核桃属种间杂交品种生长及繁育特性研究

摘要

早实核桃品种因具有定植当年即可开花结实，5～6a进入盛果期以及丰产性强和坚果品质好等特性，成为我国北方产区的主栽品种，深受种植者青睐。然而，由童期过短这一生物学特性所带来的核桃树体早衰，进而病虫害严重等问题，逐渐成为制约产业发展的屏障。众所周知，在不更换品种的条件下，除加强栽培管理措施强健树体之外，选用生长旺盛的砧木品种可以部分弥补由于过度结果导致树体衰弱的缺陷，同时还可以延长盛果期时间。针对上述问题，我们课题组采用核桃属种间杂交方法经过初选、复选和决选，选育出我国首批在生长势和抗性等方面具有明显杂种优势的核桃属种间杂交品种（简称种间杂交品种）。本研究即以新选育的4个种间杂交品种为试材，多年定点观测植物学特征，筛选出表型标记，为种间杂交品种的审（认）定提供完整准确的基础数据，为其分类学地位的确定提供形态学依据;其次，对4个种间杂交品种的生长进程和生长特性进行了分析，阐明其生长优势，并在此基础上研究了它们作砧木对其上嫁接品种生长及光合性能的影响，为核桃砧木品种的选择利用提供理论依据。另外，本课题组已建立了核桃属嫩枝扦插繁殖体系，并对种间杂交品种嫩枝不定根发生的分子机理进行了研究，但关于不定根发生的表观遗传调控机制还不清晰。因此，本研究还对种间杂交品种不定根发生的DNA甲基化调控机理进行探讨，为种间杂交品种的无性繁育及不定根发生机制提供表观遗传学依据。主要研究结果如下: (1)依据核桃属DUS表型性状分析，筛选出19个表型性状作为4个种间杂交品种的关键标记性状，并进行了规范的形态描述和品种检索表编制，为新品种审（认）定和品种保护提供重要基础信息和科学依据。经过连续3a对23a生‘中宁强’（J.hindsii×J.regia var.Zhongningqiang）、‘中宁盛’（J.hindsii×J.regia var.Zhongningsheng）、‘中宁奇’（J.hindsii×J.regia var.Zhongningqi）和‘中宁异’（J.major×J.regia var.Zhongningyi）4个种间杂交品种的39个主要表型性状特征进行系统观测和记载，又经特异性、一致性和稳定性测试，同时结合植物学特征的标准图片，对种间杂交品种进行了规范的形态描述。同时确定了叶片、芽以及发育枝的植物学特征可作为4个种间杂交品种的关键标记性状。 (2)通过对树体生长特性和生长进程的分析，表明4个种间杂交品种的树体生长量超亲优势明显，论证了种间杂交品种生长较速生，胸径和材积的生长潜力较大，为城市绿化树种和速生优质硬阔用材树种的新选择提供了理论依据。4个种间杂交品种树体生长性状和分枝性状的超亲优势为9.79％～50.00％。对胸径生长最突出的‘中宁奇’与其母本北加州黑核桃及美国材用树种魁核桃进行了树干解析分析，表明‘中宁奇’的年轮宽度、早材密度和晚材密度的变异系数较小，整个径向均匀度较高;‘中宁奇’的胸径速生期为第2～8a;树高速生期为前8a;生长到23a生时，材积仍未达到数量成熟。23a生‘中宁奇’胸径总生长量是北加州黑核桃和魁核桃的1.53和1.22倍;树高与北加州黑核桃、魁核桃无显著性差异;23a生‘中宁奇’材积总生长量为0.485m3，是北加州黑核桃和魁核桃的1.77和1.41倍。 (3)采用将同一品种嫁接到不同砧木的方法，证实了4个种间杂交品种均可作为核桃砧木品种的应用潜力。首先，4个种间杂交品种砧木对同一核桃品种‘宁优’的嫁接亲和性与核桃本砧组合无显著差异;其次，种间杂交品种砧穗组合在地上部和地下部生物量、生长量等特征指标上显著或极显著高于本砧组合;第三，种间杂交品种砧穗组合的光合性能显著高于本砧组合，其中‘上宋-14’/‘中宁奇’的最大净光合速率和表观量子效率最高，分别为21.93μmol·m-2s-1和0.062mol·mol-1，比‘上宋-14’/‘宁优’提高了17.90％和16.98％。‘上宋-14’/‘中宁奇’的光补偿点则比‘上宋-14’/‘宁优’显著降低35.33％。‘上宋-14’/‘中宁盛’的光饱和点最大（1630μmol rm-2s-1），比‘上宋-14’/‘宁优’提高17.27％。 (4)通过MethyRAD-seq技术分析，发现复幼处理促进了种间杂交品种插穗基因组的甲基化水平和甲基化模式的改变，影响了生长素代谢和不定根发生相关基因的表达，进而引起其生根能力的差异，初步揭示了不定根发生的DNA甲基化调控机制。Methyl-RAD基因组测序分析表明复幼嫩枝和成龄态嫩枝的甲基化位点在全基因组上呈不均匀分布，以内含子和基因区的甲基化水平较高，转录起始位点和转录终止位点区域附近甲基化水平较低;与成龄态嫩枝相比，复幼嫩枝的全甲基化水平显著降低;进一步对甲基化水平差异基因分析，共得到差异甲基化位点相关基因833个，荠异基因主要参与氨基酸生物合成、碳代谢、苯丙烷生物合成、细胞周期、植物激素信号转导等生物学过程。其中，NAC、WRKY、ARF等转录因子家族成员在不定根发生过程中表达模式的改变，可能是复幼提高不定根能发生能力的重要原因。

目录

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摘要

图目录

表目录

第一章绪论

1．1引言

1．2国内外研究进展

1．2．1杂交育种的现状及研究进展

1．2．2核桃种间杂交新品种选育及性状特征描述

1．2．3核桃无性繁育研究

1．3研究目标和主要研究内容

1．3．1关键的科学问题及研究目标

1．3．2主要研究内容

1．4研究技术路线

第二章种间杂交品种表型标记性状筛选及应用

2．1材料与方法

2．1．1试验地概况

2．1．2试验材料与方法

2．2结果与分析

2．2．1种间杂交品种的植物学性状观测和分析

2．2．2种间杂交品种主要植物学性状的特异性、一致性和稳定性分析

2．2．3种间杂交品种表型标记的筛选

2．2．4种间杂交品种表型标记的验证和应用

2．3讨论

2．4小结

第三章种间杂交品种生长进程和生长优势研究

3．1材料与方法

3．1．1试验材料

3．1．2试验方法

3．1．3数据分析

3．2结果与分析

3．2．1种间杂交品种生长性状分析

3．2．2种间杂交品种生长特性分析

3．3讨论

3．3．1种间杂交品种的杂种优势表现

3．3．2种间杂交品种年轮特征分析

3．3．3种间杂交品种生长进程分析

3．4小结

第四章种间杂交品种砧木对接穗生长和生理的影响

4．1试验地概况

4．2材料与方法

4．2．1试验材料

4．2．2试验方法

4．3结果与分析

4．3．1种间杂交品种砧穗组合嫁接亲和性分析

4．3．2种间杂交品种砧穗组合生物量比较

4．3．3种间杂交品种砧穗组合生长量比较

4．3．4种间杂交品种砧穗组合光合特性分析

4．4讨论

4．4．1种间杂交品种做砧木对接穗生长发育的影响

4．4．2种间杂交品种做砧木对接穗光合特性的影响

4．4．3砧穗互作机理分析

4．5小结

第五章种间杂交品种不定根发生的DNA甲基化研究

5．1试验材料与方法

5．1．1试验材料

5．1．2 DNA提取及检测

5．1．3 MethylRAD-Seq文库构建及上机测序

5．1．4测序数据分析

5．1．5甲基化测序结果的qRT-PCR验证

5．2结果与分析

5．2．1基因组DNA质量检测

5．2．2甲基化位点在全基因组上的分布

5．2．3甲基化位点在不同功能元件上的分布

5．2．4 DNA甲基水平分析

5．2．5测序数据重复性评价

5．2．6差异甲基化位点筛选和分析

5．2．7差异甲基化位点相关基因的GO功能富集分析

5．2．8差异甲基化位点相关基因的KEGG代谢通路分析

5．2．9甲基化测序结果的qRT-PCR分析

5．3讨论

5．3．2基因组DNA甲基化水平及分布

5．3．3差异甲基化位点相关基因功能分析

5．4小结

6．1结论

6．2讨论

6．2．1种间杂交品种的鉴定及分类学地位

6．2．2种问杂交品种生长优势的形成机理

6．2．3种间杂交品种果材兼用模式的利用

6．2．4种间杂交品种不定根发生的DNA甲基化机制

6．3创新点

参考文献

附录

在读期间的学术研究

致谢