玉米快速发育关键技术研究及在抗茎腐病遗传分析中的应用

摘要

育种周期长、出品种速度慢是当今玉米育种工作面对的主要挑战。加快育种进程、缩短育种周期、发展快速的玉米育种方法，是玉米育种界多年的愿望和社会的迫切需求。玉米生育周期可分为植株发育（播种至授粉）和种子形成与成熟（授粉至种子成熟）2个阶段。本研究从加快玉米植株发育和减去不必要的种胚发育时间两方面入手，在对玉米植株发育形成较深刻认识的基础上，针对植株发育的特点和要求设计了YKF（玉米植株快速发育）营养液及相应的基质配方，针对用幼胚离体培养直接成苗的要求设计了KC培养基，以中国常用的玉米自交系为试验材料建立了玉米快速发育的关键技术，并在玉米抗茎腐病遗传分析中进行了应用。
　　玉米茎腐病是一种世界性的土传病害，严重影响着玉米的产量和品质。目前，已经定位了多个与茎腐病抗性基因连锁的分子标记，但这些标记的实用性有待验证。本研究以国内外159份玉米自交系为材料，通过比较田间抗病表型和室内分子标记检测基因型之间的符合度，评价了11个分子标记的有效性。利用玉米快速发育技术构建了昌7-2（感、母本）×齐319（抗、父本）的F2群体，同时利用与抗茎腐病RpiQI319-1和RpiQI319-2连锁的有效分子标记对F2群体进行了茎腐病抗性遗传分析。
　　本研究取得的主要研究结果如下:
　　1.通过三因素随机区组试验设计进行盆栽试验，比较3个玉米自交系(03H006、昌7-2和PH6WC)在4种栽培基质（YKF、WKF、Hoagland基质和田间耕层土）、3种温度（18～25℃、23～30℃、25℃及以上自然温度）植株发育情况。结果表明，4种基质中在YKF上发育最快，3种温度中23～30℃发育最快，且植株健壮，从而确定了以YKF营养基、23～30℃条件为关键因素的玉米植株快速发育技术。
　　2.采用三因素随机区组试验设计，比较分析了3个玉米自交系（03H006、昌7-2和PH6WC）的3种胚龄（授粉后12d、14d和16d）幼胚在3种培养基(MS、N6和KC培养基)上的离体发育情况，结果表明:用3种胚龄的幼胚萌苗，16d胚成苗最快，14d幼胚也能很快成苗，且与16d差异不明显，但12d胚萌苗既慢又弱;3种培养基中，在KC上萌苗最快、且苗健壮。从而确定了用14d胚、KC培养基进行萌苗的玉米幼胚快速萌苗技术。
　　3.以MS为基本培养基，比较添加激素(NAA0.01mg/L、BA0.04mg/L)和活性炭(2g/L)对幼胚离体发育的影响。结果表明:活性炭和激素均有利于玉米胚苗根长（以最长根计）、根数、株高和鲜重的增加。其中，活性炭对根长、根数、株高和鲜重四方面性状的影响均达到了显著水平，但激素只对根数和鲜重的影响达到了显著水平。
　　4.采用以上建立的玉米植株快速发育技术和幼胚快速萌苗技术，对8个常用玉米自交系进行全生育周期快速发育试验，结果表明:郑58全生育期为65.0d、03H006为65.8d、B73为66.0d、黄早四为68.0d、中17为69.3d、昌7-2为71.8d、PH4CV为72.8d、PH6WC为73.5d，实现了一年可完成5.0～5.6代的玉米快速发育。
　　5.以胚龄14d的昌7-2幼胚在MSAH（加活性炭的MS）和MSH（未添加活性炭的MS）培养基上发育9d的幼苗为对象，利用转录组测序技术分析基因表达情况，结果表明:AC可引起玉米幼胚苗中2196个基因的差异表达，包括地下部2142个基因，地上部147个基因。地下部差异基因(DEGs)主要涉及光合作用-天线蛋白、细胞循环、植物激素信号转导、外源物质代谢等108条KEGG途径，地上部DEGs涉及泛醌和其他萜-醌类物质合成等10条KEGG途径。
　　6.分析了159份国内外玉米自交系的田间茎腐病抗性表型和与4个茎腐病抗性QTL(qRfg1、qRfg2、RpiQI319-1、RpiQI319-2)连锁的11个分子标记在上述材料中的扩增带型。结果表明:在供试材料中，西南地区的抗病种质最多，占比达88.24％;东北地区的抗病种质次之，占比达82.36％;黄淮海地区抗病种质最少，占比达53.66％。通过比较标记扩增与田间表型的结果，发现分子标记STS01（qRfg1）、STSZ479(qRfg2)、bnlg1866（RpiQI319-1）和bnlg1716（RpiQI319-2）的阳性检测结果与田间表型符合度较高，分别为76.79％、78.95％、91.67％和73.33％，可作为抗茎腐病分子检测的有效标记。
　　7.利用玉米快速发育技术构建了昌7-2（感、母本）×齐319（抗、父本）的F2群体。从种植亲本种子到获得F2群体14d幼胚共耗时139d。利用与RpiQI319-1紧密连锁的标记bnlg1866和与RpiQI319-2紧密连锁的标记bnlg1716对F2群体进行标记辅助选择，同时人工接种肿囊腐霉进行抗茎腐病性表型鉴定。结果表明，RpiQI319-1和RpiQI319-2两个位点对茎腐病的抗性具叠加效应，抗、感表型比为15∶1。
　　本研究取得的结果，不仅为玉米快速育种建立了关键技术，也为玉米性状的遗传机理研究群体创制提供了高效的平台，对玉米遗传育种研究具有重要意义。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1 玉米育种相关技术现状

1．1 玉米常规育种

1．2 诱变育种技术

1．3 DH育种技术

1．4 分子标记辅助育种技术

1．5 转基因育种技术

1．6 分子设计育种技术

1．7 基因组编辑技术

2 本研究的技术基础

2．1 幼胚培养技术

2．2 植株发育调控技术

2．3 植物快速发育技术体系

2．4 转录组测序技术的原理及应用

2．5 玉米茎腐病研究进展

3 本研究的目的和意义

第二章 玉米快速发育关键技术研究

1．1 供试植物材料

1．2 试验方法

2 结果与分析

2．1 不同播期玉米自交系生育期的变化

2．2 基因型、温度和栽培基质对玉米植株发育的影响

2．3基因型、培养基成分和胚龄对幼胚培养的影响

2．4 玉米快速发育周期及加代快繁

3 讨论

3．1 调控环境条件促进玉米植株体的发育

3．2 培养基和胚龄影响幼胚培养

3．3 玉米快速加代

4 小结

第三章 促进玉米幼胚苗生长发育因素的转录组分析

1 材料与方法

1．1 供试植物材料

1．2 试验方法

2 结果与分析

2．1 RNA提取

2．2 测序数据分析

2．3 AC影响玉米幼胚苗的基因表达

2．4 AC诱导的DEGs的GO富集分析

2．5 AC诱导的DEGs的KEGG富集分析

2．6 DEGs的实时荧光定量RT-PCR验证

3 讨论

4 小结

第四章 玉米茎腐病抗性标记实用性评价及遗传分析

1 材料和方法

1．1 供试植物材料

1．2 试验方法

2 结果与分析

2．1 玉米自交系茎腐病田间抗性鉴定

2．2 不同地理来源玉米自交系对茎腐病抗性差异

2．3 茎腐病抗性QTL连锁分子标记多态性分析

2．4 玉米自交系标记基因型分型

2．5 分子标记有效性评价

2．6 抗性QTL在供试材料中的分布情况

2．7 RpiQl319-1和RpiQl319-2两位点遗传分析

3 讨论

3．1 茎腐病的抗性鉴定

3．2 抗茎腐病基因分子标记的实用性

3．3 两位点遗传分析

4 小结

参考文献

附录

在读期间已发表论文

作者简历

致谢