中国玉米骨干自交系遗传多样性研究

摘要

玉米(ZeamaysL.)是重要的饲料作物、粮食作物和工业原料来源，在国民经济发展中占有举足轻重的地位。与其它作物相比，玉米虽然具有丰富遗传多样性，但是，由于驯化和品种改良等影响，与远古亲缘种墨西哥黍(Zeassp.Mexicana)相比，具有重要经济价值的基因位点，遗传多样性在不同程度上有所减弱。遗传多样性是植物杂交育种的基础，我国地域广袤，多样性气候条件为我国玉米种质资源向遗传多样化发展提供了广阔空间，培育的自交系是国际育种工作的宝贵资源之一。 本研究采用改进的SNAP(SingleNucleotideAmplifiedPolymorphism)技术对河南、河北、山东和辽宁等玉米生产大省的67份玉米骨干自交系的遗传多样性进行了研究，检测了参与淀粉合成途径的6个关键基因Bt2、Sh1、Sh2、Wx1、Ae1和Su1的23个SNP位点，参与赤霉素合成途径的3个调节基因d3、An1和D8以及Gl15基因的15个SNP位点，并根据检测结果进行了SNP位点的变异动态分析、单倍型分析、聚类分析和连锁不平衡分析(linkagedisequilibrium，LD)。 主要研究结果如下： 1.PIC(PolymorphicInformationContent)分析结果表明，参与淀粉合成途径的Sh1和Sh2的SNP位点都表现出中度多态性(0.25＜PIC＜0.50)；Bt2除有3个中度多态性位点外，还有1个高度多态性位点(PIC≥0.50)；Wx1、Ae1和Su1均只有1个中度多态性位点；Bt2、Ae1和Wx1各有1个SNP不具有多态性；Su1有2个SNP不具多态性。参与赤霉素代谢调节的3个基因位点D8、d3和An1多态性较低或没有多态性，其中，D8具1个高度多态和1个中度多态性SNP，其他5个SNP和彩d3-1986位点均具低多态性，An1的2个SNP位点和d3的另3个SNP位点没有多态性。 2.单倍型数目均比预期数少。参与淀粉合成途径的6个基因的，单倍型数目按减少程度由低到高的次序，分别为Sh2、Sh1、Wx1、Ae1、Su1和Bt2：每个单倍型的种质数目有差异，如Bt2有13个单倍型，其中4个ACAGCA、ACCGCA、ATCGAG和GTCGAG是主要的单倍型，67份种质中分别占23、7、18和5份，前两个单倍型种质籽粒均为(偏)硬粒型，后两个单倍型种质籽粒均为(半)马齿型。单倍型多样性分析结果还表明，参与赤霉素代谢调节的3个基因的单倍型数目减少严重，D8的7个SNP位点仅有20个单倍型。 3.根据参与淀粉合成途径6个基因的23个SNP标记结果，67份种质可分为两大类群Ⅰ和Ⅱ：Ⅰ类群有36个品种，包括34个(偏)硬粒品种，Ⅱ类群有31个品种，包括28个(半)马齿型品种；Bt2的2个SNP位点Bt2-2和Bt2-5是两个表型串的分支点，CC和TA是两个SNP位点的主要单倍型，Ⅰ类群有30个(偏)硬粒品种是单倍型CC，单倍型TA的种质全部是(半)马齿型品种且仅分布在类群Ⅱ；两个表型串Ⅰ和Ⅱ各又分为5个不同的亚群，其中，亚群Ⅰ-Ⅱ和Ⅰ-Ⅲ分别以黄早四改良系(7/13)和美国杂交种78599选育系为主(4/5)，而12份瑞德黄马牙种质分散在6个不同的亚群。此外，根据参与赤霉素代谢调节的3个基因的SNP标记结果，67份种质也可分为两个类群，第一类群包括5个亚群：Ⅰ-Ⅰ亚群以花期适中硬粒型品系为主，Ⅰ-Ⅱ亚群分为早花硬粒型a类种质和以花期适中(半)马齿型种质为主的b类，Ⅰ-Ⅲ亚群以花期各不同的(偏)硬粒型品系为主，Ⅰ-Ⅳ亚群以花期适中(半)马齿型品系为主，Ⅰ-Ⅴ亚群分为以花期适中(半)马齿型为主的a类和以晚花型品系为主b类。Ⅰ-Ⅰ、Ⅰ-Ⅱ和Ⅰ-Ⅲ亚群以温带种质为主，Ⅰ-Ⅳ和Ⅰ-Ⅴ亚群以(亚)热带种质为主；第二类群仅有自330一份种质。尽管选用的标记不同，但某些玉米品系，如B73、S73、9046和K12S22在两种分类结果中，均在同一亚群。 4.Bt2的Bt2-1、Bt2-2、Bt2-3、Bt2-5和Bt2-6基因内显著连锁不平衡(除Bt2-1和Bt2-3之间)，Sh1-2与Sh1-3之间和Sh1-4与Sh1-5之间显著性连锁不平衡；与(偏)硬粒型亚群相比，(半)马齿型亚群的Bt2-2与Bt2-5位点基因内显著连锁不平衡。除D8-1966和Gl15-2829之间外，参与赤霉素合成途径的调节基因d3、An1和D8及Gl15等4个基因其他SNP位点间没有显著连锁不平衡。

目录

文摘

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论文说明:缩略语

声明

第一章文献综述

1.1玉米在工农业生产和生物科学发展研究中的重要性

1.2以比较基因组为基础的玉米遗传多样性研究

1.2.1比较基因组法在全基因组研究领域中的应用

1.2.2基因序列重组形成了玉米基因组结构的多样性

1.3以分子标记为基础的遗传多样性研究

1.3.1分子标记技术发展概述

1.3.2分子标记技术在玉米遗传多样性研究中的应用

1.3.3遗传多样性提供的分子标记在生物技术和育种等领域的应用

1.4以SNP标记为基础的遗传多样性研究

1.4.1 SNP的定义和SNP位点的分布

1.4.2 SNP的特点

1.4.3 SNP检测的主要原理

1.4.4检测SNP的方法

1.4.5 SNP分子标记在玉米遗传多样性研究中的应用

1.4.6淀粉合成相关基因的研究现状及SNP分子标记的应用

1.4.7赤霉素合成相关基因研究现状及SNP分子标记的应用

1.5本研究的主要内容、目的和意义

第二章利用SNAPs对中国玉米骨干自交系淀粉合成基因遗传多样性的研究

2.1引言

2.2材料和方法

2.2.1植物材料

2.2.2基因组DNA提取

2.2.3引物和测序

2.2.4 PCR扩增和电泳

2.2.5数据分析

2.3结果

2.3.1基因组DNA质量检测

2.3.2籽粒性状表型分析

2.3.3基因SNP位点多态性变化及PIC分析

2.3.4.单倍型多样性分析

2.3.5聚类分析

2.3.6 6个基因SNP连锁不平衡分析

2.4讨论

2.4.1 6个基因遗传多样性现状

2.4.2 SNAP技术对杂交优势群划分具有可行性

2.4.3连锁不平衡与单倍型、性状结合为玉米分子育种提供遗传学基础

2.4.4 SNAP具有应用于玉米分子育种领域的潜力

第三章利用SNAPs对中国玉米骨干自交系与赤霉素合成有关基因中遗传多样性的研究

3.1引言

3.2材料和方法

3.2.1植物材料

3.2.2基因组DNA提取

3.2.3表型数据统计

3.2.4引物和测序

3.2.5 PCR扩增和电泳

3.2.6数据分析

3.3 结果

3.3.1田间表型数据分析

3.3.2玉米d3、An1、D8 SNAP位点识别选取及PIC值统计

3.3.3 SNP位点多态性及PIC值分析

3.3.4单倍型多样性分析

3.3.5聚类分析

3.3.6四个基因SANP连锁不平衡分析

3.4讨论

3.4.1 d3、An1和D8可能是人工选择的目标基因

3.4.2基因序列多态性较低可能与连锁不平衡衰退有关

3.4.3玉米开花时间可能与种质生态类型、籽粒类型等因素有关

第四章玉米品种间几个基因座位的基因组DNA分子组成结构特点比较研究

4.1引言

4.2材料和方法

4.2.1植物材料

4.2.2主要试剂

4.2.3基因组DNA制备

4.2.4探针制备

4.2.5 Southern分析

4.2.6目的片段的定位和克隆

4.2.7测序与序列分析

4.3结果

4.3.1大片段DNA质量分析

4.3.2初步Southern杂交分析

4.4讨论

4.4.1制备高质量的大片段DNA是进行全基因组比较的基础

4.4.2玉米全基因组丰富的多态性可为阐述杂交优势分子机理提供依据

第五章结论

本论文的主要创新点

参考资料

博士在读期间撰写和发表文章

致谢