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水稻是世界主要粮食作物。亚洲栽培稻包括籼稻和粳稻两个亚种,籼粳杂种结实率普遍较低,这种杂种不育现象是由生殖隔离所导致的。利用籼稻和粳稻亚种间的强大杂种优势,培育籼粳杂交水稻被认为是促进水稻产量进一步提高的有效途径之一,但是其应用受到了亚种间杂种不育的制约。广亲和品种与籼稻、粳稻均表现为杂种可育,是籼粳亚种间杂种优势利用的重要基因资源。S5是控制水稻籼粳杂种育性的主效位点之一,研究发现S5位点上三个紧密连锁的基因ORF3、ORF4和ORF5(合称ORFs3-5)在遗传上彼此互作,形成一个“杀手-护卫”互作的生殖隔离体系,通过不同等位基因之间的互作调控水稻籼粳杂种不育和广亲和。本研究在此基础上,一方面对ORFs3-5在2个栽培稻种和11个野生稻种共计606份水稻种质资源中进行了基因型、核苷酸多态性以及单倍型分析,从中发掘新的广亲和种质资源用于水稻杂交育种和亚种间杂种优势利用,并通过群体遗传学和分子演化学的方法对S5位点的起源演化机制进行系统分析。另一方面利用分子标记辅助回交育种技术,将广谱性广亲和品种Dular中的3个等位基因Sa-Du、S5-n和f5-n导入优良的籼型杂交稻恢复系亲本9311,构建高效的水稻广亲和分子育种体系,为实现籼粳杂种优势的利用提供理论依据和中间材料。具体研究结果如下:1.在606份水稻种质材料中,对S5位点三个连锁基因ORFs3-5的等位基因频率分布进行统计分析,发现ORF3+、ORF4+和ORF5+三类等位基因频率从野生稻到栽培稻逐渐递减,ORF3-、ORF4-和ORF5-/n的等位基因频率在栽培稻中显著上升,说明“-”和“n”类型等位基因起源时间较晚,可能由“+”类型等位基因突变产生,即ORF3+、ORF4+和ORF5+为祖先等位基因。2.理论上,S5位点上三个基因的不同等位基因自由组合有12种类型,然而其中3种基因型ORF3-ORF4-ORF5-、ORF3-ORF4-ORF5+、ORF3-ORF4+ORF5+在本研究的稻种资源中未被检测到。野生稻中分布频率最高的基因型为ORF3+ORF4+ORF5+,推测该基因型为最原始的S5基因型。栽培稻中分布频率较高的两种基因型依次为ORF3+ORF4-ORF5+和ORF3-ORF4+ORF5-,即典型的籼稻类型和粳稻类型的S5基因型,并且它们在野生稻中已经存在,表明S5位点的籼、粳等位基因型分化在水稻驯化以前已经发生。3.在606份水稻种质中,通过ORFs3-5编码区变异的分析,共检测到93种单倍型(H1-H93)。单倍型网络关系图清晰的显示了S5系统的演化历史,祖先基因型ORF3+ORF4+ORF5+的单倍型H33及其衍生的单倍型H31,分别演化出典型粳稻基因型ORF3-ORF4+ORF5-和典型籼稻基因型ORF3+ORF4-ORF5+;典型籼稻基因型ORF3+ORF4-ORF5+的单倍型H26在ORF5+上发生136 bp缺失,演化出广亲和基因型ORF3+ORF4-ORF5n。表明在稻种演化历史中,S5系统的籼、粳起源和分化既是相互独立,又有着共同的祖先,其中籼型等位基因为一次起源产生,而粳型等位基因经过两次突变产生,籼型等位基因功能的丧失进而产生广亲和基因。4.本研究共筛选出104份携带广亲和等位基因S5-n的水稻种质材料,在印度次大陆地区的分布频率最高。其中26份材料携带的S5-n与所有类型的S5基因型均表现亲和,我们命名为“广谱广亲和基因”(broad-WCG),这些广亲和基因的资源将在今后籼粳杂种优势利用和杂交育种中发挥重要的价值。5.基于连锁(功能)标记的正向选择、双侧标记的负向选择以及全基因组背景选择和表型选择相结合的回交育种策略,在控制籼粳杂种胚囊不育的S5位点以及花粉不育的Sa、f5位点上,将来源Dular的三个等位基因S5-n、Sa-Du、f5-n,分别导入或聚合到优良恢复系9311背景中,获得了三个含有单基因的近等基因系NIL-(S5-n)、NIL-(Sa-Du)、NIL-(f5-n),和一个含双基因的聚合系PL-(S5-n+f5-n)。其中 NIL-(S5-n)、NIL-(f5-n)和 PL-(S5-n+f5-n)的背景回复率分别 99.95%、99.49%和99.44%,且主要农艺性状与原始亲本9311保持一致。4个育成株系的亲和性评价结果表明:S5-n、f5-n等位基因导入9311育成的株系,既保持了 9311对籼稻的亲和性,又明显提高的9311对粳稻的亲和性;f5-n导入片段能同时提高籼粳杂种F1代的花药开裂度、花粉育性和胚囊育性,最终小穗育性的提高幅度为20.4～30.9%;S5-n对籼粳杂种胚囊育性的提高幅度为14.7～32.9%,在f5-n片段存在的遗传背景下,S5-n对籼粳杂种小穗育性的提高幅度为9.5～21.8%;聚合系PL-(S5-n+f5-n(的测交结果显示,双基因S5-n、f5-n对籼粳杂种小穗育性的提高幅度为33.6～46.7%,表明在水稻籼粳亚种间结实率的改良育种中,S5-n和f5-n导入片段的效应是可以累加的。然而,Sa-Du等位基因对籼粳杂种育性并没有贡献。本研究围绕籼粳杂种不育位点的分子演化机制以及广亲和等位基因的利用展开研究,有助于我们更好的理解籼粳亚种间生殖隔离,以及如何通过分子标记辅助选择提高籼粳杂种育性,为籼粳亚种间杂种优势利用和杂交育种提供理论基础。