不同来源一年生野生大麦与栽培大麦的遗传多样性以及染色体组差异分析

摘要

大麦（Hordeum vulgare L.）是世界上最古老的“三元”作物，即粮食作物、饲料作物和酿造用作物，由于具有早熟、耐瘠、适应性强等特点，其种植范围非常广泛。在中国，大麦是仅次于玉米、水稻、小麦的第四大禾本科作物。大麦的染色体数少，只有七对染色体(2n=14)，是二倍体自花授粉作物中染色体数最少的作物，且其在形态、遗传和生理等多个领域都具有广泛的多样性，是理想的遗传和生理研究模式作物。
　　一年生野生大麦（Hordeum spontaneum）是栽培大麦（Hordeum vulgare）的祖先种，西亚“肥沃月湾”地区和中国青藏高原地区是栽培大麦的两个主要起源中心。一年生野生大麦变异类型众多，具有明显的早熟性、抗病性和耐逆性，丰富的一年生野生大麦种质材料在大麦进化与驯化以及遗传改良等研究领域具有巨大的应用价值。
　　自然选择作用是野生种向栽培种过渡的主要动力，一年生野生大麦在驯化过程中受到了正向选择和平衡选择等多种选择压力作用，导致基因型和形态特征朝着对人类有利的方向改变。在驯化过程中，一年生野生大麦的形态表现和生理功能都发生了很大的变异，如棱形（Vrs1基因控制）、碎穗(Btr基因控制)、皮裸(Nud基因控制)、休眠（SD基因控制）、春化（Sgh基因控制）等性状的变异。同一年生野生大麦相比，栽培大麦的遗传变异水平有所降低。一年生野生大麦与栽培大麦染色体组不同区域的遗传多样性差异能够反映驯化过程中的这种自然选择的效应;DNA分子标记，例如SSR标记，是研究驯化的有效手段。
　　本研究利用SSR分子标记，分析比较了四个不同地理起源的一年生大麦群体（西亚一年生野生大麦群体、中亚一年生野生大麦群体、西藏一年生野生大麦群体和中国栽培大麦群体）染色体组的遗传多样性指标，以期获得整个大麦染色体组和染色体组不同区域在长期驯化过程中所产生的遗传差异以及自然选择对大麦染色体组的驯化压力效应。主要结果如下:
　　1.西亚一年生野生大麦群体的遗传变异水平较高。就单条染色体而言，西亚一年生野生大麦群体的基因多样性在四个地理群体中普遍较高。就单个群体而言，西亚和中亚一年生野生大麦的2H染色体在其染色体组中基因多样性数值最高，而西藏一年生野生大麦群体和中国栽培大麦群体1H染色体在其七条染色体中基因多样性数值最高。
　　2.与西藏一年生野生大麦相比，中国栽培大麦群体的2H和6H两条染色体含有一些特异的位点成分，是分子研究和遗传育种的潜在资源;三个一年生野生大麦群体间6H染色体的分子差异最大，该染色体上的一些基因位点可能控制不同地理环境的适应性性状，但还需进一步的研究。
　　3.一年生野生和栽培大麦群体染色体组平均基因多样性差异为28.07％，其中5H染色体的基因多样性差异最大，为35.29％，其次为3H，7H，4H，2H，6H和1H。
　　4.用一年生野生大麦群体和栽培大麦群体间标记AMOVA分析方法在1H，2H，3H，4H，5H和7H共六条染色体上分别划分了染色体驯化相关区域和非驯化相关区域。六条染色体的驯化基因区域共包含18对SSR分子标记，差异比率分析表明一年生野生大麦和栽培大麦间5H，1H和7H三条染色体的驯化区域遗传差异高于非驯化区域;2H和4H两条染色体驯化区域的遗传差异略等于非驯化区域，而3H染色体驯化区域差异则低于非驯化区域。一年生野生大麦和栽培大麦间六条染色体驯化区域平均遗传差异为33.73％，高于非驯化区域平均遗传差异27.56％。
　　5.根据遗传距离(cM)划分染色体驯化基因区域的结果表明染色体上和驯化基因相关的区域只有缩小至一定范围时时才能真正反映自然选择压力对染色体位点的改变效应。该结果中大部分人为划分的染色体驯化区域遗传差异都大于其对应的非驯化基因区域，且5H-I驯化基因区域差异最大。
　　6.分子标记的聚类结果也表明西亚一年生野生大麦群体的遗传多样性水平较高，不同材料间的遗传联系和地理分布有着密切的联系。西亚和中亚一年生野生大麦材料亲缘关系较近，而西藏一年生野生大麦材料和中国栽培大麦材料可归为一个群体。染色体驯化基因区域分子标记聚类表明所有材料可划分为多个小的类群，类群间遗传距离几乎相同，因此推测染色体的驯化区域由于所含基因功能的重要性在大麦进化过程中受到了明显的选择作用，同时各个地区微环境的差异选择导致了染色体驯化区域间一定的遗传变异。

目录

声明

摘要

缩略语表

1 文献综述

1．1 我国野生大麦的特点

1．1．1 早熟性

1．1．2 耐逆性

1．1．3 抗病性

1．2 栽培大麦的起源中心学说

1．2．1 近东起源中心学说

1．2．2 中国西藏起源中心学说

1．3 野生大麦研究进展

1．3．1 野生大麦群体驯化研究进展

1．3．2 野生大麦主要驯化基因研究进展

1．3．3 野生大麦的育种应用

1．4 作物驯化过程中的选择作用

1．5 DNA分子标记及其应用

1．5．1 以Southern杂交为基础的分子标记

1．5．2 以PCR技术为基础的分子标记

1．5．3 以DNA重复序列为基础的分子标记

1．5．4 以核苷酸序列差异为基础的分子标记

1．5．5 DNA分子标记的应用

1．6 本研究的目的意义

2 不同来源大麦染色体组的遗传变异

2．1 材料与方法

2．1．1 大麦材料

2．1．2 材料种植及DNA的提取

2．1．3 SSR分析程序

2．1．4 大麦染色体组遗传多样性分析

2．2 结果与分析

2．2．1 不同染色体组遗传多样性

2．2．2 AMOVA分析结果

2．3 讨论

2．3．1 大麦群体染色体组遗传差异

2．3．2 不同群体染色体组分子差异

3 染色体组驯化区域与非驯化区域的遗传差异

3．1 材料与方法

3．2 结果与分析

3．2．1 驯化区域和非驯化区域的AMOVA划分

3．2．2 驯化区域和非驯化区域基于遗传距离(cM)的划分

3．2．3 标记的聚类分析

3．3 讨论

3．3．1 染色体不同区域所受选择压力

3．3．2 染色体驯化区域的范围

3．3．3 材料间的遗传联系

参考文献

附录

研究生学习期间论文发表情况

致谢