水稻不同氮素水平下单株产量的关联分析开题报告

1. 研究目的与意义

水稻是中国乃至世界的主要粮食作物，氮（n）是水稻生长发育所必需的营养物质之一，也是水稻需求最大的矿质营养元素之一，同时也是水稻生产的重要限制因子。目前，中国的氮肥消耗量占全世界消耗量的1/3，而且单位面积(1 hm²)的氮肥施用量超过了250 kg，远远高于世界平均施氮水平。然而，氮肥的利用率平均只有35%左右，尤其是中国苏南地区则更低，仅为20-25%，氮肥损失率较高(王超 et al. 2014)。培育肥料高效利用的水稻品种，可以在保持高产、稳产的同时降低肥料用量, 具有重要理论意义与实际应用价值。提高氮素利用效率（nue，nuseefficiency），水稻植株首先需要一个有效的氮素吸收机制，然后需要将积累的氮素在体内同化、高效转运和利用，因此是一多基因控制的复杂性状(xu et al. 2012)。目前，水稻中已发现有10 个铵盐转运子amt 基因 (suenaga et al. 2003)。植物氮素的利用集中体现在no₃^-的还原和氨的同化。

提高水稻在低氮条件下对肥料的高效利用效率，需要克隆相关的基因，鉴定和分析调控nh₄ 、no₃^-吸收和利用相关基因的功能，阐明耐低氮机理，进而更充分有效地利用耐低氮资源进行水稻氮高效品种的培育和改良。全基因组关联分析(gwas，genome wide association study)。不需要构建特殊的群体可同时对多个性状进行分析, 对qtl定位的精度可达到单基因水平。关联分析除了能够定位qtl, 还可用于鉴定不同等位基因引起的表型变异和开发功能标记。另一方面，高通量snp基因型分型技术的实用化, 使得我们可以通过整个基因组snp信息得到全基因组估计育种值(genomic estimated breeding value, gebv), 提高育种值估计的准确性，对相关目标主基因和微效基因进行基因组选择(gs) (hamblin et al. 2011)。目前，关于水稻氮相关的qtl基因定位大多为初定位，无法直接分离出能够应用于基因工程的基因(王超 et al. 2014), 对水稻耐低氮性状的基因组关联分析尚未见报道。因此，需要通过全基因组关联分析技术快速克隆水稻耐低氮相关基因并指导基因组选择育种。

本课题组已经对1000份地方品种、野生稻和育种材料，进行了耐低氮筛选。观察记载了cssl群体后代以及地方品种的和耐低氮生长数据，构建了96极端材料rad（restriction site associated dna）-seq文库，用以ngs为基础的rad-seq完成了gbs（genotyping by sequencing）测序。

2. 研究内容和预期目标

研究目标：

1、采用以ngs为基础的分析技术, 实施水稻耐低氮基因组关联分析和单倍型分析，研究与耐低氮胁迫优异等位基因及其耐低氮机制。

2、解析水稻调控nue转录组，研究关键基因和转录因子的功能，明确相关基因在调控nue过程中氮素同化能力差异的分子机制。

3. 研究的方法与步骤

研究方法、实验方案：

1)对1000份地方品种、野生稻和染色体片段置换系(cssl)群体材料，在大田条件下，选用3年或以上不施用任何氮肥，夏季作物为水稻，冬季无耕种(作物为小麦)，具有独立灌溉系统的田块做为低氮素处理试验田，对上述材料进行耐低氮处理，通过与种植在正常氮素水平的田块的样品的主要农艺性状(株高，有效穗数，生物产量，单株产量等)比较，对样品进行表型观察和分析。

2)采用大样本、ngs基因组测序和基因分型方法，对300份核心群体作高密度 snp基因型测定，通过生物信息学的手段，采用基于perl和r的高通量数据分析软件对不同样品、不同基因组区域间复杂的关系进行分析，运用基于全基因组扫描的关联分析策略定位与耐低氮表型关联的snp, 快速鉴定和分离与低氮胁迫下促进籽粒和水稻生长的相关基因。

4. 参考文献

5. 计划与进度安排

2022年：

收集混合ril群体、地方份品种、野生稻和育种材料，已进行低氮胁迫的抗性筛选，筛选高抗，中抗，低抗品种，并观察籽粒和株高等性状

2022年：