甘蓝型油菜恢复系轮回选择群体的遗传结构分析

摘要

油菜是我国乃至全世界最重要的油料作物之一。油菜的育种和栽培对于我国食用油供给具有重大意义。甘蓝型油菜是我国目前主要栽培的油菜类型，其从引进到现在只有不到100的年栽培历史，遗传资源多样性有限。杂种优势是提高作物产量的最有效途径之一，除了受授粉的限制外，杂种优势的利用还受到双亲遗传差异、亲本配合力等方面的限制。轮回选择是数量性状改良的有效方法之一，研究证明，其不但可以改良现有育种群体的配合力水平，而且可以驯化外来种质资源为本地育种所利用，为本地作物育种提供新的种质资源。本研究利用从欧洲引入的冬性甘蓝型油菜、人工合成甘蓝型油菜、亚基因组材料、波里马细胞质雄性不育恢复系及黄籽材料等与萝卜质细胞质雄性不育恢复系杂交，以萝卜质不育系恢复基因为自由授粉系统构建一个轮回选择群体（R），一方面保持该群体与中国油菜具有一定的遗传距离，另一方面，通过轮回选择改良群体的配合力。从R群体中选择175个株系分别与3个不同背景的中国油菜测交系（T1:Yu7-120，T2:Yu7-126和T3:Yu7-140）进行杂交，将525个杂种F1及亲本材料，以华油杂62为对照分别在武汉、襄阳、宜昌3个环境中进行田间试验，分析考察了产量（SPY）及产量相关的（分枝数，NB；主花序长度，LMI；主花序角果数，SNMI；全株角果数，TSN；角果长，LS；每角粒数，SNS；千粒重，TSW）共8个性状，分析群体杂种优势表现，估算每个株系的一般配合力，并以产量性状一般配合力为依据进行优良株系选择。利用油菜60K SNP芯片对R群体进行基因型分型，分析R群体遗传多样性、群体结构及响应群体改良的选择性消除区域，研究的结论要点如下：
　　1. R群体175个株系表型分布及性状间相关性
　　对R群体中175个株系在3个环境中8个性状进行表型分析。结果发现：3个环境中平均单株产量分别为13.93±0.43 g、7.41±0.22 g、8.08±0.53 g；分枝数分别为6.56±0.11个、6.29±0.07个、5.02±0.09个；主花序长度分别为62.59±0.73 cm、54.181±0.45 cm、52.02±0.57 cm；主花序角果数分别为69.83±0.97个、62.47±0.77个、56.41±0.84个；全株角果数分别为180.11±5.34个、145.23±3.2个、140.78±7.18个；角果长分别为5.18±0.4 cm、5.77±0.47 cm、5.63±0.53 cm；每角粒数分别为15.42±0.22粒、15.54±0.25粒、14.02±0.22粒；千粒重分别为3.58±0.03 g、3.23±0.03 g、4.03±0.04g。产量性状表型变异系数最大，在宜昌环境中达到86.23％，角果长的变异系数最小，在武汉环境中为10.11%。相关性分析表明，产量性状与其他产量相关性状都呈现极显著正相关，其中与全株角果数相关性最大，相关系数为0.89，说明全株角果数对油菜产量贡献最大。
　　2. R群体一般配合力分析
　　利用525个杂交组合在3个环境中表型数据估算每一个株系的一般配合力。结果表明，8个性状的一般配合力分别为：SPY，1.34；NB，0.19；LMI，0.74；SNMI，2.65；TSN，15.06；LS，0.14；SNS，0.38；TSW，0.04。8个性状的一般配合力都表现为正，说明这些性状都存在一定程度的加性效应。但是NB、SNMI、LS、SNS、TSW的一般配合力表现都比较小，说明这些性状配合力改良的遗传增益有限，提示我们在后续群体改良过程中应该补充在这些性状上表现优良材料/基因。
　　3.杂种优势分析
　　利用所有杂种在3个环境中表型数据，以华油杂62为对照，分析R群体每个性状的杂种优势（中亲优势和超标优势）。结果表明：中亲优势，T1×R组合的8个性状在3个环境中都表现出正向优势；T2×R组合只有主花序长度在宜昌环境中表现为负向优势；T3×R组合基本没有正向优势表现。超标优势与中亲优势表现相似，T1×R组合、T2×R组合都表现出一定程度正向优势，T3×R组合没有表现出正向优势。这说明R群体与T1、T2组配的杂种能够产生较强的杂种优势，与T3组配的杂种没有杂种优势。这为该群体后续的育种应用提供了参考。
　　4. R群体的遗传多样性分析
　　利用油菜60K SNP芯片对R群体175个株系进行基因型分型。分析群体遗传多样性、群体结构、材料间亲缘关系及连锁不平衡（Linkage Disequilibrium，LD）水平。结果显示：所有标记的平均PIC值（polymophism informantion content）为0.292，其中有76%的标记PIC值大于0.25，说明R群体目前遗传多样性水平良好；群体结构分析发现，R群体主要被分成两个亚群，但是亚群材料所占比例并不平衡；R群体材料间没有明显的亲缘关系；R群体存在较高程度的LD，当R2=0.1时，整个基因组LD达到了2.4 Mb，其中A基因组LD为0.8 Mb，C基因组LD为4.8 Mb。C基因组LD远大于A基因组，说明C基因组可能收到更大选择压。
　　5.选择性消除分析
　　以产量性状配合力为基础，选择高配合力前20%的株系构建下一轮群体。依据选择前后，群体遗传多样性的变化，在全基因组水平进行选择性消除分析。结果共扫描出376个基因组区域，覆盖了油菜基因组的3.31%，约21.26 Mb区域。这些选择性消除区域内存在大量前人已经报道过的产量或产量相关性状的QTL。在这些选择性消除区域中，96.05%的分布在C基因组，3.95%的区域分布在A基因组，说明C基因组在群体改良过程中受到更多选择或者C基因组对产量配合力有更大贡献。

目录

声明

缩略词表（Abbreviation）

1 文献综述

1.1 杂种优势利用

1.2 配合力

1.3 群体改良

1.4 本研究的目的和意义

2 材料和方法

2.1 实验材料

2.2 实验方法

3 结果分析

3.1 R群体材料8个性状的表型变异

3.2 亲本材料配合力分析

3.3 杂种优势分析

3.4 遗传距离与杂种优势的相关性分析

3.5 配合力与杂种优势相关性分析

3.6 优良株系的选择与下一轮群体构建

3.7 SNP的筛选，评价与分布

3.8 R群体的遗传结构分析

3.9 特殊位点的遗传多样性分析

3.10 选择性消除分析

3.11 系谱育种历史的再现

3.12 Fixed SNP分析及基因组遗传多样性的变化

4 讨论

4.1 C基因组在群体改良过程中起到重要作用

4.2 油菜育种所面临的瓶颈

4.3 杂种优势预测

4.4 分子标记辅助选择（Marker-assisted selection，MAS）

4.5 基因组育种

参考文献

附录

附录1

附录2

附录3

附录4

致谢