sasanishiki和籼稻品种Habataki构建而成的染色体片段代换系群体(CSSLs)作为研究材料,开展了5℃低温条件下生长10 d的芽期耐冷性QTL定位分析;自然低温条件下孕穗期耐冷QTL定位分析;孕穗期后期连续7 d的不同低温梯度胁迫下结实机制分析,以及在水稻幼穗分化时进行20℃低温胁迫处理7 d,利用转录组测序技术进行差异表达基因分析等研究,获得以下主要研究结果:1、检测出3个与芽期耐冷性相关的QTL qCTP4,qCTP10和qCTP11,分别位于水稻第4、10和第11染色体上。所检测到的QTL加性效应值的变化范围为-14.3~-30.3%,解释表型变异的变化范围为15.4~32.5%。其中qCTP11的加性效应最大(a=-30.3%),能够解释表型变异的贡献率为32.5%,且在两次重复试验中均能检测到。qCTP10可能为新发现的QTL。芽期耐低温发芽的效应主要来自轮回亲本Sasanishiki的等位基因,导致染色体片段代换系的芽期耐冷性减弱的主要原因为导入了籼稻供体亲本Habataki片段。2、鉴定出8个孕穗期耐低温结实QTL,分别位于水稻第3、4、5、6、7、8和第9染色体上。其中有6个QTL在两次重复中都能检测到,可以解释13.4%~25.3%的表型变异。相比2011年的试验结果,2014年多检测到两个效应相对较小的QTL qCTSF3.1和qCTSF4。通过与前人研究比较发现有5个QTL(qCTSF3.2,qCTSF4,qCTSF5,qCTSF6和qCTSF8)可能为新发现的QTL,其余3个(qCTSF3.1,qCTSF7和qCTSF9)位于前人报道的相同染色体区段上。耐低温的效应主要来自轮回亲本Sasanishiki的等位基因。3、在孕穗期进行连续7 d的低温梯度胁迫处理,籼稻品种Habataki与粳稻品种Sasanishiki相比表现出明显的低温敏感性。在23℃处理后,Habataki的结实率与正常自然条件下生长(28℃)的对照表现出显著差异(a=0.05),22℃处理的差异达极显著水平(a=0.01);而粳稻品种Sasanishiki的结实率与正常生长条件相比,在20℃时才表现出显著差异,在19℃时差异达极显著。在低温胁迫下雌性器官柱头的活力表现正常,而雄性器官中的花粉不能够正常萌发导致受精受阻。4、孕穗期低温胁迫下差异表达基因分析结果如下:4.1供试样品共得到1.33亿条高质量的reads(50 bp)用于转录组分析。在3个实验比较组中共发现1472个差异表达基因至少在1个比较组中表达,表明低温胁迫响应代谢途径可能受到了抑制或者激活。通过整合共获得149个低温胁迫差异表达基因。4.2经GO富集分析、KEGG数据库分析和STRING数据库分析,推测水稻在孕穗期低温胁迫下导致结实不正常的最主要原因可能是低温胁迫导致光合作用和前体物质能量代谢过程中一系列基因表达和相互作用发生变化,尤其可能是涉及光合作用过程的相关基因(LOC_Os03g07300,LOC_Os03g39610和LOC_Os12g17600)与涉及前体物质能量代谢过程中的相关基因(LOC_Os08g01380,LOC_Os11g07020和LOC_Os12g19381)等基因在低温胁迫下导致表达差异和互作关系的变化造成花粉在发育过程中所需的物质或能量得不到充足供应,导致小孢子不能完全发育或所积累的营养物质不够,致使花粉的萌发过程受到影响不能正常完成受精,最终导致结实率大幅下降。