玉米光周期敏感性及相关性状的QTL定位及杂种优势机理研究

论文摘要

光周期是影响植物生长发育的关键环境因素之一,植物开花的光周期敏感反应一直是人们研究的热点。玉米是短日照植物,光周期敏感性是不同纬度和不同海拔地区间玉米种质资源交流的主要限制因子。因此研究热带玉米的光周期反应的分子机理,弱化玉米的光周期敏感性,不但有利于玉米种质的扩增与创新、提高玉米品种对不同地理纬度和播种季节的适应性,而且还能在玉米开花时间的光周期调控方面进行有益的探索。本试验室以对光周期钝感的温带自交系黄早4和对光周期敏感的热带自交系CML288为亲本配置了温热组合黄早4×CML288,本研究在前人工作基础上,通过单粒传法,构建了包含201个家系的重组自交系群体（F10代）。在此基础上,本研究以F10重组自交系群体为基础群休,通过成对交配设计,构建了一套包含278个杂交组合的永久F2群体。2007年分别对RILs群体及“永久F2”在三亚、河南郑州、河南洛阳、北京顺义和北京昌平等5个地点3个不同的光周期环境下进行了田间鉴定,考察了散粉期积温、株高、叶片数等光周期敏感性相关的性状。通过遗传连锁图谱的构建,分别利用重组自交系群体和“永久F2”群体的表型值,对光周期敏感性及相关性状QTL定位及上位性分析;同时利用中亲优势值对杂种优势位点进行了定位和上位性互作分析,主要结果如下:1、构建了玉米温热组合的重组自交系群体。家系个体基因型组成来源于母本黄早4的纯合染色体片段在28.27%-72.15%之间,平均是46.04%;家系个体基因型组成来源于父本CML288的纯合染色体片段在23.63%-65.40%之间,平均为45.61%。在整个群体中,基于分子标记的基因型分析,双亲染色体同源片段分离符合1∶1的理论分离比例,双亲对子代的遗传贡献基本上是平衡的。群体的基因型组成分布呈正态分布,由此也可以认为,本实验采用的玉米RIL群体是一个随机群体,适合于遗传作图、基因定位等基因组分析和育种应用。2、构建了永久F2群体。个体基因型组成中来源于母本黄早4的纯合染色体片段在10.14-44.55%之间,平均为25.22%;个体基因型组成中来源于父本CML288的纯合染色体片段在7.45-48.79%之间,平均为24.64%;双亲的杂合片段在32.52-66.34%之间,平均为50.14%。结果表明整个群体中基于分子标记的双亲染色体同源片段分离符合1:2:1的理论分离比例,与F2群体的基因型频率相似,因此在遗传组成和基因频率上该永久F2群体与同一来源的F2群体基本相似,可以用永久F2群体代替F2群体进行遗传分析。3、选用玉米基因组的713对SSR引物对亲本进行多态性筛选,以重组近交系为基础材料,构建了一个包含237个SSR标记的重组近交系遗传连锁图,覆盖了玉米的10条染色体,总长度1974.7cM,平均间距8.33cM。4、分别利用重组自交系群体和永久F2群体,三个不同的光周期环境下,共检测到151个玉米光周期敏感性及相关性状的QTL,分布在所有10条染色体上。其中重组自交系群体检测到64个,永久F2群体检测到87个,两个群体共同检测到28个。许多QTL在不同的环境下同时检测到,实际上检测到87个不同的光周期敏感性及其相关性状的QTL,其中重组自交系群体实际检测到32个不同的QTL,永久F2群体实际检测到55个不同的QTL,两个群体共同检测到16个不同的QTL。5、将光周期敏感性主效QTL定位在第10染色体上。不同环境中检测到的QTL不同,散粉期积温QTL qDPS4-2、株高QTLqPH1-2、叶片数QTL qLN4-3在不同群体中三个环境下均能检测到;散粉期积温QTL qDPS10-1、株高QTL qPH10-1和叶片数QTL qLN9、qLN10在重组自交系群体和永久F2群体中均在2个长日照环境中检测到,而在三亚短日照环境中未检测到;散粉期积温QTL qDPS3、株高QTLqPH3、叶片数QTL qLN3-1和qLN4-2在重组自交系群体和永久F2群体中均在短日照环境下检测到,而在2个长日照环境下并未检测到。表明控制光周期敏感性及相关性状的数量性状位点在不同光周期环境中特异表达。控制长日照环境下光周期敏感相关性状的QTL集中在第10染色体的10.04区域,控制短日照环境下光周期敏感相关性状的QTL集中在第3染色体的3.05区域。6、利用双向方差分析法,对重组自交系群体和永久F2群体的光周期敏感性相关性状表现进行上位性分析,结果表明上位性互作在整个基因组中大量存在,大部分互作发生在两个单位点效应不显著的位点之间。永久F2群体在不同环境下,所有考察的性状中,检测到的互作类型中均为AA互作最多,AD/DA互作次之,DD互作最少。7、利用改良的复合区间作图法,在3个环境中共检测到19个株高杂种优势位点（HL）,分别位于第1、2、3、4、6、7、9和第10染色体上。有些杂种优势位点在多个环境中同时检测到,或位于紧密相邻的位点,实际检测到的单个杂种优势位点（HL）为13个。这些杂种优势位点多数表现为部分显性,少数表现为超显性效应。8、利用永久F2群体,通过双向方差分析,在全基因组水平上对玉米株高中亲优势值进行两位点互作分析,检测到大量显著上位互作。上位性互作具有一定的环境稳定性,且具有环境特异表达的特点。在三亚短日照环境下,检测到的杂种优势上位性互作中,AA互作最多,AD/DA互作次之,DD互作最少。而在河南和北京长日照环境下,检测到的杂种优势上位性互作中,AD/DA互作最多,AA互作次之,DD互作最少。9、在三种光周期环境下,不论是特殊杂合性还是一般杂合性,与株高表现及杂种优势虽然具有一定的相关性,但相关系数较低,不足以用来预测玉米的杂种优势。进一步分析表明,从单个共显性侧邻标记的检测结果看,各标记杂合子并不总表现出比纯合子更高的性状水平,杂合子表现超亲优势的标记比例仅为31.6%。多数标记的杂合子表型值介于两种纯合子之间,表明杂合性对性状的表现并不总是有利的,显性基因的互补或累加可能对本永久F2群体的杂种优势表现的作用更大。单位点水平上的显性、超显性、以及两位点之间的上位性互作是玉米株高杂种优势形成的重要遗传机理。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1 作物数量性状研究进展
• 1.1 经典数量遗传学
• 1.2 分子数量遗传学的兴起
• 1.3 QTL 定位的原理和方法
• 1.3.1 分子标记
• 1.3.2 作图群体
• 1.3.3 QTL定位的方法
• 1.3.4 上位性分析
• 1.3.5 QTL与环境互作
• 1.3.6 精细定位方法
• 1.3.7 QTL的克隆
• 2 杂种优势研究进展
• 2.1 显性假说
• 2.2 超显性假说
• 2.3 杂合性与杂种优势
• 2.4 上位性学说
• 2.5 基因网络调节系统
• 2.6 基因表达调控与杂种优势
• 3 玉米光周期敏感性研究进展
• 3.1 玉米光周期敏感性研究进展
• 3.1.1 玉米光周期敏感的遗传特点
• 3.1.2 光周期敏感性的评价指标
• 3.1.3 玉米光周期敏感性的经典遗传学机制
• 3.1.4 玉米光周期敏感相关基因定位研究
• 3.1.5 光周期敏感相关基因克隆研究进展
• 3.2 模式植物光周期敏感性研究进展
• 3.2.1 长日植物拟南芥的光周期反应的分子机理
• 3.2.2 水稻的光周期反应研究进展
• 4 本研究的目的及意义
• 第二章 两个群体基因型分析及遗传连锁图谱的构建
• 2.1 前言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 供试材料
• 2.2.2 基因型分析及分子标记遗传连锁图谱的构建
• 2.2.2.1 DNA 提取和SSR 分析
• 2.2.2.2 分子标记遗传连锁图谱的构建
• 2.2.2.3 标记的偏分离分析
• 2.3 结果与分析
• 2.3.1 RIL 群体基因型分析
• 2.3.1.1 RIL 群体基因型组成
• 2.3.1.2 RIL 分子标记等位基因频率及偏分离位点
• 2群体基因型分析'>2.3.2 永久F₂群体基因型分析
• 2.3.2.1 群体基因型组成
• 2.3.2.2 永久F2群体分子标记基因频率、基因型频率及偏分离位点
• 2.3.3 遗传连锁图谱的构建
• 2.4 讨论
• 2.4.1 关于重组自交系群体
• 2.4.2 对永久F2群体的评价
• 2.4.3 需要进一步改进的地方
• 第三章 玉米光周期敏感性及相关性状的主效QTL 分析
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 试验材料和田间试验
• 3.2.2 数据记载
• 3.2.3 统计分析
• 3.2.4 QTL 分析
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 表型分析
• 3.3.1.1 不同光周期环境中双亲及F1的表型分析
• 3.3.1.2 RIL 群体光周期敏感性及相关性状的表型分析
• 3.3.1.3 永久F2群体农艺性状分析
• 3.3.2 光周期敏感性及相关性状的主效QTL 及其效应分析
• 3.3.2.1 散粉期积温QTL 分析
• 3.3.2.2 株高主效QTL
• 3.3.2.3 叶片数QTL 分析
• 3.3.2.4 光周期敏感性QTL
• 3.4 讨论
• 2群体与重组自交系群体的定位结果比较'>3.4.1 永久F₂群体与重组自交系群体的定位结果比较
• 3.4.2 相关性状QTL的集中分布的解释
• 3.4.3 不同环境下检测到的QTL的分类
• 3.4.4 与前人结果的比较及与其他定位结果的比较
• 3.4.5 候选基因推测
• 3.4.6 对热带种质的利用的启示
• 第四章 光周期敏感性及其相关性状的上位性QTL 及其效应分析
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 试验材料及田间试验
• 4.2.2 DNA 提取和SSR 分析
• 4.2.3 上位性检测
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 用双向方差分析方法检测相关性状的上位性互作
• 4.3.1.1 不同群体检测到的上位性互作
• 4.3.1.2 不同环境下检测到的上位性互作
• 4.3.2 上位性互作的互作类型
• 4.3.3 上位性互作的组合形式
• 4.3.4 上位性互作的效应分析
• 4.3.4.1 重组自交系群体
• 4.3.4.2 永久F2群体
• 4.4 讨论
• 4.4.1 上位性互作是生物的一种重要遗传机制
• 4.4.2 上位性互作的群体及环境稳定性
• 第五章 玉米株高的杂种优势位点分析
• 5.1 前言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 试验材料及田间试验
• 5.2.2 遗传图谱的构建
• 5.2.3 基因型杂合性与性状表现及杂种优势的关系
• 5.2.4 杂种优势位点（HL）及其效应分析
• 5.2.5 杂种优势的上位性检测
• 5.3 结果与分析
• 2”群体及F1的杂种优势表现'>5.3.1 “永久F₂”群体及F1的杂种优势表现
• 5.3.2 基因型杂合性与杂种优势的关系
• 5.3.3 杂种优势位点及其效应分析
• 5.3.3.1 玉米株高杂种优势位点（HL）分析
• 5.3.3.2 杂种优势位点的效应分析
• 5.3.3.3 杂种优势位点（HL）与QTL 位点的比较
• 5.3.4 杂种优势的上位性分析
• 5.4 讨论
• 5.4.1 “永久F2”群体在杂种优势研究中的应用
• 5.4.2 表型值QTL 位点与杂种优势位点之间的关系
• 5.4.3 杂合性与性状表现及杂种优势的关系
• 5.4.4 超显性和显性与杂种优势
• 5.4.5 上位性与杂种优势
• 5.4.6 杂种优势机理探讨
• 参考文献
• 附录 常用的实验方法