（作物遗传育种专业论文）利用RIL群体定位玉米苗期根系QTL的研究.pdf

中文摘要 根系不仅仅是作物营养的主要吸收器官，而且对整个植株有支持作用。大量的研究工作证 明，不同品种之间根系性状有很大的差异且与地上部性状密切相关。作为全球重要的粮食作物之 一，玉米无论是在保证全球粮食供给方面，还是在生物学理论研究方面都起着相当重要的作用。 玉米重要性状q t l 定位是利用分子标记辅助选择的前提条件，对于提高育种准确性和预见性有 重要意义。本研究以玉米杂交种豫玉2 2 的r 1 l s 群体为材料，采用沙培体系，取材后并以单株苗 为单位用透射光扫描整个根系( a m e r s h a m ，u m a x ) ，转化为图像信息，用w l n r h i z o 根系图像 分析系统( r e g e n ti n s t r u m e n tl n c ，q u e b e c ，c a n a d a ) 对这些扫描图像进行数据处理，获得表型性状 值。利用覆盖玉米全基因组的分析标记连锁图，对玉米苗期根系性状进行q t l 定位，并分析其 遗传效应。本研究的主要结果如下： 1 、用8 4 5 对s s r 引物对亲本综3 和8 7 1 进行多态性检测，获得2 8 5 个共显性标记位点。利 用m a p m a k e r 3 ，0 作图软件将2 5 9 个共显性s s r 分子标记划分为1 0 个连锁群，构建了一张玉米重 组自交系群体分子标记连锁图，图谱总长度为2 6 5 8 6 c m ，相邻两标记间的平均距离为1 0 2 6 c m 。 该图与已经发表的玉米分子遗传图谱基本一致。 2 、分别获得三个时期亲本和群体的总根长，根表面积，根体积、一级侧根分支数，平均直 径，根尖数的表型数据。不同时期裉系各表型指标除平均直径乡 增长都非常迅速，在玉米根发育 的过程中存在着明显的发育动态。除三个时期的平均直径和发芽后四天的体积外，在整个发育时 期，两个亲本的各性状指标全部低于r j l 群体的均值。由此可见，整个群体存在明显正超亲或显 著超亲分离。 3 、利用复合区间作图法进行根系性状q t l 定位，其中总根长，三个不同时期共检测到4 个 主效q t l ，分别位于第4 和5 染色体上。表面积，三个时期麸检测到4 个主效q t l ，分别位于 3 、4 、5 染色体上。平均直径在三个时期共检测到5 个主效q t l 分别位于第6 、7 和i o 染色 体上。体积，在三个时期共检测到4 个主效q t l ，分别位于第1 、4 、5 、8 染色体上。根尖数， 在三个时期共检测到控制根尖数的5 个主效q t l ，分别位于第3 、4 、5 、8 、1 0 染色体上。一级 侧根分支数，在三个时期共检测至控制一级侧根分支数的5 个主效q t l ，分别位于第1 、2 、4 、 7 染色体上。单个o t l 解释的表型遗传变异在5 5 2 4 5 之间。 4 、本研究中所定位的q t l 与其他群体所定位的根系相关的q t l 具有相同或相似的染色体 区间，其中，在定位根q t l 的染色体热点区域( 1 0 6 ，2 ，0 3 ，1 0 0 4 ，8 ，0 6 ) 本研究也同样定位到 了相应位置的q t l ，例如：r v i l ( 4 ) ( b i n l ，0 6 ) ，g a 2 - 1 ( 1 4 x b i a 2 0 3 ) ，r 1 1 0 一l ( 4 ) ( b i n l 0 0 4 ) 。 5 、利用玉米和水稻的分子标记比较图谱，分析了控制根系性状的q t l 的染色体位置。结果 表明玉米控制玉米根系的q t l 与控制水稻的q t l 存在着广泛的同源性关系。本研究在其染色体 的同源区段同样定位到了相关的q ，r l r t l 5 - 1 ( 1 4 ) ( b i n 5 0 3 ) ，r n t 8 一l ( 9 ) ( b i n 8 0 5 ) ，r t l 5 1 ( 1 4 ) ( b l n 5 0 4 ) ，k n t 4 2 ( 4 ) c o i n 4 0 5 ) 。 关键词：分子标记，重组自交系，数量性状位点( q t l ) ，根系，玉米 a b s t r a c t r o o ts y s t e m so fc o r ns e r v em a n yf u n c t i o n sa m o n gw h i c ha n c h o r a g eo ft h ep l a n ta n du p t a k eo f w a t e ra n dn u t r i e n t sa r et h em o s ti m p o r t a n to n e s i m p r o v e m e n tf o rr o o tt r a i t sc o u l dl e a dt oi m p o r t a n t b e n e f i t sf o ri n c r e a s i n ga n ds t a b i l i z i n gy i e l d ，p a r t i c u l a r l yu n d e rd r o u g h tc o n d i t i o n s m a i z ep l a y sav e r y i m p o r t a n tr o l en o to n l yf o rt h ec e r e a lc r o po v e rt h ew o r l d ，b u ta l s of o rt h eb a s i c a lb i o l o g i c a ls t u d y r e c e n t l y ，t h er a p i dd e v e l o p m e n to f m o l e c u l a rm a r k e r st e c h n o l o g yp r o v i d e sag r e a to p p o r t u n i t yt os t u d y t h eg e n e t i cf a c t o r su n d e r p i n n i n gt h ev a r i a t i o no fq u a n t i t a t i v et r a i t s i nt h i ss t u d y , ar i lp o p u l a t i o n d e r i v e df r o ma ne l i t em a i z eh y b r i d ( y u y u 2 2 ) w a su s e da sm a t e r i a l s ，w h i c hw e r eg r o w nu n d e rt h es a n d c u l t u r e t r a i td a t ao ft h e i rr o o t si ns e e d l i n ga f t e r4 ，9 ，a n d1 4d a y so fg e r m i n a t i o nw a se v a l u a t e dw j t l l w i n r h i z o ，a no p t i c a l s c a n n e r - b a s e di m a g ea n a l y s i ss y s t e m w i t ht h eg e n e t i cm a pb ys s rm a r k e r s ， q t la s s o c i a t e dw i t h r o o t sw e r em a p p e di no r d e rt oe x p l o r et h eg e n e t i cb a s i so f m a i z er o o t s t h em a j o rr e s u l t sa r ea sf o l l o w s 1 ag e n e t i c l i n k a g em a pc o n t a i n i n g2 5 9s s rp o l y m o r p h i cm a r k e r sw a sc o n s t r u c t e d ，w h i c h s p a n n e dat o t a lo f2 6 5 8 6 e mw i t ha l la v e r a g ei n t e r v a lo f1 0 2 6 c m c o m p a r e dw i t ho t h e rp u b l i s h e d m a i z el i n k a g em a p s ，m a r k e ra l i g n m e n t sa n di n t e r v a l sw e r ei na g r e e dw i t ht h e m 2 ，t o t a ll e n g t h s ，s u r f a c ea r e a s ，r o o tv o l u m e sa n dn u m b e r so fl a t e r a lr o o t s ，n u m b e ro fr o o tt i p s ， a v e r a g ed i a m e t e rw e r ee v a l u a t e d t h ed a t ar e v e a l e dt h a tt h eg r o w i n go ft r a i t se x c e p ta v e r a g ed i a m e t e r h a do b v i o u sd y n a m i cc h a r a c t e r s a n dt h em e a n so ft w op a r e n t sw e r el o w e rt h a nt h er i lp o p u l a t i o n e x c e p ta v e r a g ed i a m e t e ri nt h r e et i m e sa n dv o l u m ea f t e rd a y s4o fg e r m i n m i o n a s ar e s u l t , t h e p o p u l a t i o ns h o w e do v e r - p a r e n ts e g r e g a t i o n 3 q t la f f e c t i n gd e v e l o p m e n t a lb e h a v i o ro f r o o tw e r em a p p e db a s e do i lt h ec o m b i n i n ga n a l y s i s o fc o m p o s i t ei n t e r v a lm a p p i n gm a p p i n gm e t h o d t o t a l l y2 7q t la f f e c t i n gr o o tw e r ed e t e c t e do ne i g h t d i f f e r e n tc h r o m o s o m e s t h ec o n t r i b u t i o n sl op h e n o t y p i ev a r i a t i o n sf o rt h es i n g l eq t lv a r i e df r o m5 5 t 0 2 4 5 t h er e s u l t sr e v e a l e dt h a tg e n e sc o n t r o l l i n gr o o th a do b v i o u sd y n a m i cc h a r a c t e r s 4 b a s e do nt h eb i nf r a m e w o r ko ft h eu m cr e f e r e n c em a p , t h ep r e s e n t l ya v a i l a b l eo nq t lf o r r o o tt r a i t si nm a i z ei n c l u d i n go u rs t u d yw e r ec o m p a r e d m a n yq t lh a dt h es a b l eo rs i m i l a rb i n i o c a t i o n si ne x p e r i m e n t a lm a t e r i a l sw i t hd i f f e r e n tg e n e t i cb a c k g r o u n d f o re x a m p l e ，r v i 1 ( b i n i ，0 6 ) ， r n 2 1 ( b i n 2 0 3 ) ，r 1 1 0 - 1 ( b i n l 0 0 4 ) 5 ， b a s e do nm o l e c u l a rm a r k e rl i n k a g em a p so f r i c ea n dm a i z e ，t h es y n t e n i er e l a t i o n s h i p so f q t l w e r ec o m p a r e df o rr o o tt r a i t sb e t w e e nm a i z ea n dr i c e m a n yq t lc o n t r o l l i n gs a m eo rs i m i l a rt r a i t si n m a i z ea n dr i c eh a dc o r r e s p o n d i n gl o c a t i o n sa n dc o n s e r v e ds p e c i f i c i t y , w h i c hs u g g e s t e dac o m m o n o r i g i na n dc o n s e r v e df u n c t i o n a l i t yo f t h eg e n e su n d e r i y i n gt h eq t l k e yw o r d s ：m a i z e ，s s rm a r k e r , r o o t ，q t l ， r i l i l 独创性声明 r 7 7 4 4 8 2 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：璇锹 时间：埘年朔幻日 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：璇钳炙 时问：川肄月岫日 导师签名 秀坳 时间：彻j 年多月r 中国农业大学硕士学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 玉米在农业生产中的重要地位 玉米既是全球重要的粮食作物，也是重要的饲料作物，而且还是某些食品和非食品工业必需 的原料。玉米是多种商业产品的成分，例如胶、肥皂、油漆、杀虫剂、牙膏、剃须膏、橡胶轮胎、 人造丝、模压塑料等等( f u s s e l l ，1 9 9 9 ) 。1 9 9 6 年前，我国玉米的种植面积仅小于水稻和小麦，居 第三位，1 9 9 6 年后，玉米总产量和单位面积产量超过小麦居禾谷类作物的第二位( 戴景瑞，2 0 0 0 ) 。 在2 1 世纪，随着我国人民生活质量的不断提高，对饲料玉米和玉米加工产品的需求量将会e l 益增 加：我国人口的增加也将进一步加剧对农业生产的压力，尤其是在我国加入w t o 后，玉米作为 一种最容易转化的禾谷类作物，其产品在国内外市场有广阔的利用前景，为玉米产业的发展提供 了新的机遇。在另一方面，玉米以其特有的雌雄同株异花等生物学特性，一直被作为遗传学研究 的模式植物，在过去1 0 0 多年中世界上许多科学家从个体，细胞和分子水平对玉米进行了深入的 的研究。由此可见，玉米无论是在保证全球粮食供给方面，还是在生物学理论研究方面都起着相 当重要的作用。 1 2q t l 研究进展 1 2 1 遗传图谱 作物许多重要性状，如产量、株高、品质等复杂的数量性状，受多个数量性状基因位点( q t l ) 和环境因子的共同作用，但是，传统的数理统计无法确定控制数量性状的q t l 在染色体上的位 置以及单个q t l 的遗传效应。分子标记的飞速发展，特别是以r f l p 为代表的分子标记的出现， 为商精度的植物遗传图谱的建立提供了可能。 1 2 1 1 遗传标记 所谓遗传标记是指可以明确反映遗传多态性的生物特征( 方宣钧等，2 0 0 0 ) 。依研究水平不 同，植物个体、细胞、分子水平都有相应的遗传标记，它们分别是表型标记、细胞学标记、蛋白 质标记、分子标记等，其中以分子标记种类晟为丰富。分子标记技术是以检测生物个体在基因或 基因型上所产生的变异来反映基因组之间的差异( 吴谡琦等，2 0 0 1 ) 。分子标记的主要特征是：基 于d n a 水平的多态性，直接反映d n a 序列的差异：数量丰富，遍及全基因组；遗传稳定，呈简 单孟德尔遗传，便于利用：不受环境影响，可| 三i 在不同组织不同发育阶段进行分析，因而应用十 分广泛。 1 2 1 2 作图群体 连锁图谱构建的遗传材料是分离群体用于作图的分离群体又称为作图群体。根据其遗传稳 定性可将分离群体分成两大类：一类称为暂时性分离群体，这类群体分离单位是个体，已经自交 或近交其遗传组成就会发生变化，无法永久使用。临时性分离群体包括单交组合产生的f 2 及其衍 生的f 3 、f 4 家系，回交群体以及三交群体等。另一类称为永久性分离群体，这类群体中分离单位 是株系，不同株系之间存在基因型的差异，而株系内个体闻的基因型是相同且纯台的，是自交不 分离的。这类群体可通过自交或近交繁殖后代，而不会改变群体的遗传组成，可以永久使用。永 久性分离群体主要包括重组自交系群体( r e c o m b i n a n ti n b r e dl i n e s ，r l ) 和双单倍体群体( d o u b l e d h a p l o i dl i n e s ，d h ) 。 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 精确定位 能力不强，对效应较小的q t l 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，同时增加了d n a 标记分析的费用。 1 2 1 3 构建图谱的计算机软件 构建植物分子连锁图谱常用的软件是： ( 1 ) m a p m a k e r e x p 3 0 ，用于构建遗传连锁图谱并利用连锁图谱进行复合性状基因定位，处 理的群体包括b c 】、f 2 、r i l s 和全同胞家系等。 ( 2 ) j o i n m a p 2 0 用于构建遗传连锁图谱，但在p c 机上没有提供图形输出化功能，适合b c l 、 f 2 、r i l ；、d h 和全同胞家系等，每个连锁组可以处理5 0 0 个标记。 ( 3 ) c r l m a p ，用于构建多位点连锁图谱。( 方宣钧等，2 0 0 0 ) h e l e n t j a r i s 等( 1 9 8 6 ) 发表了首张玉米r f l p 连锁图谱，随后，c o e 等( 1 9 8 7 ) 和b u r r 等( 1 9 8 8 ) 分别构建了一张基于玉米f 2 群体和重组自交系的r f l p 分子标记连锁图。g a r d i n e r 等( 1 9 9 3 ) 把 c o e 等人构建的玉米f 2 群体进一步发展成为永久“f 2 群体”，并在此基础上公布了晟新的连锁图， 这张图包括先前发表的“核心”探针在内，共2 1 4 个位点。v u y l s t e k e ( 1 9 9 9 ) 等利用b 7 3 m 0 1 7 和 d 3 2 d 1 4 5 两个作图群体，构建了分别包含1 5 3 9 和1 3 5 5 个a f l p 分子标记的遗传图谱ax u 等 r 1 9 9 9 ) 年t j 用r f l p 、s s r 、a f l p 等标记构建了一张高密度抗甘蔗花叶病毒的玉米图谱。向道权等 ( 2 0 0 1 ) 构建了包含1 2 4 个r f l p ，8 0 个s s r ，2 6 3 个a f l p 标记的玉米连锁图。n a t a l y a 等( 2 0 0 2 ) 以永久b 7 3 m o l 7 群体( i b m ) 为基础，整合了另两个作图群体( i f 2 和c e w 6 ) 的数据，构建 了一个s s r 分子标记连锁图，其中包含t 9 7 8 个s s r 标记。水稻基因组计划( r g p ) 的研究小组利 用n i p p o n b a r e , r k a s a l a t h 的1 8 6 个f 2 植株，构建了包含2 2 7 5 个标记，覆盖水稻基因组1 5 2 1 6 cm 的 连锁图( h a r u s h i m a e ta 1 ，1 9 9 8 ) ，随后，他们又构建了一个更密标记的连锁图谱，新增标记9 9 2 + ， 使遗传图谱上的标记增加到3 2 6 7 + 。x i o n g 等( 1 9 9 8 ) 利用o r u f i p o g o r g o s a t i v af 2 群体作图，整 合美国和日本水稻连锁图上的4 0 0 多个r f l p 标记，定位7 2 8 个s s r 标记和1 7 2 个a f l p 标记。小麦 的r f l p 连锁图主要有两套：英国构建的有5 2 0 多个标记，美国和法国构建的有8 5 0 个标记( n e l s o ne l a 1 1 9 9 5 ) 。其他作物，如西红柿( b o n i e r a b l ee la 1 ，1 9 8 8 ；t a n k s l e ye ta 1 ，1 9 9 2 ) 、大麦( k l e i n h o f se la 1 ， 1 9 9 3 ) 和高粱( h u l b e r te la 1 ，1 9 9 0 ) 的遗传图谱也已相继建立一 2 1 2 2 数量性状q t l 定位方法 1 2 2 1q t l 定位的分析方法 q t l 定位就是采用类似单基因定位的方法将q t l 定位在遗传图谱上，确定q t l 与遗传标记间 的距离( 以重组率表示) ( 盛志廉和陈瑶生1 9 9 9 ) 。 根据个体分组依据的不同，现有的q t l 定位方法可以分成两大类：一类是以推知该标记是否 与q t l 连锁( m a r k e r - b a s e da n a l y s i s ，m b a ) ( k e i g h t l e ya n db l f i e t d ，1 9 9 3 ) 。如果某标记与某个( 些) q t l 连锁，那么在杂交后代中，该标记与q x l 间就会发生一定程度的共分离，因此，该标记的不同基 因型在( 数量) 性状的分布、均值和方差上将存在差异分析这种差异，即可推知该标记是否与q t l 连锁。 另类q t l 定位方法是以数量性状表型为依据进行分组的，称为基于性状的分析法 ( t r a i t - b a s e da n a l y s i s ，t b a xm o r e n o - g o n z a l e z ，1 9 9 2 ) 。在一个分离群体中，选择高低两种极端表 型个体，分成两组。若某个标记与q t l 有连锁，则它的基因型分离比例在两组中都会偏离盂德尔 规律。检验这种偏离，就能推知该标记是否与q t l 连锁。t b a q a 还有一种更简单的做法，称为混 合分离分析法( b u l k e ds e g r e g a t i o na n a l y s i s b s a ) ，它是将高、低两组极端表型个体的d n a 分别混 合，形成两个d n a 池，然后分析两池间的遗传多态性。在两池间表现出差异的标记即被认为与 q t l 连锁。t b a 法可以减少分子标记分析的费用，但是，它只能用于单个性状的q t l 定位，灵敏 度和准确度都较低。t b a 法目前用得不多，主要还是采用m b a 法。 1 2 2 2q t l 分析的展望 在所研究的作图群体中，只有当多态性位点上序列的差异引起了所调查性状表型值的变化 时，q t l 才能被定位出来。尽管一些位点在决定性状表型值之中起到了关键的作用，但在被应用 的作图群体中却没有表现出序列上的差异，q t l 分析也不能检测到这些位点。由于，驯化已经造 成栽培种基因库中等位基因多态性的严重减少，因此，应用一个栽培种和一个野生近缘种杂交所 组建的作图群体将可以定位到新的或在栽培种的基因库中未出现过的非常具有农艺价值的q t l 。 高代回交群体( a d w a n c e d b a c k e r o s s q t l a n a l y s i s , a b q a ) 的目标就是在把q t l 定位和品种改良 融为体的同时，能够快速的定位和开发有益的q t l 位点( t a n k s l e ya n dn e l s o n ，1 9 9 6 ) 。高代回交 群体已经证明了其在番茄和水稻探索外源种质时的价值( b e m a c c h ie ta 1 ，1 9 9 8 ；t a n k s l e ye ta 1 ，1 9 9 6 ； x i a o e l a l ，1 9 9 8 ) 其在玉米和大麦中的应用已经在进行之中( h a r j e s e la 1 ，1 9 9 9 ；f o r s t e re ta 1 ，2 0 0 0 ) 。 由于在选育适用于现代耕作条件的品种的过程中，很可能引起控制根系尺寸和形态建成的位点中 的等位基因的变异因此，根系将是一个应用高代回交群体相当好的候选性状。 通常，q t l 定位所用的群体都是由在目标性状上存在差异的两个亲本所组配的两个纯系亲本 的杂交后代或其衍生系。这种方法的缺点之一是所定位的结果通常不能推广到其他的遗传背景中 去。最近发展的基于连锁不平衡的关联分析所用的遗传材料是自然群体，所以不存在这个缺点 ( m e u w i s s e na n dg o d d a r d 2 0 0 0 ) 。随着高通量d n a 图谱技术平台的建立，这种分析方法在q t l 发 现方面起到越来越重要的作用，可i ；王作为q t l 定位的一种替代方法( b h a t t r a m a k k ie ta 1 ， 2 0 0 2 ；r a f a l s k i ，2 0 0 2 ；j a e c o u de la 1 ，2 0 0 0 ) 。t h o m s h e r r y 等( 2 0 0 1 ) 对9 2 个玉米自交系的d w a r f i ，基因进行 3 中国农业大学硕士学位论文 第一章文献综述 序列分析，发现玉米抽穗期- 与d w a r f 8 基因序列的多态性相关，不同的单倍型对应着不同的抽穗期。 尽管，目前还没有获得对出现在玉米种质资源中连锁不平衡的水平的估计，这种方法很可能成为 一种定位q t l 中候选基因的替代方法之一。 另一种具有利用前景的方法是通过微阵列分析大规模的转录组表达谱来发现q t l 。将这种技 术应用到作图群体的后代就有可能在m r n a 水平上或在整个基因组水平上发现成千上万个基因 的q t l 。如果己知一个物种的全基因组序列，例如苡南芥和水稻，那么整个基因组上的基因在 m r n a 水平上的q t l 都有可能发现。z i n s e l m e i e r 等( 2 0 0 2 ) 等应用目标性状和非目标性状的基因表达 谱来研究玉米在生殖发育时期对胁迫的敏感性。他们所研究的时期是植物在大田抗干旱的时期， 即光合产物运输到果穗之后的时期。另外，大量的微阵列数据已经通过公共基金项目整合在起 ( h t t p ：w w w z m d b i a s t a t e e d u ) 。然而，构建作图群体的转录组表达谱需要大量的样本，这样用这 种方法鉴定转录数量位点的成本将增高。一种更为现实的做法是用m r n a 表达谱来研究有限基因 型在转录水平上的表达变化，例如转基因系，近等基因系，双单倍体系( b d l ? ) 等等。应用转 录组微阵列分析的一个主要的局限性是微阵列中有可能不包括低丰度的m r n a ，当然，如果微阵 列中包括一个物种的全部基因时就不存在这种局限性。封闭结构系统的差异基因表达分析可由开 方结构系统的差异基因表达分析替代，例如基因表达系统分析( s a g e ) 和g e n e c a l l i n g 。b r u c e 等 ( 2 0 0 1 ) 用g e n e c a l l i n g 方法分析根系相关性状存在差异的两个玉米自交系整个根系的差异表达分 析，在两个生长时期得到大约1 3 5 0 0 个e d n a 片段，其中6 9 个在两系间表现出两倍或更大量的差异， 表明这些与根的固定性状相关。将6 9 个基因与公布的已知序列进行匹配，选择7 个进行进一步研 究，其中5 个鉴定为已知的基因。另外，在此研究中，有趣的是可以验证玉米的根性状q t l n 产 量性状q t l 是否定位在这些基因的附近或者定位在调控它们表达水平的转录因子附近) 。 另一种方法是定位影响蛋白质数量的q t l ( p q lp r o t e i nq u a l i t yl o c u s ) ，这一定义 首先由d a m e r v a l 等提i 出( 1 9 9 4 ) ，并在一系列玉米研究中被应用( d ev i e n n ee ta 1 ，1 9 9 9 ；t h i e l l e m e n te t a 1 ，1 9 9 9 ；z i v ya n dd ev i e r m e ，2 0 0 0 ) 。一个p q l 位点与一个编码蛋白质的位点重叠表明这一位点的等 位基因的差异将影响蛋t t 质的表达，而一个p q l 与一个控制其它性状的q t l 共同定位在同一个位 置上则可推断出在候选蛋白和性状变异之间存在着某种相关性。最后，在大规模的代谢谱技术的 飞速发展中( r a m n s d o n ke ta 1 。2 0 0 1 ) ，我们将更加注重对影响根系结构和功能的分子的寻找。 1 2 2 3q t l 精细定位 影响q t l 初级定位灵敏度和精确度的最重要因素还是群体的大小，但在实际研究中，限于 费用和工作量，所用的初级群体不可能很大，即使改进统计分析方法，也无法使初级定位的分辨 率或精度达到很高，估计出的q t l 位置的置信区间一般都在1 0 c m 以上( z e n g 1 9 9 4 ) ，因而不能 确定所检测出的一个q t l 是一个效应较大的基因还是包含数个紧密连锁、效应较小的基因。因 此，为了更精确地了解数量性状的遗传基础，必须对初级定位的基础上对q t l 进行精细定位， 建立高分辨率的分子标记图谱，并分析目标q t l 与这些标记的关系。 ( 1 ) 单个q t l 的精细定位 进行某个q t l 精细定位，必须使用含有该目标q t l 的染色体片段代换系或近等基因系，使 得除目标q t l 所在的染色体片段外，基因组的其余部分全都与受体亲本相同，这样可最大限度 4 中国农业大学硕士学位论文 第一章文献综述 地消除遗传背景变异的干扰，从统计上和遗传上为q t l 精确定位提供了保证。 对于已经大致定位的主效q t l ，可以采用回交结合m a s 的方法，对目标q t l 区域实行正选 择，对其它区域实行负选择，快速建立染色体片段代换系或近等基因系，用于精细定位。日本水 稻基因组应用染色体片段替代系，成功地对水稻抽穗期q a i 进行了精细定位，分辨率超过o 5 c m 。 不过，这种方法极其费工费时而且只能用于效应较大q t l 的精细定位。在目标q t l 区域上找 到与其紧密连锁的分子标记是进行精细定位的一个限制因素，这就需要进行大量的筛选，例如， 在对控制番茄果重的主效q t l ( f w 2 2 ) 的精细定位中，用6 0 0 个引物才筛选到2 个r a p e ) 标记( f r a r y e ta 1 ，2 0 0 0 ) a ( 2 ) 全基因组q t l 的精细定位 为系统开展q t l 的精细定位，需要建立即在一个受体亲本的遗传背景中建立供体亲本的“基 因文库”。代换系重叠群的构建也是采用多代回交，但必须借助完整的分子标记图谱和分子标记 辅助选择技术。番茄和十字花科物种中已经建立了这样的代换系重叠群。目标代换系的分析方法 与单个q t l 精细定位的相同，但工作量非常巨大。 在应用代换系重叠群对数量性状进行q t l 的精细定位之前，必须将代换系进行多年多点重 复试验，以确保目标代换系的代换片段上带有目标性状q t l 。各目标代换系可分别与受体亲本进 行杂交，也可在不同的目标代换系之间进行杂交，后者的好处主要有两个方面，一是进一步缩小 q t l 位置的区间，二是可以分析不同q t l 问( 代换片段间) 的相互作用，因为有的q t l 单独存 在时没有效应，必须与别的q t l 共同存在时才能表现出上位性效应。 近年来，在q t l 精细定位方面已有一些报道。y a m a m o t o 等( 1 9 9 8 ) 用连续回交选育的方法 获得水稻抽穗期近等基因系，将第6 染色体上的抽穗期主效q t l ( h d l ) 定位在相距0 ，6 c m 的两 个标记r 1 6 9 7 p 1 3 0 之间。t a n k s l e y 研究小组利用番茄近等基因系对控制果实重量的q t l f w 22 进行了精细定位，构建了物理图谱( f r a r ye ta l ，2 0 0 0 ) 。邢永忠等( 2 0 0 1 ) 在重组自交系中选择 遗传背景高度相似的自交系配组，构建近等基因系，使得位于第7 染色体上同一区间的抽穗期和 株高主效q t l 同时表现为单个的孟德尔遗传因子。这些q t l 精细定位之后。可以借助已经完成 的水稻全基因组数据。研究相应的基因组区域，从而获得包含这些q t l 的序列以便深入研究。 1 3 根系的研究进展 1 3 1 玉米根系形态和种类 玉米根系为须根系，根据其外部形态，发生的先后和部位，以及功能的不同，玉米根系可分 胚根( 初生根) 和节根( 次生根) ，生长在地上部茎节上的节根称之为气生根或支持根。 胚裉：又称种子根，初生根，包括主根和初生不定根，是玉米耔粒萌发最初发生的根e 当籽 粒萌发时，籽粒经吸水膨胀，培根首先突破培根壳伸出，并迅速伸长，形成主根。大部分被子植 物的胚根主根是由胚的外层细胞发育而成的。而玉米的胚根则是由胚的内层细胞发育而来的 ( y a m a s h i t a , 1 9 9 1 ：y a m a s h i t aa n du e n o ，1 9 9 2 ) 。这种由胚内层细胞发育成胚根主根的现象只发生在 禾本科作物中。( t i l l i c h ，1 9 7 7 ) 。 5 中国农业大学硕士学位论文第一章文献综述 胚根主根萌发1 - - 3 天后，随着胚芽鞘伸长，在子叶节以下的胚轴上陆续生出不定根，与胚 根主根一起共同组成了胚根系。每株不定根的数量从0 到1 3 根不等，与其植株的遗传背景有着 直接的关系( k i e s s e l b a c h 1 9 4 9 ；s a m ，1 9 7 7 ；f e l d m a n ，1 9 9 4 ) 。胚根( 种子根) 在苗期吸收水 分和养分方面起着曩要作用( k i e s s e l b a c h ，1 9 4 9 ；k a u s c h ，1 9 6 7 ；k o z i n k a ，1 9 7 7 ；m c c u l l y a n d c a n n e l 9 8 5 ) 。 节根：又称次生根，永久根，是由次生不定根组成，次生根构成玉米根系主要部分。次生根 是植株抗倒伏的主要支持根系，同时也通过生于其上的侧根为植株提供大部分水分( m c c u l l ya n d c a r m e l 9 8 8 ) 。节根分为地下节根和地上节根两部分。地下节根一层一层地轮生于地下茎节上，一 般4 - - 6 层，多者可8 - - 9 层。随玉米类型品种，水肥等栽培条件而有差异。1 4 层次生根发生于 苗期，5 - - 6 层次生根发生于拔节至孕穗期。其中，1 - 4 层的地下茎节非常短，生长其上的根系在 这部分形成了一点密度较大的根茎区( h o p p e e ta 1 ，1 9 8 6 ) 。次生根最初程水平分布，向四周伸k ， 然后再垂直向下发展形成庞大的须根系，深者可达2 米以上生长于地上茎节上的不定根( 节根) ( f e l d m a n ，1 9 9 4 ) 。这部分根系的数量和平均毫径随着茎节的升高而增长( h o p p ee ta 1 1 9 8 6 ) 。 生长于地上茎节上的不定根( 节根) ，又称气生根，支持根。从玉米孕穗至抽雄前，于靠近 地面l 一3 茎节上轮生气生根，玉米气生根相当粗，有支撑植株，防止倒伏的作用。气生根入土 产生分枝，同样能吸收养分，水分的作用。同时它本身还有合成氨基酸的功能。据测定，在玉米 气生根中，氮基酸的含量为茎叶中的l o 一1 5 倍，同时氨基酸种类也较多。 除此之外，在胚根形成后6 - 7 天，节根生长的同时，在胚根和节根上开始侧根的生长。侧根 对根系的形态建成具有十分重要的意义( l y n c h ，1 9 9 5 ) ，是玉米植株吸收水分和养分的主要部分 ( m c c u l l ya n d c a n n y ，1 9 8 8 ；w a n g e ta 1 ，1 9 9 l ：v a r n e ya n d c a n n y 1 9 9 3 ；w a n ge ta 1 ，1 9 9 4 ) 。 侧根具有强大的分支能力，在跟个撮系生长过程中形成多级侧根。与胚根主根和不定根不同，侧 根通常较短，并且由于蒸腾作用失水干燥，失去其分生组织，使大部分区段形成开放的后生木质 部( w a n ge ta 1 ，1 9 9 4 ) 。这些开放的后生木质部在其水分吸收中起到非常重要的作用( w a n ge t a 1 1 9 9 5 ) 。 1 3 2 玉米根系的功能 ( 一) 根系的支持固定作用与倒伏性 玉米植株比较高大，只有根系有较强的的固定能力，才能将植株固定于土壤，抵御风雨袭击， 防止倒伏。( 玉米生理编写组，1 9 8 3 ) 根的结构和在土壤中的分布状态，有利于固定支持作用。 气生根粗壮坚韧，厚壁组织特别发达，入角度陡形如支柱。次生根和气生根在土壤中的走向 不同。各条根还形成了一级枝根，二级枝根，交织分布于土壤中。这些都大大增强了根系的支持 嗣定能力。 ( 二) 根系的吸收作用 根系吸收水分和矿物营养是通过根毛来进行的，在根毛区下的伸跃区也能进行。根毛着生在 根尖部分。据测定玉米根尖1 5 - - 2 0 毫米处是玉米根系吸收水分和养分的主要部分。 根系在吸收方面的一些特点：玉米根系比较发达，能不断形成大量分枝和根毛，它们绝大部 分分布在水气，养分，热比较适宜的土层中。玉米的根尖发达( 比小麦大5 0 多倍) ，生长快， 6 中国农业大学硕士学位论文第一章文献综述 并能分泌酸类物质，以溶解难容盐分。玉米根系有较大的吸收表面积，仅仅由于根毛的形成，吸 收面积便扩大了5 5 倍左右。玉米根系的输导系统发达，吸收的物质能及时转运到需要的器官。 因此，玉米根系的吸收力强。 ( 三) 根系的合成作用 现已证明，根系也是合成氨基酸及许多生理活性物质的重要场所，它积极参与了整株的新陈 代谢过程，对植株的生命活动和籽粒品质起着重要的作用。 玉米根系吸收的无机盐，一部分通过通过导管输送到植株各部分供生育需要，另一部分就在 根部合成复杂的有机物质。这一过程是光合作用产生的糖转移到根部后，与从土壤中吸收的p 2 0 5 和c 0 2 在根系呼吸过程中形成各种有机酸。有机酸与进入根部的n h 4 + ，n 0 3 一结合形成氨基酸。 这些氨基酸一部分随水分运到植株各部分。根据对玉米伤流液的分析，证明玉米根部能把吸收的 n 0 3 - 和n i - 1 4 + 的5 0 - - 7 0 转变为有机氮化合物，它们大多数以氨基酸和酰胺的形式存在。这些氨 基酸一部分输送到地上部分合成蛋白质，一部分在根部直接合成蛋白质。此外，玉米根系还具有 合成激素及c 仉的能力。激素可以加速叶片内蛋白质的合成，并能防止叶绿素的过度分解使叶 片维持较长的寿命。 不少研究论证，植株体内存在着物质循环，地上部每天要供给相当于根干重5 1 2 的糖。 c l o w e s 报道，一株玉米，每天要增加4 0 0 0 个根冠细胞和1 0 0 0 0 个根细胞。从而可以看出，为使 根的生长旺盛，吸收养分保持活跃，则来自地上部分的光台产物的供给必须充分。玉米根系生长 与地上部生长相适应，地上部生长良好，根系生长也相应地比较发达，吸收养分和水分能力也强， 进而保证了地上部良好生长发育所需要的养分和水分，产量也会因之提高，因此生产上必须采取 一切栽培措施使玉米地上部和地下部平衡协调地生长，为玉米丰产奠定基础。( p o e t h i g ，r s ，1 9 8 2 ； r - l o h i e s ，- 1 9 8 2 ) 1 3 3 根系研究进展 对根系进行系统研究，早在1 8 世纪就已经开始了。1 9 世纪后半期