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水稻是世界上最重要的粮食作物之一,在各大洲均有种植,年均总面积超过160万公顷。为适应各地不同的地理环境、气候等条件,水稻在人类的驯化选择之下逐渐形成了不同的品种,在株型、穗型、粒型、养分效率、抗逆性等方面都具有明显的差异。氮是水稻生长和发育所必需的大量矿质营养元素之一。在缺氮条件下,施用氮肥具有显著的增产效果。但是,随着施氮量的增加,氮肥利用率逐渐降低,不仅增加了生产成本,还带来了很多的环境问题。因此,培育氮高效的水稻品种,在减少施氮的条件下获得较高的产量、同时避免因过量施肥而带来的环境问题,具有重要的理论和实践意义。本研究以筛选不同水稻品种响应供氮能力的差异为切入点,通过连锁遗传分析,定位了控制水稻产量及其氮响应能力相关性状的QTLs,主要结果如下:1、利用营养液栽培体系,对40份水稻自然资源材料进行筛选。发现NJ6号和QZL2号在株型、穗型以及氮响应能力等方面均具有显著的差异。进一步利用二代测序技术,对由NJ6号和QZL2号构建的重组自交系群体进行重测序,构建了总长度为1421.8 cM,标记平均间距为0.51 cM的高分辨率连锁遗传图谱。2、通过三年三点的田间试验发现,株高、剑叶长度、穗长和粒长显著正相关,而与叶色显著负相关;剑叶宽度和穗粒数显著正相关,而与分蘖数显著负相关。多环境多性状的QTLs分析表明,NAL1、DTH8和DEP1是重要的“一因多效”基因;SD1、GS3和GW5是控制株高、粒长及粒宽的稳定主效基因;NAL1在热带粳稻中受到强烈的人工选择,非洲稻中导入R型NAL1蛋白具有较大的增产潜力;OsSPL7和OsGRAS27可能是4号染色体上,控制穗部形态建成QTL位点的候选基因。3、营养液和田间氮肥试验均表明,分蘖数和穗粒数是水稻对氮响应幅度最大的两个农艺性状。相关性分析发现,水稻氮响应能力与产量性状显著相关。营养液栽培条件下获得的、控制水稻分蘖数对响应氮的重要QTL,qNGR_TN9,与前人报道的DEP1属于同一位点;田间氮响应主效QTLs分析发现,SD1是控制株高对氮响应的重要QTL的基因,NAL1可能是控制株高、分蘖数对氮响应的重要QTL的候选基因;DTH8可能是控制剑叶长宽及叶色对氮响应的重要QTL的候选基因。结合RNA-seq数据分析发现,控制田间分蘖数对氮响应的QTL候选区段内,一个非生物胁迫响应基因OsTCP19同时也受低氮诱导表达。4、在三个氮水平下,一共检测到68个控制产量性状的QTLs。其中,三个氮水平下共有的QTLs 9个;低氮和中氮共有的QTLs 1个;低氮和高氮共有的QTLs 1个;中氮和高氮共有的QTLs 6个;低氮特异的QTLs 9个;中氮特异的QTLs 6个;高氮特异的QTLs 10个。在3号染色体上,三个氮水平下都检测到一个控制穗粒数的QTL,在高、中和低氮水平下的贡献率分别为7.15%、5.50%和6.65%,共定位区间为400 kb左右。检测到三个低氮特异的、控制分蘖数和一级枝梗数的主效QTLs,贡献率分别为10.32%、9.82%和8.00%。优异等位基因聚合分析表明,NAL1和DEP1基因聚合可以协同养分和产量,达到高效高产。5、为了验证候选基因DEP1调控水稻分蘖数对氮响应的功能,在武运粳7号的背景下构建了一对近等基因系WYJ7-DEP1和WYJ7-dep1。营养液实验初步表明,dep1抑制了氮对于水稻分蘖的调节作用;并且dep1调控水稻氮利用效率的机制,在不同供氮水平下有所不同。在低氮条件下,dep1主要通过促进氮吸收来维持生长,同时影响氮的再分配;而在高氮条件下,dep1主要通过提高氮的再利用能力来提高氮利用效率。综上所述,本研究通过二代测序技术,利用多年多点产量相关表型数据结合氮响应数据,系统分析了控制水稻产量相关性状及其氮响应能力的重要QTLs。结果表明,SD1、NAL1、DTH8和DEP1参与了氮对水稻生长和发育的调控,这些优异等位基因聚合可协同调控养分高效和高产性状。在3号染色体和4号染色体上,精细定位了控制穗粒数的QTLs并对候选基因进行了功能分析。发现了dep1在不同氮条件下,提高水稻氮利用效率的机制也不同。本研究揭示了水稻产量和养分协同调控的分子遗传机制,为培育“高产且高效”的水稻新品种提供了理论依据及候选基因资源。