作物复杂性状遗传信息的破解及其在育种中的应用

论文摘要

本论文重点阐述了生物信息学方法和生物统计学方法在作物复杂性状分析中的应用,并以棉花基因组数据和玉米基因组数据为例详细说明了这两种方法在鉴别基因以及检测与重要农艺性状相关SNP位点中的作用及意义。棉花NBS类型抗病基因的鉴定和分析中我们首先利用已有的雷蒙德氏棉全基因组测序数据对棉花NBS抗病基因进行了挖掘,然后又依次对挖掘到的抗病基因进行了基因结构鉴定、基因分类、基因组定位、基因复制、基因系统进化树构建、基因表达、基因与抗病QTL的关联等分析,最后还通过转录组、EST、RT-PCR等技术验证了这些基因在雷蒙德氏棉中的表达情况,并针对所有NBS抗病基因设计了相应的分子标记。通过分析棉花NBS抗病基因,不仅证实了其它他植物中已观察到的NBS抗病基因的特征,如TIR类型抗病基因的独立进化模式、NBS抗病基因与抗病QTL的关联性等,而且也发现了一些其它植物中没有观察到的、可能是棉花特有的NBS抗病基因的特征,如NBS抗病基因N端的多态性、非标准NBS抗病基因的众多性等。雷蒙德氏棉全基因组NBS抗病基因的挖掘为棉花抗病基因的克隆和功能验证提供了材料；同时,棉花NBS抗病基因的分析也为进一步深入了解棉花抗病机制奠定了一定的基础。玉米穗部性状QTS的检测及分析中我们利用玉米全基因组SNP标记及能够分析各种遗传效应的QTXNetwork软件,针对玉米NAM群体的三个穗部性状进行了QTS检测及分析。本研究中,利用玉米大量SNP数据及25个群体5个不同环境下的穗部表型数据进行的QTS定位和分析显示基因与环境的互作效应对穗部性状有重要作用。QTS的定位结果表明大部分穗部性状QTS只在单一环境下检测到,说明穗部相关QTS与环境之间存在明显的互作。除此之外,除了基因与环境互作效应外,本文研究还显示基因间的互作或者是基因间与环境的互作对玉米穗部性状同样具有重要作用。本研究中所检测的三个玉米穗部性状,其遗传率中很大一部分都是基因与环境的互作效应,加性效应所占比重很小,例如,玉米的穗长有34.67%的遗传率是由基因与环境的互作效应导致的,而此性状中,由加性效应导致的遗传率仅为0.88%。玉米QTS检测所用的混合线性模型可以分析加×加、加×显、显×显上位的各种遗传主效应及其与环境互作效应,为其它作物复杂性状的研究提供了参考。同时,本研究在基因组水平上鉴定了于玉米穗部性状相关的QTS,此结果可为玉米的分子辅助育种奠定一定的基础。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 生物信息学在棉花NBS抗病基因鉴定及分析中的应用
• 1.1 文献综述
• 1.1.1 生物信息学与植物抗病基因组研究
• 1.1.1.1 生物信息学
• 1.1.1.2 数据库及网络资源
• 1.1.1.3 基因组研究的相关分析软件
• 1.1.2 棉花基因组研究
• 1.1.3 植物抗病基因的作用机制
• 1.1.4 植物抗病基因的主要结构及其功能
• 1.1.5 植物抗病基因的产生及进化机制
• 1.1.6 植物抗病基因的应用
• 1.1.6.1 转化已克隆抗病基因获得抗病新材料
• 1.1.6.2 抗病基因种质资源的筛选及新抗病基因的分离
• 1.1.6.3 创造广谱抗病新材料
• 1.1.6.4 创造新的抗病基因
• 1.1.7 植物抗病基因研究进展
• 1.2 本研究立题依据及研究内容
• 1.2.1 立题依据
• 1.2.2 研究意义
• 1.2.3 研究内容
• 1.2.4 技术路线
• 1.3 材料与方法
• 1.3.1 棉花基因组数据及其它植物抗病基因来源
• 1.3.2 棉花基因组NBS类型抗病基因的鉴定
• 1.3.3 棉花NBS类型抗病基因的分类
• 1.3.4 棉花NBS类型抗病基因结构分析
• 1.3.5 棉花NBS类型抗病基因在染色体上的定位
• 1.3.6 棉花NBS类型抗病基因复制分析
• 1.3.7 序列比对及进化树构建
• 1.3.8 抗病基因邻近抗病QTL搜索
• 1.3.9 抗病基因转录组及EST表达分析
• 1.3.10 抗病基因的RT-PCR验证
• 1.3.11 抗病基因分子标记开发
• 1.4 结果与分析
• 1.4.1 棉花NBS类型抗病基因的确定
• 1.4.2 棉花NBS类型抗病基因motif分析
• 1.4.3 棉花NBS类型抗病基因的分类
• 1.4.4 棉花NBS类型抗病基因的基因组定位
• 1.4.5 棉花NBS类型抗病基因的复制
• 1.4.6 棉花NBS类型抗病基因系统进化树分析
• 1.4.7 棉花与NBS类型抗病基因毗邻的抗病QTL
• 1.4.8 棉花NBS类型抗病转录组及EST表达分析
• 1.4.9 棉花NBS类型抗病基因的RT-PCR表达分析
• 1.4.10 棉花NBS类型抗病基因分子标记开发
• 1.5 讨论
• 1.5.1 棉花NBS抗病基因N端结构变异
• 1.5.2 棉花非标准NBS抗病基因的产生机制
• 1.5.3 棉花NBS抗病基因的复制
• 1.5.4 NBS抗病基因的系统进化
• 1.5.5 棉花NBS抗病与抗病QTL的关联
• 1.5.6 本研究对棉花抗病育种的作用
• 2 玉米穗部性状QTS的检测及分析
• 2.1 文献综述
• 2.1.1 基于GWAS的QTS定位
• 2.1.2 SNP标记概述
• 2.1.3 玉米穗部性状研究进展
• 2.1.4 本章研究对象及研究意义
• 2.2 玉米穗部性状QTS定位材料和方法
• 2.2.1 QTS定位材料
• 2.2.2 QTS定位方法
• 2.2.3 SNP定位
• 2.3 玉米穗部性状QTS定位结果分析
• 2.3.1 三种检测方法检测到的QTS位点的区别
• 2.3.1.1 穗长三种检测方法检测到的QTS位点的区别
• 2.3.1.2 穗粗三种检测方法检测到的QTS位点的区别
• 2.3.1.3 行粒数三种检测方法检测到的QTS位点的区别
• 2.3.2 QTS在基因组中的分布及遗传效应
• 2.3.2.1 穗长QTS在基因组中的分布及遗传效应
• 2.3.2.2 穗粗QTS在基因组中的分布及遗传效应
• 2.3.2.3 行粒数QTS在基因组中的分布及遗传效应
• 2.3.3 玉米穗部性状检测到的QTS位点的比较
• 2.4 玉米穗部性状QTS遗传效应特点
• 2.4.1 穗长QTS遗传效应特点
• 2.4.2 穗粗QTS遗传效应特点
• 2.4.3 行粒数QTS遗传效应特点
• 2.5 玉米穗部性状分析结果讨论
• 参考文献
• 附录