（作物遗传育种专业论文）云南元江普通野生稻渗入系产量性状及高光效QTL定位分析.pdf

摘要 本研究利用云南元江普通野生稻为供体亲本、优良籼稻品种“特青”为受体亲本构建的高代 回交群体b c 。f ，和渗入系群体配制回交( 特青为母本) 和铡交( 两系不育系培矮6 4 s 为母本) 组合，对株高、单株有效穗、每穗粒数、每穗实粒数、结实率、千粒重、每穗粒重、单株产量等 8 个农艺性状和光合速率进行了考查和0 t l 分析。主要结果如下： 1 在b c 3 f 3 群体和渗入系群体中共检测到5 2 个控制8 个农艺性状的q t l 。两群体共同检测 到的q t l 有1 5 个，在第8 染色体r m 3 3 7 附近检测到分别控制每穗粒数、每穗实粒数、每穗粒 重、单株有效穗的q t l 它们分别是q g p 8 1 、q f g 8 1 、q y p 8 1 和q p n 8 1 ，在两个群体中的贡 献率依次为2 4 和8 、2 3 和9 、2 1 和1 3 、1 5 和7 ，加性效应值依次为1 0 0 7 5 和5 8 9 5 、 6 2 o o 和5 8 0 7 、1 4 3 和1 6 7 、2 7 5 和2 4 1 ，来自野生稻的等位基因可显著提高群体的每穗粒数、 每穗实粒数、每穗粒重及减少单株有效穗。 2 利用渗入系的回交f l 表型值和中亲优势值( h m r , ) ，在第6 染色体r m 3 附近检测到1 个 同时控制每穗实粒数和每穗粒重的杂种优势位点，贡献率分别为1 3 和1 0 效应值分别为3 0 2 8 和0 6 7 ，野栽等位基因杂合表现为正优势，且均表现为超显性效应。 3 利用b c 3 f 3 测交f i 群体和渗入系测交f i 群体，在第7 染色体r m 2 9 8 附近检测到1 个同 时控制除单株产量、结实率外的其他6 个性状的重要q t l ，平均贡献率高达1 7 。单株有效穗 加性效应为正，来自野生稻等位基因可增加单株有效穗。 4 在b c 3 f 3 和渗入系回交群体中，利用中亲优势值检测到6 0 个杂种优势位点，其中3 2 个位 点野栽等位基因杂合表现为正优势2 8 个位点等位基因杂合表现为负优势；4 个杂种优势位点i i 现为显性，5 6 个杂种优势位点表现为超显性，占9 3 3 ，因此从单位点水平上来说超显性假 说是杂种优势重要遗传基础。 5 定位了3 个高光效q t l ，即第5 染色体r m l 5 3 附近的q n p r 5 1 、第9 染色体r m l 0 5 附 近的q n p r 9 1 和第1 2 染色体r m 4 5 3 附近的q n p r l 2 1 这3 个q t l 均表现为增加净光合速率的 效应。其中q n p r 5 1 在两个群体中同时检测到，贡献率分别为7 和6 ，加性效应分别为5 9 4 和3 7 9 ，来自野生稻的等位基因能提高光台效率。 关键词：普通野生稻，渗入系，产量性状，净光合速率，0 t l 分析 a b s t r a c t b a s e do na na d v a n c e db a c k c r u s sp o p u l a t i o na n das e to fi n t r o g r e s s i o nl i n e sw e r ed e v e l o p e du s i n g r e p e a th a c k c r o s sb e t w e e na na c c e s s i o no f0 0 , z ar u f i p o g o nf r o my u a n j i a n g ，y u n n a np r o v i n c ei nc h i n a , a st h ed o n o r 、a n dt h ee l i t el n d i c ac u l t i v a rt e q i n g ，a st h er e c i p i e n t ，b e t e r o t i cl o c if o ry i e l da n dy i e l d c o m p o n e n tt r a i t sw e i d e t e c t e du s i n gb a c k c r o s sf 1p o p u l a t i o nb e t w e e ni n t r o g r e s s i o nl i n e sa n dt e q i n g a n dt e s tc r o s sf ip o p u l a t i o nb e t w e e ni n t r o g r e s s i o nl i n e sa n dp e i a i6 4 s a tt h es a m et i m e ，q t l sf o r p h o t o s y n t h e s i se f f e c tw e r ei d e n t i f i e du s i n gb c 3 f 3a n di n t r o g r e s s i o nl i n e sa tt w ol o c a t i o n s t h em a i n r e s u l t sw e r ea sf u l l o w s ： 】a t o t a l o f 5 2 q t l s f o r 8 y i e l d a n d y i e l dc o m p o n e n t t r a i t s w e r e d e t e c t e d i n b c 3 f 3p o p u l a t i o na n d i n t r o g r e s s i o nl i n e s 1 5q t l sw e r ef o u n di nt h et w op o p u l a t i o n s q t l s ( q g p 8 1 ，q f g 8 1 ，q y p 8 - 1a n d q p n8 - 1 ) f o rg r a i nn u m b e rp e rp a n i c l e ，f u l lg r a i nn u m b e rp e rp a n i c l e ，y i e l dp e rp a n i c l ea n dp a n i c l ep e r p l a n tw e r ed e t e c t e dn e a rr m 3 3 7o nc h r o m o s o m e8t h a te x p l a i n e d2 4 a n d8 ，2 3 a n d9 ，2 1 a n d 13 t5 a n d7 o ft h ep h e n o t y p i cv a r i a n c ei nt h et w op o p u l a t i o nr e s p e c t i v e l ya n dw h i c ha d d i t i v e e f f e c t sw e r e1 0 0 7 5a n d5 8 9 5 ，6 2 0 0a n d5 8 0 7 1 4 3a n d1 6 7 ，- 2 7 5a n d - 2 4 1r e s p e c t i v e l y t h ea l l e l e s f r o my u a n j i a n gc o m m o nw i l dr i c e i nt h o s el o c ic o u l di n c r e a s eg r a i nn u m b e rp e rp a n i c l e ，f u l lg r a i n n u m b e rp e rp a n i c l e ，y i e l dp e rp a n i c l ea n dd e c r e a s ep a n i c l ep e rp l a n to f t e q i n g 2 o n eh e t e r o t i cl o c u sf o rg r o i nn u m b e rp e rp a n i c l ea n dg r a i ny i e l dp e rp a n i c l et h a te x p l a i n e d1 3 a n d1 0 o f p h e n o t y p i ev a r i a n c er e s p e c t i v e l yw a sf o u n dn e a rs s rm a r k e rr m 3o nc h r o m o s o m e6u s i n g h a e k c r o s sf ip h e n o t y p i cv a l u e sa n dm i d - p a r e n th e t e r o s i sv a l u e s ( h m ) f o rt h eq t l t h eh e t e r o z y g o t e e n h a n c e dg r a i nn u m b e rp e rp a n i c l ea n dg r a i ny i e l dp e rp a n i c l e ，w h e nc o m p a r e dw i t ht h eh o m o z y g o t e a n da ts i n g l el o c u sl e v e l ，t h eg e n e t i ce f f e c to f t h eh e t e r o s i sl o c u ss h o w e do v e r d o m i n a n c e 3 o n em a j o rq t lc o n t r o l l i n gy i e l da n dy i e l dc o m p o n e n t 钉矗i t se x c e p ty i e l dp e rp l a n ta n ds e e ds e t r a t i ow a si d e n t i f i e dn e a rr m 2 9 8o nc h r o m o s o m e7t h a te x p l a i n e da v e r a g e1 7 o fp h e n o t y p i cv a r i a n c e u s i n gt e s tc r o s sf fp o p u l a t i o n t h er e s u l tt h a ta d d i t i v ee f f e c to f q t lf o rp a n i c l e sp e rp l a n tw a sp o s i t i v e s h o w e dt h a tt h ea l l e l ef r o mv u a n j i a n gc o m m o nw i l dr i c ec o u l di n c r e a s ep a n i c l e sp e rp l a n to f t e d i n g 4 at o t a l6 1h e t e r o t i cl o c if o ry i e l da n dy i e l dc o m p o n e n tt r a i t sw e r ed e t e c t e du s i n gm i d p a r e n t h e t e r o s i sv a l u e sf o rb a c k c r o s sp o p u l a t i o n t h eh e t e r o z y g o t eo f3 2l o c is h o w e dp o s i t i v eh e t e r o s i sa n do f 2 8l o c is h o w e dn e g a t i v e u s i n ga n a l y s i so ft h eg e n e t i ce f f e c to fh e t e r o t i cl o c i ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h eh e t e r o t i ce f f e c to f4i o c iw a sd o m i n a n c ea n do f5 6l o c i ( a b o u t9 3 3 ) w a so v e r d o m i n a n c e t h e r e s u l ts u g g e s t e dt h a to v e r d o m i a n c ee f f e c tw a st h em a i ng e n e t i cb a s i so f h e t e r o s i sa ts i n g l el o c u sl e v e l 5 t h r e eq t l sf o rp h o t o s y n t h e s i se f f e c tw e r ef o u n dn e a rs s rm a r k e rr m l 5 3o nc h r o m o s o m e5 ( q n p r 5 i ) ，r m l 0 5o nc h r o m o s o m e9 ( q n p r 9 】) a n dr m 4 5 3o nc h r o m o s o m e1 2 ( q n p r l 2 n r e s p e c t i v e l y t h ea l l e l e sf r o my u a n j i a n gc o m m o nw i l dr i c e i nt h o s el o c ic o u l de n h a n c en e t p h o t o s y n t h e s i sr a t i oo ft h ep o p u l a t i o n s q n p r 5 1w a sd e t e c t e di nt h et w op o p u l a t i o n s ，t h a tc o u l d e x p l a i n e d7 a n d6 o f p h e n o t y p i cv a r i a n c ea n dw h i c ha d d i t i v ee f f e c tw a s5 9 4a n d3 7 9r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：c o m m o nw i l dr i c e ，i n t r o g r e s s i o nl i n e s y i e l dt r a i t ，n e tp h o t o s y n t h e s i sr a t e ，q t la n a l y s i s n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：i7 隆墙 时间： 2 。5 年6 月r 7 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：飞桂捣 导师签名：吾j 、， 专讳 时间：功o f 年6 月1 7 日 时间： z 瓯要年占月f 岔目 第一章文献综述 水稻是世界上三大主要粮食作物之一，通过品种选育以及栽培措施的改良，水稻的生产能力 得到了很大提高，但是随着耕地砸积的减少，生产投入的加大，环境污染日益加重等问题，特别 是目前水稻品种和杂交稻组合在产量、品质以及抗性等方面较少取得重大突破，使得水稻生产水 平长期处于徘徊不前的局面。杂种优势是生物界的一种普遍现象。e 1 2 0 0 t 纪3 0 年代美国在生产上 率先推广杂交玉米以来，主要农作物如小麦、玉米、水稻等谷类作物以及许多园艺作物如番茄、 洋葱、黄瓜等均在生产上广泛利用并获得了巨大成功。成为2 0 世纪推动农业生产发展的重大技术 创新。但是杂种优势的遗传分子机理还未完全阐明。 植物生理学研究证明，植物干重9 0 以上是通过光合作用合成的，而光合速率是衡量光合作 用效率的指标，因此提高叶片的光合效率可能是当前进一步提高水稻产量的一条切实可行的途 径。另外，随着分子标记技术的出现和发展，将常规育种和基因工程结合起来将可能是下一次作 物绿色革命的技术特征，如能在现有良好株型和杂种优势利用的基础上，组装高光效的生理性状， 可为水稻超级稻育种开拓一条新的途径。 本研究对产量性状进行杂种优势0 1 分析，以进一步探讨杂种优势遗传机理；将高光效基因 初步定位到染色体上，而后从分子水平研究光合速率，找到商光效基因，将高光效基因转入到高 产品种中，以进一步提高品种产量。 1 1 作物杂种优势研究进展 1 1 1 杂种优势定义 杂种优势是指两个遗传组成不同的亲本杂交所产生的杂种一代在生长势、生活力、生殖力和 抗逆性等方面至少优于双亲的生物学现象 1 1 2 杂种优势的度量方法 杂种优势的度量方法主要有以下几种( 潘家驹，1 9 9 2 ) ： ( 1 ) 平均优势：指杂种一代某一性状值偏离双亲平均值的比例。 i - i ( ) = ( f l m p ) m p x l 0 0 ，其中m p 为双亲平均值。 ( 2 ) 超标优势：指杂种一代某一性状值偏离对照品种或当地推广品种同一性状值的比例。 h ( ) = ( f l c k ) c k x l 0 0 ，其中c k 为对照。 ( 3 ) 超亲优势：指杂种一代某一性状值偏离最高或最低亲本同一性状值的比例。 h ( ) = ( f l h p ) h p x l 0 0 其中l i p 代表高值亲本； h ( ) = ( f l l p ) l p x l 0 0 ，其中l p 代表低值亲本。 ( 4 ) 杂种优势指数：是杂交种某一数量性状平均值与双亲同一性状平均值的比值，用百分 数表示。 ( 5 ) 杂种优势指数( ) = f l ，( p 1 + p 2 ) 2 x i 0 0 1 1 1 3 杂种优势的性状表现 杂种优势是生物界的一种普遍现象，杂交种在许多性状包括外部形态、生理生化指标以及照 终产量等均表现优势。 ( 1 ) 杂种一代的营养优势：苗期发芽力强，苗期分蘖力强，根系发达，分布广，扎根深，吸 肥力强；植株较高，茎秆粗壮；单株绿叶多功能期长。 ( 2 ) 杂种一代的产量优势：穗大，粒多，千粒重高。 ( 3 ) 杂种一代的品质优势：例如在小麦中蛋白质含量、赖氨酸含量、具有较弱的杂种优势( 宋 希云等，1 9 9 6 ) ，湿面筋含量和干面筋含量具有明显的优势( 赵万春等，1 9 9 5 ) 等。另外，有研 究认为作物的品质性状杂种优势和产量杂种优势呈负相关( 安浩军等，1 9 9 6 ) 。 ( 4 ) 杂种一代的抗逆性优势：杂种一代在抗倒、耐寒、耐早、耐贫瘠等方面均表现优势。 1 1 4 、杂种优势在生产上的应用 b e a k l 8 7 6 ) 研究玉米的杂交效应时指出生产上可以利用品种间杂种一代。m o r r o w 和g a r d n e r ( 1 8 9 3 ) 制定了生产玉米杂交种子的程序。s h u u ( 1 9 0 7 ) 也注意到玉米自交衰退，杂交有利的现 象，并于1 9 0 7 年正式称其为杂种优势( h e t e r o s i s ) 。s h u l l ( 1 9 0 2 - 1 9 0 9 ) 和e a s t ( 1 9 0 8 ) 几乎同时 在研究玉米的自交与杂交的作用，但是由于当时玉米的自交系产量低生产上商用杂交种子成本 高，致使玉米单交种未能投入生产。直到j o n e s ( 1 9 1 7 ) 提出利用玉米双交种的建议，才使玉米 杂种优势的利用得以实现。接着，在玉米生产上相继采用双交种、三交种、顶交种和综合种。统 计表明，1 9 3 4 年美国玉米杂交种只占玉米种植面积的0 4 ，到1 9 4 4 年已占到5 6 ，到1 9 5 6 年， 美国已经普及了玉米杂交种。由于自交系产量的提高，1 9 6 3 年开始推广玉米单交种 玉米杂交种的成功利用，推动了其他作物杂种优势利用的研究和发展高梁杂种优势的利用 开始于s t o p h a n s ( 1 9 3 7 ) 发现并育成细胞质雄性不育系，细胞质雄性系的发现使高梁杂种优势的 利用迅速推广开来，到2 ：0 世纪5 0 年代后期，美国已经基本上普及了高梁杂交种。 日本( 胜尾清，1 9 5 8 ) 最早开展了水稻杂种优势利用的研究，但是未能育成强优势杂交种。 虽然中国水稻杂种优势利用研究晚于日本( 1 9 6 4 ) ，但目前处于国际领先水平。从袁隆平于1 9 6 6 年报道发现了水稻雄性不育株1 9 7 0 年李必湖找到野败不育株开始，经过近1 0 年的大量研究， 我国1 9 7 5 年首先育成杂交水稻组合，并于1 9 7 6 年大面积推广。从1 9 7 6 年到2 0 0 0 年全国杂交 水稻累计增产粮食3 6 亿吨。近年来，全国每年种植杂交水稻面积为1 5 0 0 万1 6 0 0 万公顷，占水 稻总种植面积的5 0 左右，产量则占总产量的5 7 。 小麦杂种优势利用的研究开始于1 9 5 1 年，日本的本原均将普通小麦的细胞核导入尾形山羊 草( a e c a u d a t a ) 的细胞质中，产生了雄性不育系。1 9 6 2 年实现t 型三系配套。在世界上广泛采 用t 型三系来研制杂交小麦。美国在2 0 世纪7 0 年代曾经选育推广t 型杂交小麦，杂种小麦种植 面积曾占小麦总种植面积的1 。2 0 世纪8 0 年代杂种小麦没有明显增加。在中国，从1 9 6 5 年首 次从匈牙利引入t 型三系材料开始，进行了大量研究，目前已经培育出批新型不育系，以及光 温敏雄性不育系，拓宽了小麦杂种优势利用的途径。也已经培育出一批高产杂交小麦组合，但是 由于制种难度太、成本高等原因。至今杂种小麦在我国和世界范曝内未能像玉米、水稻、高梁等 作物那样得到广泛应用。 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章文献综述 油菜杂种优势利用的研究方面，不论是在各类雄性不育系的选育上，还是在三系杂交种的实 际应用上，我国均处于世界前列。我国的粟、棉花杂种优势的利用也有较好的进展。 近年来，蔬菜作物杂种优势在生产上得到了广泛应用。例如，美国的黄瓜、胡萝h 新品种中， 杂交种占8 5 7 * , ：洋葱新品种中，杂交种占8 7 5 ；菠菜则全是杂交种。我国在蔬菜杂种优势利 用方面研究进展也很快。在番茄、黄瓜、茄子、西葫芦、大白菜、甘蓝、萝h 、洋葱、菜豆、豇 豆、辣椒等蔬菜作物中已经选育出一批优良杂交种应用于生产。 目前，世界上已经利用和即将利用杂种优势的植物除上述介绍的以外，还有大麦、黑麦、燕 麦、向日葵，烟草、珍珠粟、大豆、甜菜、西瓜、笋瓜、南瓜、花椰菜、芹菜、豌豆、马铃薯、 葱、莴苣、在刁柏等( 卢庆善等，2 0 0 2 ) 。而且动物如家蚕、家禽、猪、羊、牛等中都发展了杂 种一代的生产利用( 李竞雄，1 9 8 3 ) 1 2 作物光合速率研究进展 1 2 1 光合速率定义 光合速率是指单位时间、单位叶面积固定的c 0 2 或释放0 2 或积累的干物质的数量，用 u m o l m - 2 s _ 2 表示。( 许大全，2 0 0 2 ) 1 2 2 光合速率的研究进展 自从知道作物是靠光合作用维持生命以来，人们就开始不断地研究光合速率与光合作用的关 系，以及光台速率与产量的关系。关于光合速率与产量的关系说法不一，有人认为光合速率与产 量成正相关，有人认为光合速率与产量成负相关，不同研究者的结论都具有合理性的一面，但都 不足以说明光合效率与产量的直接关系，谢立勇( 2 0 0 2 ) 指出水稻产量决定于光合面积、光台时 间、光合速率和物质分配。 随着分子标记技术的出现和基因工程的发展，人们开始研究将c 作物的高光效基因转入到 q 作物中，目前已有成功的例子，吴跃进等利用低能离子束介导法，将高光效的c 作物紫玉米 全d n a 导入光台效率较低的c ，作物一水稻旱籼2 1 3 种胚细胞中，并获得成功。郑乐娅等利用其 转基因水稻后代株系为材料，测定其光合速率，结果表明后代的光合速率与其亲本相比明显提高 ( 郑乐娅，2 0 0 2 ) 。最近还有将c 4 光合酶( p e p c ) 导入c 3 作物( 小麦) 的报道。其目的是创造 具有光台c 0 2 代谢酶话性的高光效、低呼吸品种。这就为提高c 3 作物( 包括水稻在内) 的总光 合能力开辟了新的途径( 李霞，2 0 0 1 ) 。 随后有人开始对控制光合速率的基因定位，滕胜等用z y q s j x l 7 的d h 群体定位到两个高 光效的q t l ，分别位于第4 染色体c 9 7 5 - r g 4 4 9 和第6 染色体g 1 2 2 - g 1 3 1 4 b 之间，分别解释了 1 7 4 * a 和1 4 8 的变异( t e n g 2 0 0 2 ) 。另外，赵秀琴等利用从热带地区筛选出的栽培稻与野生 稻远缘杂交的高光效后代材料，进行净光合速率测定，发现野生稻的净光合速率比栽培稻高( 赵 秀琴，2 0 0 2 ) 。 本研究将对光合速率进行初步定位，初步确定影响高光效的o t l 在染色体上的位置。 3 中国农业大学顽士学位论文 第章文献综述 1 3q t l 分析 作物的许多农艺性状和经济性状是数量性状，因此，研究作物数量性校的遗传对农作物育种 具有十分重要的意义，控制数量性状的基因称为多基因或微效基因，它们在染色体上的位置称为 数量性状基因座( q u a n t i t a t i v et r a i tl o c u s ，q t l ) 。一般地说，控制一种数量性状发育的o t l 数目很 多，单个q t l 的效应较小，又易受环境条件的影响，因此，研究难度很大。传统的数量遗传学 只能将控制一种数量性状发育的所有q t l 作为一个整体，用生物统计的方法加以分析这种研 究方法对数量遗传学的发展曾经发挥了重要作用，但无法区别单个q t l 对数量性状的贡献大小 及其与其它基因间的关系，更无法将q t l 定位在相应的染色体上，这极大地限制了数量遗传学 的进一步发展。 2 0 世纪2 0 年代，人们已开始利用遗传标记研究数量性状，但由于形态标记和生化标记的数 量有限，一直未能对整个基因组进行详细的分析要开展全面系统的剑儿定位，必须具备2 个 条件：高密度的遗传连锁图谱和相应的统计分析方法。1 9 8 0 年人类遗传学家b o t s e i n 等首先提 出基于d n a 水平变异的r f l p 可作为遗传标记手段，以后r f l p 等分子标记在遗传学上得到了 广泛的应用，并相继在水稻、大麦等作物上建成了r f l p 图谱。随着分子图谱的不断饱和，依据 r f l p 图谱的基因定位和基因克隆研究得到了迅速发展。尤其是对控制数量性状的微效基因的定 位取得了突破性进展。1 9 8 8 年，p a t e r s o n e t a l 提出，数量性状基因符台盂德尔遗传方式可以依 据饱和的分子图谱对其进行定位。从此，对数量性状基因的研究得到了广泛的开展。 1 3 1o t l 定位条件 饥l 定位要求目标性状在群体中分离明显，且符合正态分布。李平( 1 9 9 4 ) 提出选择亲本时， 应尽可能地选择性状表现差异大和亲缘关系较远的材料。 1 3 2 水稻分子遗传图谱 遗传图谱的构建是基因组研究中的莺要环节，是基因定位与克陵及基因组结构与功能研究的 基础。( 曹永国，1 9 9 9 ) ，连锁图谱构建的理论基础是染色体的交换和重组。 第一张水稻r f l p 图谱是m c c o u c hl e ta 1 ( 1 9 8 8 ) 以釉稻i r 3 4 5 8 3 1 9 - 3 - 3 和b u l ud a l a m 杂交 的f 2 为作图群体构建的。该图谱包含1 3 5 个r f l p 标记，覆盖了水稻基因组所有1 2 条染色体， 全长1 3 9 8 c m 。此后s a i t oe t 口j ( 1 9 9 1 ) 和k u r a t ae ta 1 ( 1 9 9 4 ) 又分别以f l l 3 4 ( 粳) x k a s a l a t h ( 籼) 和n p p o n b a r e ( 粳) x k u r a 纽( 籼) 的f 2 群体构建了包括3 3 1 个标记( 3 2 2 个r f l g 标记和 9 个形态标记) 和1 3 8 3 个标记( 其中r f l p 标记1 1 4 6 个) 的分子遗传连锁图谱。c a u s 酎口f ( 1 9 9 4 ) 利用栽培稻( o s a t i v a l ) b s l 2 5 与长药野生稻( o 1 0 n g i s t a m i n a t a l ) w 1 0 2 的回交群体也构建了 总共7 2 6 个标记( 主要是r f l p 标记) 的遗传连锁图谱。最近，日本水稻基因组计划( r i c eg e n o m e r e s e a c h 啪, r g r p ) 利用n i p p o n b a r e ( 粳) x k a s a l a t h ( 釉) 的f 2 群体构建了包含有2 2 7 5 个 标记的高密度的遗传图谱( h a r u s b i m a 甜a l ，1 9 9 8 ) 。这些图谱的构建为分子标记在水稻遗传育种 中的应用奠定了基础 4 中国农业大学硬士学位论文 第一章文献综述 1 3 3 定位群体 构建一个特定的作图群体，并获得该群体的标记基因型数据和数量性状表型数据是开展q t l 研究工作的前提。根据其遗传稳定性可将作图群体分为三大类：第一类为临时性分离群体，如f 2 、 f 3 、b c 和三交群体等。临时性群体容易获得，而且能提供丰富的遗传信息，可以同时估计加性 效应和显性效应。因此，早期q t l 研究多用这类群体，但该群体种中分离单位是个体，一经自 交其遗传组成就会发生变化，很难进行多年多点重复试验。第二类为永久性分离群体，如重组自 交系群体( r e c o m b i n a n ti n b r e dl i n e s , r i l ) 和加倍单倍体群体( d o u b l e dh a p l o i dl i n e s ，d h ) 等。这 类群体中分离单位是株系，不同株系间存在基因型的差异，而株系内个体间的基因型是相同且纯 合的，自交不发生分离。因此，可以进行重复区组试验，把区组效应、重复效应和随机误差分解 开来，增加检测q t l 的准确性。但是，构建r i l 群体需要很长时间；构建d h 群体也要受到基 因型的限制，难度较大：此外，该群体不能估计显性效应临时性分离群体和永久性分离群体在 q t l 定位方面存在共同的局限性，即对q t l 的精确定位能力不强，对效应小的伽几检测能力有 限，增加群体大小和分子标记数目也只能在一定程度上缓解这种局限性第三类为近等基因系 ( n e a r - i s o g e n i cl i n e s ，n i l ) ，其基本特征是整个染色体组的绝大部分区域完全相同，只在少数几个 甚至一个区段存在差异因此，它能使基因组中只存在一个或几个q t l 分离，消除其它背景干 扰并消去主教q t l 对微效q t l 效应的掩盖作用，大大提高了q t l 定位的准确性。尽管近等基因 系构建时间长，工作量大，但近等基因系对q t l 分解和精确定位的独特优越性使其成为分离和 克隆q t l 的理想群体。 1 3 4q t l 定位方法 利用分子标记正确进行q t l 定位及其效应的估算有赖于o t l 作图的统计模型方法。自8 0 年代以来，已相继提出了2 0 余种作图的统计方法，目前常用的o 【l 作图方法主要有方差分析法、 区间作图法( l a n d e r & b o t s t e i n ，1 9 8 9 ) 、多元回归法( b r i d g e s m ，1 9 9 3 ) 、精确作图法( z e n g 1 9 9 4 ) 等用这些方法可把数量性状定位在连锁图上，找到与其连锁的分子标记。从而指导育种实践。 方差分析法( a n a l y s i so f v a r i a n e e , a n o v a ) 这是以传统的单因子方差分析测验被研究数量性状在标记基因型问差异的显著性即通过方 差分析、回归分析或似然比检验，比较不同标记基因型数量性状均值的差异。如存在显著差异， 则说明控制该数量性状的q t l 与标记间有连锁。由于单一标记分析不需要完整的分子标记连锁 图谱，因而早期的c r r l 定位研究多采用这种方法。这种方法直观而简便，其统计基础也较为可 靠a 惠大丰等( 1 9 9 7 ) 研究表明，a n o v a 虽然难以精确定位。但其发现q t l 的能力很高。此外 a n o v a 无法估计标记与q t l 之间的重组率，对q t l 位置和效应的估计容易产生偏差。 区间作图法( i n t e r v a lm a p p i n g , i m ) 此方法是l a n d e r b o t s t e i n 于1 9 8 9 年提出来的它是以正态混合分布的最大似然函数和简 单回归模型为基础，并借助完整的分子标记连锁图谱，计算基因组中任一相邻标记间的任一位置 上存在q t l 和不存在q t l 的似然函数比值的对数( l o d 值) 。根据整个染色俸上各点的l d d 值 5 中国农业大学硕士学位论文。 第一章文献综述 可以绘出一个o t l 在该染色体上存在与否的似然图谱。当l o d 值超过某一给定的临界值时，( y i l 的可能位置可用l o d 值支持区间表示出来。讧法己广泛应用于人类遗传研究，并被认为是构建 q t l 图谱的标准统计方法。但该方法定位的q t l 区间往往过宽，当同一性状在同一染色体上有 两个或两个以上q t l 时，常常会标错o 几的位置。 复合区间作图法( c o m p o s i t ei n t e r v a lm a p p i n g , c i m ) 这是z e n g 于1 9 9 4 年在区间作图法基础上发展起来的新的作图法。该方法对某特定标记区 间进行检测，同时把与其它q t l 连锁的标记也拟合在模型中以控制背景遗传效应。假定不存在 上位性效应和基因型与环境的互作效应，用类似于区间作图的方法获得各参数的最大似然估计 值，计算似然比并绘制各染色体的似然图谱，根据似然比统计量的显著性获得q t l 可能位置的 标记区问。该方法保留了区间作图的优点，在较大程度上控制了遗传背景和遗传效应，提高了作 图的精度和效率但此方法不能分析上位性和o t l 与环境互作等复杂的遗传学闯题，在q 1 l 定 位和效应估计时易出现偏差。 混合线性模型方法( m i x e dm o d e la p p r o a c h e s , m m a ) 1 9 9 8 年，朱军等提出用随机效应的预测方法获得基因型效应及基因型x 环境互作效应的预测 值，然后再用区间作图法或复合区间作图法分别进行遗传主效应及基因型x 环境互作效应的q t l 定位分析，并给出了发育性状的条件q t l 定位分析法。y a he ta 1 ( 1 9 9 8 a ，1 9 9 8 b ) f f 该法对水稻分蘖 数和株高进行了发育q t l 定位研究。与复合区间作图方法相比，用混合线性模型方法可避免所 选标记对q t l 效应分析的影响，还能无偏地分析q t l 与环境的互作效应。基于混合线性模型的 复合区间作图方法，可以扩展到分析具有加加、加x 显、显x 显上位性的各项遗传主效应及其与 环境互作效应的q t l 分析。利用这些效应估计值可预测基于o t l 主效应的普通杂种优势和基于 q t l 与环境互作效应的互作杂种优势，并可直接估算个体的育种值，从而提高遗传育种效率。 1 3 5 水稻q t l 定位研究进展 随着水稻分子标记的广泛应用，水稻q 1 m 定位研究取得了很大的进展。 g r a m e n e ( h t t p ：w w w g r a m e n e o r g ) 网站收集了水稻、玉米和野生稻的q t l 研究结果，发展了 g r a m e n eq t l d a t a b a s et e l1 1 数据库，共收集了4 ，8 5 1 个f i l l 。该数据库提供o w l 的染色体位置 以及该研究结果的出处。以抽穗期为例，登录h t t p ：w w w g r a m e n e o r g d b q f l ：i s p l a y 网页，在“s e a r c h f o r 处输入“d a y st oh e a d i n g , 总共得到1 6 9 条前人关于抽穗期的q t l 分析结果。所有o t l 均来自栽培稻和野生稻基因组，其中来自野生稻基因组控制抽穗期的q t l 共有6 个，分布在第1 ， 2 ，3 ，5 和6 染色体上，其余1 6 3 个抽穗期q t l 均来自栽培稻分布于水稻基因组的1 2 条染色 体其中第6 和7 染色体抽穗期0 1 儿较多，分别有2 0 个和2 5 个q t l ，而第9 和i i 染色体上检 测到的控制抽穗期的口r l 较少分别为3 个和4 个q t l 。 1 3 6 水稻q t l 克隆研究进展 通过定位分析初步确定控制某一性状q t l 的染色体位置，然后通过近等基因系的构建和图 6 位克隆法分离目标o t l 。成功克隆q t l 的报道已经很多了，水稻中已经克隆了控制株高的 d w a r f i ( a s h i k a r i e t a l 1 9 9 9 ) 和s d i ( s a s a k i e t a l 2 0 0 2 ) ，控制分蘖的m o c i 基因( i je t a l 2 0 0 3 ) ， 控制抽穗期的h d l ( y a n oe t a l 2 0 0 0 ) 和h d 6 ( t a k a h a s h ie t a l 2 0 0 1 ) 等基因。q t l 的成功克隆进 一步证明了o t l 分析的科学性和可行性。 1 4 水稻产量相关性状o t l 定位研究进展 在水稻上，m c m o u c he t 口z ( 1 9 8 8 ) 构建了第一张r f l p 图谱，随后利用分子图谱定位水稻农艺 性状q t l 的研究不断提出，其中以产量相关性状的q t l 定位报道最多( 见表1 1 ) 。下面对水稻 产量相关性状的q t l 定位研究作一综述。 1 4 1q t l 数目及其表型效应 从表1 - 1 可以看出，目前已检出的单个农艺性状的f f r l 数目在1 1 1 个之间，平均每个性状 检测到3 2 个，已检出的q t l 贡献率在1 5 1 - 6 6 7 ，大多数集中在1 0 左右，4 5 1 个o t l 的 平均贡献率为1 1 6 7 。效应较大的q t l ( 贡献率 1 5 ) 在大多数研究中都能被检测到，同时每 个性状总能检测到效应相对小的q t l ，这充分说明数量性状是由主效基因和微效基因共同控制 的。t a a k s l e ) ( 1 9 9 3 ) 指出q 1 凡的检出受群体大小、阐值、标记数以及目标性状遗传率等条件的限 制。由于以上几个条件的影响，目前所检出的各性状q t l 数目仍比较少，特别是一些效应较小 的q t l 很可能尚未被检测出来。在其他条件不变的前提下。通过降低阈值可以增加检出效应微 小的q t l 数量，但难以确定这些q 1 凡是真的微效讲【l 还是假阳性。y a n o e t a l ( 1 9 9 ) i 开究发现， 目标性状的遗传率在2 时检测o t l 的精确度是极差的，遗传率小于2 的精确度会更差 可见目前对t t r l 的分析仍建立在统计分析的基础上，缺乏十分完善的分析方法及相应分 析基因间互作的软件，因此难以精确地估计o t l 对表现型的贡献大小。 1 4 2q t l 相关的染色体区域 由表i - i 可以发现控制农艺性状的q t l 在染色体上分布不均匀。在不同群体中，产量相关性 状的a r l 主要集中在染色体1 - 6 ，影响株商的o t l 主要在染色体1 7 而影响抽穗期的q t l 主 要在第3 、6 、7 、8 和1 0 染色体。相比之下，染色体9 - 1 2 上定位的q t l 相对较少，在4 5 1 个q t l 中，这4 条染色体共定位了7 1 个q t l 。此外，在同一染色体上还定位到影响相同性状的多个位 点，如第5 染色体共定位了1 5 个影响千粒重的q t l 。另外控制同一性状的q t l 在不同群体、不 同的杂交组合中检测到的结果不尽相同，这给o t l 在实际育种中应用受到限制。因此，有必要 进一步用不同群体、不同杂交组台在多个环境下进行同一性状的q t l 定位，以弄清控制同一性 状的一整套o t l 。同时，找出在不同群体、组合中控制同一性状的相同q t l 位点，以便在实际 育种中加以应用。 1 4 3q t l 作用模式 1 4 3 1 互作效应 7 中国农业大学硕士学位论文 第一章文献综述 近年来有些q t l 定位研究中也开始涉及基因间互作。要分析q t l 等