西南部分玉米地方种质资源的遗传多样性分析

摘要

根据西南地区玉米地方品种的主要地域分布，本研究以来自四川、重庆、云南和贵州四省(市)的玉米地方种质群体为材料，对54个玉米地方品种群体做遗传多样性的SSR分析和B染色体的细胞学鉴定；并从中选取50个品种群体进行田间实验，分析玉米地方品种农艺、经济性状的差异表现；结合室内分析，研究低磷胁迫下玉米地方种质的主要形态和生理特性，探讨耐低磷玉米地方种质的筛选指标。主要结果如下： 1.农艺、经济性状的差异表现分析结果表明，玉米地方品种在各农艺、经济性状上存在极显著差异。分析各性状的变异幅度，农艺性状株高、穗位高、总叶片数、散粉期、抽丝期和全生育期的变幅分别为213.25～322.98、87.30～198.59、15.50～24.38、69.50～94.50、70.50～93.50和114.00～142.00：经济性状穗长、秃尖长、穗粗、轴粗、穗行数、行粒数、穗粒重、百粒重和容重的变幅分别是8.40～18.32、0.30～2.28、2.49～4.88、1.5l～2.74、8.70～17.05、16.17～31.39、26.57～161.68、9.00～36.03和245.00～739.00。农艺性状与经济性状的变异系数比较表明，经济性状的变异程度较农艺性状的变异程度高。农艺性状变异程度大小排序为穗位高、总叶数、抽丝期、散粉期、株高、全生育期；经济性状变异程度的大小排序为秃尖长、穗粒重、百粒重、行粒数、穗长、穗行数、穗粗、容重、轴粗。根据“主成分”分析结果，结合玉米育种目标，分析各玉米地方品种农艺、经济性状的分量值，在供试材料中评选出综合性状优良的地方品种有DP-11、DP-44、DP-42、DP-31、DP-65、DP-19、DP-60、DP-15、DP-57和DP-13。农艺、经济性状的聚类分析表明，同一产地来源玉米地方品种的农艺、经济性状存在较大差异，而不同产地来源的玉米地方品种可能具有相似的农艺、经济性状。 2.基于SSR标记的遗传多样性分析结果，均匀覆盖玉米染色体组的42对SSR引物，在作DNA混合取样的54个玉米地方品种中检测到256个等位基因，每个SSR标记的等位基因数为2～9个，平均6.1个，多态信息量0.30～0.85，平均0.76，说明玉米地方品种群体遗传多样性丰富。根据遗传相似系数矩阵做出的树状图，将54个玉米地方品种大致划分成4类，来源于同一地区的多数玉米地方品种划分在同一类中，其遗传相似系数在0.60以上，表明玉米地方品种的地理分布与其遗传背景存在内在联系。比较SSR聚类与农艺经济性状聚类结果，2种聚类结果差异很大，这表明SSR分子标记所揭示的DNA的结构差异与“主成分”分析所揭示的表型差异是不一致的。从54个玉米地方品种中选出11个，每个品种随机抽取15个单株，共165个DNA单株样品，分析玉米地方品种的遗传结构及其品种内的遗传多样性。对于检测玉米地方品种的遗传多样性，DNA单株样品分析优于DNA混合样品分析，42对相同的SSR引物在11个玉米地方品种中检测到330个等位基因，平均等位基因数A=7.86，有效等位基因数=3.90，平均期望杂合度He=0.69，实际观察杂合度H0=0.37。据遗传结构分析结果，固定指数(F)为0.25～0.79，表明玉米地方品种是典型的混合繁育系统；由于杂合体不足，玉米地方品种群体内的遗传结构偏离了Hardy-Weinberg平衡；杂合性基因多样度比率(Fst)平均为0.07，表明品种间和品种内的遗传变异分别占总遗传变异的7％和93％。“主成分”分析(PCA)结果与品种间遗传距离分析结果相一致，同一品种群体内的个体以及来源于同一地区不同品种群体间的个体距离较近，相邻分布；来源于不同地区品种群体间的个体距离较远，产生明显分离。品种群体内遗传多样性分析结果表明，四川玉米地方品种的遗传变异水平、等位基因频率以及基因杂台度均为最高，贵州玉米地方品种的最低，表明在我国西南地区的四省(市)中，四川的玉米地方品种具有最丰富的遗传变异。 3.B染色体细胞学鉴定结果表明，玉米地方品种的B染色体具有常见B染色体的基本特征，B染色体在地方品种细胞中的异常分布是细胞和植株个体存在B染色体数目变化的主要原因。在检测的54个玉米地方品种中有9个存在B染色体，B染色体数目在品种间发生0B～7B的数目变化，在同一品种的不同细胞间发生0B～3B的变化；具有1B、2B和3B染色体的地方品种分别占玉米地方品种总数的12.96％、5.56％和3.70％；在对每个玉米地方品种所检测的30个细胞中，具有0B、1B、2B和3B染色体的细胞比例分别为86.81％、5.42％、4.44％和3.33％。分析含B染色体玉米地方品种的地理分布，四川的东南部地区是玉米地方品种B染色体的集中分布区。尽管本研究未发现B染色体与基于SSR的DNA多态性的相关关系。然而，综合分析B染色体的地理分布和玉米地方品种群体的遗传多样性，支持西南地区玉米地方品种的地理演变途径为最早引进到四川的假说。 4.分析低磷胁迫在苗期对玉米地方品种的主要生物学效应，结果表明，低磷胁迫下各地方品种的根体积、总叶面积、根干重和地上部干重均显著降低，而根冠比和根毛密度明显增加；同样，土壤缺磷诱导植株体内磷利用率、酸性磷酸酯酶活性、过氧化氢酶活性、过氧化物歧化酶活性以及丙二醛和脯氨酸含量的显著提高，但显著降低磷含量和可溶性蛋白质含量。不同玉米地方品种的耐低磷性存在明显的基因型差异，与低磷敏感玉米地方品种DP-36和DP-27比，低磷胁迫对耐低磷玉米地方品种DP-60、DP-02和DP-40影响较小。分析低磷胁迫下各生物学性状的变化，干物重和植株吸磷量的变化较大，表明干物重和吸磷量是苗期筛选玉米地方品种耐低磷种质的可靠指标。此外，酸性磷酸酯酶活性可作为筛选耐低磷种质的生化指标。低磷胁迫下干物重与缺磷症状的显著相关表明以植株缺磷症状为依据对玉米地方品种耐低磷等级的划分是可行的。基于上述结果，结合低磷胁迫下玉米地方品种后期的经济性状表现，在供试的50个玉米地方品种中，筛选出3个耐低磷地方品种DP-60、DP-02和DP-41，5个中耐低磷地方品种DP-12、DP-48、DP-54、DP-59和DP-65。 5.综合分析供试玉米地方品种的农艺、经济性状，遗传多样性及其耐低磷营养特性。西南地区玉米地方品种抗病力强，多数地方品种高抗大、小斑病和锈病；群体遗传变异水平高，42个SSR标记在54个品种群体中共检测到256个等位位点，在11个群体内的165个个体中检测到330个等位位点，有效基因杂合度达0.67；品种类型丰富多样，生育期从早熟(114d)到晚熟(142d)，粒型有硬粒、马齿和半马齿，粒色有黄、白、红、蓝；耐低磷种质丰富。从供试的50个玉米地方品种中筛选到与育种目标相关、主要农艺经济性状优良的品种10个，品种群体内遗传变异丰富(等位位点数在6.00以上)的品种7个，可供作理论研究的含B染色体的玉米地方品种9，耐低磷品种3个，中耐低磷品种5个。多数玉米地方品种植株和穗位较高，株型松散，平均株高和穗高分别高达2.64和1.38m；植株抗倒性差，表现程度不同的倒伏和倒折。鉴于地方品种遗传上的复杂性和适应性与丰产性的矛盾，建议采用优良地方种质群体改良、地方种质与外引种质组建群体和地方种质与热带种质进行相互改良这三种方法，对玉米地方种质进行间接利用。

目录

文摘

英文文摘

声明

1文献综述

1.1种质资源及遗传多样性研究意义

1.1.1种质资源及遗传多样性涵义

1.1.2种质资源及遗传多样性研究的重要性和必要性

1.2种质资源遗传多样性的研究方法

1.2.1形态学水平

1.2.2染色体水平

1.2.3蛋白质水平

1.2.4 DNA水平

1.3植物SSR标记及其在遗传育种中的应用

1.3.1 SSR产生的机理及其在植物基因组中的分布

1.3.2 SSR的实验技术要点

1.3.3 SSR标记技术的发展

1.3.4 SSR标记数据统计和分析

1.3.5 SSR标记在植物遗传育种中的应用

1.4玉米种质资源研究与利用

1.4.1玉米种质资源概况

1.4.2西南地区玉米地方种质资源特色

1.4.3世界玉米种质改良现状

1.4.4玉米种质资源研究的内容

1.5研究的目的意义

2材料与方法

2.1供试材料

2.1.1 SSR分析材料

2.1.2 B染色体鉴定材料

2.1.3农艺经济性状分析及耐低磷胁迫研究材料

2.2 田间试验

2.2.1 田间试验设计

2.2.2 田间调查及室内考种性状

2.3室内分析

2.3.1 DNA提取与检测

2.3.2微卫星DNA的扩增

2.3.3 PCR扩增产物的电泳检测

2.3.4B染色体的细胞学鉴定

2.4低磷胁迫的植株形态及生理指标测定

2.4.1植株主要形态性状测定

2.4.2植株主要生理性状测定

2.5数据分析

2.5.1 田间资料及室内生理生化数据的统计分析

2.5.2 SSR数据分析

3结果与分析

3.1玉米地方品种群体农艺、经济性状的差异分析

3.1.1农艺、经济性状方差及变异程度分析

3.1.2农艺性状差异表现

3.1.3经济性状差异表现

3.1.4主要抗性差异表现

3.1.5农艺经济性状的“主成分”分析

3.1.6农艺经济性状的聚类分分析

3.2玉米地方品种群体遗传多样性的SSR分析

3.2.1 54个玉米地方品种的遗传多样性

3.2.2 SSR位点的遗传变异

3.2.3玉米地方品种群体的遗传结构

3.2.4玉米地方品种群体的遗传关系

3.2.5玉米地方品种群体内的遗传多样性

3.2.6玉米地方品种群体内个体间的遗传关系

3.3玉米地方品种的B染色体

3.3.1玉米地方品种B染色体的数目变化

3.3.2玉米地方品种B染色体的地理分布

3.3.3 B-染色体在体细胞有丝分裂过程中的行为

3.4低磷胁迫下的玉米地方种质差异及其植株形态和生理效应

3.4.1低磷胁迫下不同玉米地方品种主要农艺、经济性状差异分析

3.4.2低磷胁迫下不同玉米地方品种的田间缺磷症状表现

3.4.3低磷胁迫对苗期植株根系的效应

3.4.4低磷胁迫对苗期植株地上部的影响

3.4.5低磷胁迫下地方品种苗期的吸磷量和磷利用率

3.4.6不同施磷处理下酸性磷酯酶、过氧化氢酶和过氧化物歧化酶活性的变化

3.4.7低磷胁迫下可溶性蛋白质、脯氨酸和丙二醛含量的变化

3.4.8低磷胁迫下苗期主要生物学性状间的相互关系

4讨论与结语

4.1西南玉米地方种质的遗传多样性

4.2玉米地方品种群体的遗传结构及其保护

4.3玉米地方品种B染色体的数目变异及其DNA多态性

4.4西南地区玉米地方品种的演化及其次生基因中心探讨

4.5玉米地方品种耐低磷胁迫的形态及生理机制

4.6玉米地方品种耐低磷种质的筛选指标

4.7利用SSR标记分析玉米地方品种群体遗传多样性的取样策略

4.8 B染色体细胞学鉴定的制片技术探讨

4.9西南地区玉米地方种质资源评价及利用

4.10存在的问题及改进措施

结语

参考文献

在读期间发表的文章

致谢

附表

附图