水稻-陆稻遗传分化与栽培稻抗旱性进化的研究

Paddy rice and rainfed upland rice are two most important ecotypes of cultivated rice (Oryza sativa), which adapted to two different agricultural ecosystem. Compared to the paddy rice, upland rice has no irrigation and water saving conditions, resulting higher drought stress during the upland rice cultivation. Consequently, any mutants with advantage of drought-resistance can be reserved and accumulated in the upland rice population and that of disadvantage would be elimited. Genetic differentiation between plant populations may form during the adaption to different ecosystems and divergent selections. Thus, paddy rice and upland rice are identical materials to study the genetic differentiation when crop adapting to different ecosystems under human selection. This research try to explore the genetic diffentiation between paddy rice and rainfed upland rice, which may be occurring on the rice genome of drought-resistance related areas, using drought indcued EST-SSR markers. Evaluation of drought-resistant related traits of rice plant is also involved in this study and the penotypic data would be combined with genetic data for further exploring the evolution of drought resistance in rice and the relationship between genetic differentiation and ecological adaption in paddy rice and upland rice. This research may strongthen our understanding of the genetic basis for drought resistance in rice and provide us useful information in molecular breeding of water-saving and drought resistant rice (WDR).

水稻与陆稻适应于不同的农业生境,是栽培稻中两种重要的生态型。其中，陆稻所处的生境缺乏灌溉和蓄水，可能遭遇较高程度干旱胁迫，这就使抗旱性成为陆稻驯化中一个较为重要的标准，有利于抗旱的表型与遗传变异也较易在陆稻群体中保留和积累。经历长期的驯化，陆稻就进化出较高的抗旱性，成为节水抗旱稻育种中的重要资源。由于这种不同的农业生境和差异化的选择作用下，水稻、陆稻也会产生遗传分化，这种分化集中体现在与栽培稻抗旱性相关的分子基础上。因此，利用水稻和陆稻作为研究材料，能够示范性地研究在人类选择下作物适应不同生境并产生遗传分化的过程。本研究拟利用干旱诱导的表达序列标签中的简单重复序列，研究水稻、陆稻的遗传分化，追踪其功能，并综合水稻、陆稻的抗旱表型，理解这种遗传分化与生境适应间的关系，揭示栽培稻抗旱性进化的遗传基础。这将加深我们对水稻抗旱性分子基础的理解，为节水抗旱稻的分子育种提供理论依据。

干旱是栽培稻生产中面临的重要胁迫，导致大量的粮食减产。因此必须对栽培稻抗旱性进行研究，提高其节水抗旱特性。水稻与陆稻是栽培稻中最重要的两种生态型，适应于不同的土壤水分条件，逐渐在抗旱性上产生分化。因此通过研究水稻、陆稻的适应性分化，可以理解抗旱性的遗传基础及其进化过程，为节水抗旱稻育种提供理论指导。本项目利用47对具有多态性的干旱响应的EST-SSR标记，在399份陆稻、水稻材料中，研究了它们的遗传分化，找到了陆稻、水稻遗传分化与抗旱性的关系。并且开发了一种能应用于种质生态型鉴定与抗旱辅助筛选的方法。本项目的主要结果如下：.1、利用47对干旱响应的EST-SSR，在粳稻亚种与籼稻亚种中均检测到一定程度的水-陆生态型遗传分化。并且这种遗传分化也体现在STRUCTURE和主成份分析（PCoA）揭示的群体遗传结构中。.2、利用三种不同的中性检验在粳稻群体和籼稻群体中分别检测到14个和9个离群位点，它们极有可能受到选择作用。.3、水稻、陆稻在选择性位点上的遗传分化水平较高，在不同地域来源的材料聚类中，相同生态型的群体聚在一起，这表明发生在选择位点上的遗传分化影响了群体结构。.4、通过Qst与Fst的比较，无论在籼稻还是粳稻亚种中，都检测到有部分抗旱相关表型在水稻、陆稻群体间受到了定向选择。同时相关性分析表明，基于选择性位点的个体间的遗传距离矩阵与基于水-陆稻间有差异的抗旱表型的非相似性矩阵之间存在显著正相关的关系，这充分说明水稻、陆稻间的遗传分化是与抗旱表型分化相关的。.5、通过基因表达的分析，发现在选择性位点上的水稻特异性或陆稻特异性等位基因在响应干旱胁迫时的表达模式有差异，这是选择作用发生在这些位点上的又一证据。.6、利用5个在研究中分析获得的选择性位点建立了一套高效、快速的分子鉴定方法，其鉴定水稻、陆稻生态型的准确率达80%。.7、上述5个位点的综合鉴定值与实验材料的抗旱指数之间存在显著的相关性，提示我们可以利用该综合鉴定值辅助抗旱性材料的筛选，从而节约大量劳力、物力。.综上所述，水稻-陆稻在受选择的位点表现出较高水平的遗传分化，并且这种遗传分化是与抗旱性在水稻、陆稻中有差异的选择导致的。本研究利用这些受选位点，建立了一套高效鉴定栽培稻水、陆生态型的分子方法并且其在辅助抗旱性筛选也有一定的应用前景。