（作物遗传育种专业论文）玉米株型相关性状QTL定位与分析.pdf

河南农业大学学位论文独创性声明、使用授权及知识产权归属承诺书 学位论学位 文题目 玉米株型相关性状q t l 定位与分析 硕士 级别 学 学生 赵文明 科 作物遗传育种 导师 陈彦惠 姓名专姓名 业 学位论文 如需保密，解密时间 是否保密 独创性声明 本人呈交论文是在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果，除了文中 特别加以标注和致谢的地方外，文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包括为获得河南农业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料，指导教师对此进行了审定。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。 研究生签名：态之朗：导师签名：7 纽名弦 日期：卅多年月，ge 1 日期：弘鳓日 学位论文使用授权及知识产权归属承诺 本人完全了解河南农业大学关于保存、使用学位论文的规定，即学生必须 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印 刷本和电子版本，并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。本人同意河南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。 本人完全了解河南农业大学知识产权保护办法的有关规定，在毕业离 开河南农业大学后，就在校期间从事的科研工作发表的所有论文，第一署名单 位为河南农业大学，试验材料、原始数据、申报的专利等知识产权均归河南农 业大学所有，否则，承担相应的法律责任。 注：保密学位论文在解密后适用于本授权书p 研究生签名：走交碉导师签名：形笔砻易 莩院领导签名： 日期：卿，月，留日日期：汐缪彩月跆日期：年月e t 致谢 当即将要面临硕士论文答辩的时候，忽然感到时光匆匆，依恋着这个有欢乐、 蕴育有希望的河南农业大学。回首瞬间，多少熟悉的往事曾经感动着我，无数优 秀的人才曾经激励过我。在论文完成之际，我深深地感谢他们! 本论文是在导师陈彦惠教授悉心指导下完成的。在论文选题、实验方案设计 以及论文撰写过程中，自始至终得到了陈老师精心指导，我的每一点滴成绩都离 不开导师的精心引导。陈老师渊博的理论知识、严谨的科研作风、开放的科研思 路、高尚的人格品质、乐观的人生态度和孜孜不倦的工作态度时刻激励着我努力 学习，并将鞭策我在未来工作中锐意进取、奋发努力，将使我终身受益! 值此即 将完成学业之际，我要衷心地感谢导师陈彦惠教授三年来在学习和生活中给予的 谆谆教诲和悉心关怀! 本论文完成过程中，导师组成员李玉玲教授、吴建宇教授、刘宗华教授、胡 彦民教授、汤继华副教授和席章营副教授在学术和实验上提供了大力帮助和热情 指导，在此表示感谢! 还要特别感谢农学院党政领导、团委和研究生处的所有老 师在生活上、学习上和工作上的关心和支持! 在实验设计和实施过程中，自始至终得到吴连成老师、库丽霞老师和祁相生 师傅的帮助。在此，对吴连成老师、库丽霞老师和祁师傅致以最诚挚的谢意! 在实验实施过程中，自始至终得到本课题组王翠玲、韦小敏、李思远、王付 娟、孟庆雷、王新涛、孙朝辉、常丽丽、张军、杨爽的支持和帮助。谢谢大家团 结协作，共同创造了一个良好的科研氛围，在此对他们致以最诚挚的谢意! 真诚感谢李香妞在工作和生活上给予无私的支持和关心! 衷心感谢我最亲爱的父母! 没有你们的默默奉献、理解与支持，就没有我的 学业! 衷心感谢我的同学，特别是李学慧、付家锋、王艳朋在数据分析中给予的帮 助! 衷心感谢对我硕士论文进行评审的各位专家、教授，感谢你们对论文的指导 和提出的宝贵意见! 值此论文完成之际，谨向所有指导、关心、帮助和支持我的人，致以衷心的 诚挚的谢意和美好的祝愿! 赵文明 2 0 0 8 年6 月于郑州 河南农业大学硕士学位论文 摘要 探讨玉米株型相关性状的遗传规律，对玉米株型相关性状进行q t l 定位与分析，对于 促进玉米耐密型育种及分子标记辅助选择育种都具有重要的理论和实践意义。本研究以玉米 紧凑株型自交系豫8 2 和松散株型自交系沈1 3 7 为亲本构建了f 2 ：3 家系群体，在三亚、郑州 环境条件下对玉米株型相关性状在表型上进行了遗传特点的分析，构建了具有1 9 7 个s s r 标记的连锁图谱，采用复合区间作图法进行了q t l 定位及效应分析，主要结论如下： 1 三亚、郑州环境条件下，叶夹角、叶向值、叶长、叶宽、株高、穗位高在f 2 ：3 家系 间的f 值均达到极显著水平，表明2 2 9 个家系间存在真实的遗传差异，可做进一步遗传分析； 各性状在f 2 ：3 家系群体分布的偏斜度、峰度的绝对值均小于1 ，符合正态分布，且均有较大 的变异幅度，表现出数量性状遗传特点。因此，用此f 2 ：3 家系群体可以对这些性状进行q t l 定位与分析。 2 三亚、郑州环境条件下，叶夹角、叶向值均表现出中亲优势，广义遗传力较高，分 别为0 8 9 ，0 8 4 ；叶长、叶宽、株高、穗位高均表现出超亲优势，广义遗传力较低，分别为 0 6 2 ，0 5 5 ，0 7 0 ，0 6 2 。所有f 2 ：3 家系平均值，除株高高于双亲平均值外，其余5 个性状均 接近双亲平均值。叶夹角、叶向值均有一定数量的单向超亲植株，叶长、叶宽、株高、穗位 高均有一定数量的双向超亲植株。 3 利用m a p m a k e r e x pv e r s i o n3 0 b 软件和1 9 7 个共显性s s r 标记构建了一张f 2 ：3 家系群体的分子标记连锁图，覆盖玉米1 0 条染色体，图谱总长度2 7 3 0 6 c m ，全基因组平 均图距1 3 8 6 c m ，最小图距0 1 c m 。 4 三亚、郑州环境条件下，对株型性状进行q t l 定位及效应分析，共检测到4 0 个q t l ， 4 个q t l 同时被检测到，共检测到3 6 个不同的q t l 。其中，三亚环境下检测到2 0 个q t l ， 分布在第l ，2 ，3 ，4 ，5 ，7 染色体上，其中分布在第1 染色体上的较多，有7 个q t l ；郑州环 境下检测到2 0 个q t l ，分布在第1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，7 ，8 ，9 ，1 0 染色体上，其中分布在第1 染色体 上的较多，有6 个q t l 。叶夹角、叶向值、叶长、叶宽、株高、穗位高在2 个环境条件下 定位到的q t l 数目分别为7 ，1 0 ，3 ，6 ，8 ，6 。 5 叶夹角、叶向值、叶长、叶宽、株高、穗位高均定位到了效应值较大的q t l ，且与 两侧标记距离较近。就叶夹角而言，在第1 染色体b i n 位点1 0 2 定位到一个效应较大的q t l ， 标记区间为u m c l l 6 6 一u m c 2 2 2 6 ，贡献率为1 4 7 3 。就叶向值而言，在第1 染色体b i n 位点 1 0 2 定位到一个主效q t l ，标记区间为b n l g l 8 0 3 u m c 2 1 7 1 ，贡献率为2 0 3 5 。就叶长而言， 在第1 0 染色体b i n 位点1 0 0 3 定位到一个效应较大的q t l ，标记区间为b n l 9 1 6 5 5 u m c l 8 6 3 ， 贡献率为1 3 0 9 。就叶宽而言，在第3 染色体b i n 位点3 0 1 3 0 2 定位到一个效应较大的 q t l ，标记区间为u m c 2 3 7 7 一u m c l 0 5 7 ，贡献率为2 4 1 5 。就株高而言，在第7 染色体b i n 位点7 0 1 定位到一个效应较大的q t l ，标记区间为u m c 2 1 6 0 一u m c l 2 7 0 ，贡献率为1 4 4 5 。 就穗位高而言，在第4 染色体b i n 位点4 0 8 定位到一个效应较大的q t l ，标记区间为 河南农业大学硕士学位论文 u m c 2 2 8 7 u m c l 3 7 1 ，贡献率为1 7 6 4 。 6 三亚、郑州环境条件下，叶夹角检测到2 个共同的q t l 。q l a l a 位于标记区间 u m c l1 6 6 u m c 2 2 2 6 ，在两个环境条件下的贡献率分别为1 1 5 7 、1 4 7 3 。q l a l b 位于标记区 间b n l g l 8 0 3 u m c 2 1 7 1 ，在两个环境条件下的贡献率分别为1 0 5 7 、1 3 2 3 。叶向值检测到 2 个共同的q t l 。q l o v l a 位于标记区间u m c 2 2 2 6 一b n l g l 8 0 3 ，在两个环境条件下的贡献率分 别为1 8 8 4 、1 5 2 2 。q l o v l b 位于标记区间b n l g l 8 0 3 u m c 2 1 7 1 ，在两个环境条件下的贡献 率分别为2 0 3 5 、2 0 1 2 。q l o v l a 所在标记区间的长度为7 5 c m ，在玉米株型改良中可以 使用标记u m c 2 2 2 6 、b n l g l 8 0 3 进行辅助选择。 7 从检测到的q t l 在1 0 条染色体上分布情况来看，第1 染色体上检测到的q t l 数目 远远多于其他染色体，而且这些q t l 几乎全部集中在标记u m c l1 6 6 、u m c 2 2 2 6 、b n l g l 8 0 3 、 u m c 2 1 7 1 之间。另外，这些q t l 标记之间集中了决定玉米株型特点的叶夹角、叶向值的绝 大部分q t l ，且这些q t l 均具有比较大的l o d 值和较大的贡献率，效应值的来源也表现 出非常好的一致性，推测这几个标记附近极有可能存在控制玉米叶夹角、叶向值的基因。 关键词：玉米；株型；f 2 ：3 家系；s s r ；q t l 2 河南农业大学硕士学位论文 1 文献综述 1 1 中国玉米需求形势分析与对策 1 1 1 玉米在中国国民经济中的地位 玉米( z e am a y sl ) 为禾本科，玉蜀黍属，一年生草本植物。起源于以墨西哥和危地 马拉为中心的中南美洲热带和亚热带高原地区，已有近万年的栽培历史。玉米有两个野生近 缘属e u c h l a e n a ( 大刍草) 和t r i p s a c u m ( 摩檫禾) 。 玉米传入中国最早的文献记载是1 5 1 1 年安徽颖州志，清代乾嘉时期获得初步发展，到 1 9 世纪末期玉米基本上传播到全国大部分适宜种植的地区，并与中国已有的“五谷”并列， 跃升至“六谷”的地位。玉米的传入和发展，增加了粮食产量，对促进社会进步和经济繁荣 起了重大作用。 玉米是中国重要的农作物，在中国谷物生产中，种植面积居第三位，总产量居第二位。 中国玉米带主要分布在东北地区、黄淮平原和西南山区，播种面积分别占3 9 2 、3 2 7 和 1 8 4 ；产量分别占4 3 8 、3 5 5 和1 3 4 。东北春玉米产区和黄淮平原夏玉米产区是对 中国玉米生产起支配作用的两个各具特色的主产区。 玉米是重要的粮食作物，对于确保中国粮食安全起着十分关键的作用。与1 9 5 0 年相比 较，2 0 0 5 年谷物增产3 5 1 亿吨，其中玉米增产1 2 5 亿吨，对粮食的增产贡献率达到3 5 6 6 。 在粮食生产遇到重大自然灾害而减产的1 9 6 1 年，玉米的增产贡献率高达5 0 ，在当时起了 很重要的增产和稳产作用；2 0 0 2 年其它粮食作物减产，玉米却是较大幅度增产，对稳定粮 食生产起了明显的缓冲作用。从总体上看，玉米生产对中国粮食生产的贡献越来越重要，玉 米的增产贡献率会进一步提高。 玉米是重要的饲料作物。玉米是公认的饲料之王，籽粒和茎叶都是优质饲料。1 0 0 千克 玉米的饲用价值相当于1 5 0 千克稻谷、1 3 5 千克燕麦、1 3 0 千克大麦、1 2 0 千克高梁。玉米 作为发展畜牧业的优质饲料来源，有着广阔的应用前景。国内外实践证明，玉米在畜禽饲料 中占有极其重要的地位，人均占有玉米数量被视为一个国家畜牧业发展和人民生活水平的重 要标志。世界上畜牧业发达的国家已将7 0 8 0 的玉米用作饲料，我国的饲料用玉米约占 玉米总产量的6 5 。 玉米是重要的工业原料，有工业“黄金原料”之称。以玉米为原料的深加工领域现已涉 及食品工业、酿造工业、发酵工业、医药工业、造纸工业等相关产业，在国民经济中占有重 要地位。玉米已成为梯度加工潜力发挥最为充分、生产加工链条延伸最为广远、涉及生产领 域最为广泛的大宗植物性农产品。玉米加工业市场潜力巨大，经济效益十分显著，有巨大的 增值潜力。近年来，由于能源消耗大量增加和能源短缺，燃料乙醇作为重要的能源替代品受 到全世界重视，又因为作为原料的玉米是可再生产的，因此燃料乙醇生产在国外迅速发展。 与此同时，燃料乙醇在我国也得到广泛重视，从我国以消化陈化粮为目的建立燃料乙醇企业 开始，我国燃料乙醇企业迅速发展壮大。 3 河南农业大学硕士学位论文 1 1 2 中国玉米需求形势分析 随着饲料工业、玉米深加工行业的迅速发展，玉米消费呈线性上升趋势，玉米供应形势 日益严峻，预计到2 0 1 0 年国内玉米产量为1 5 亿吨左右，比2 0 0 6 年增长3 5 ；国内玉米 需求将超过1 5 亿吨，较2 0 0 6 年增长1 4 3 ，产需关系将处于紧平衡态势，供需紧张局面 在未来将凸显。 随着经济发展和人民生活水平日益提高，畜产品消费量持续增长，饲料行业对玉米需求 大幅度增长。中国饲料工业协会( 2 0 0 2 ) 预测，2 0 1 0 年玉米总需求量为1 7 亿吨，到2 0 2 0 年玉米总需求量上升到2 2 亿吨；其中饲料用玉米需求量从2 0 1 0 年的l - 5 亿吨增加到2 0 2 0 年的1 9 亿吨，饲料用玉米所占比重将由2 0 1 0 年的8 7 上升到2 0 2 0 年的8 9 6 。中国农 业科学院农业政策研究中心预测，2 0 2 0 年我国玉米总需求量为2 1 亿吨，生产能力为1 8 亿吨，每年需要进口0 2 亿吨才能满足我国畜牧业增长需求。陈永福( 2 0 0 4 ) 预测，玉米在 四大粮食( 稻谷、小麦、玉米、大豆) 中的消费比重，将从2 0 0 3 年的2 7 4 上升到2 0 2 0 年的3 3 3 ，增加大约6 个百分点；总消费量将保持递增态势，从2 0 0 3 年的1 2 亿吨，增 加到2 0 2 0 年的1 7 亿吨，与2 0 0 3 年相比将增长3 7 1 ；其中饲料用玉米消费量，将从2 0 0 3 年的o 9 亿吨增加到2 0 2 0 年的1 2 亿吨，与2 0 0 3 年相比将增长3 7 。章力健( 2 0 0 5 ) 指出， 随着我国畜牧业以每年5 的高速度持续增长，要求玉米供给能力每年增长4 ，但实际每年 增长速度只能达到2 左右。尽管这个增长速度已经远远超过水稻和小麦每年1 的增长速 度，但仍满足不了畜牧业发展对玉米的需求增长。根据饲料业“十一五”规划，到2 0 1 0 年 国内工业饲料产量将达到1 5 亿吨，目前是l 亿吨左右。随着饲料产业的发展，饲用玉米需 求量将进一步增长，而且还有一个比较快速发展的阶段。农业承受的压力和瓶颈，不是食用 粮短缺而是转化为肉、奶、蛋的饲料粮之不足，饲料粮的匮乏主要是玉米不能满足需求。玉 米产量的丰与歉已成为决定畜牧业发展形势的重要因素( 佟屏亚，2 0 0 0 ) 。饲料工业对玉米需 求量的增长将是比较快、比较大的。为了满足畜牧业高速发展的需要，必然要求我国玉米必 须更快、更大的发展。 玉米加工业市场潜力巨大，经济效益十分显著，有巨大的增值潜力。近年来，世界各国 都在大力发展以玉米为原料的玉米工业，实现深加工增值。发达国家用作工业原料的玉米占 玉米总产量的1 0 - 1 3 ，美国玉米深加工比例目前是1 5 左右，预计到2 0 1 0 年将提高至1 1 8 。 陈永福( 2 0 0 4 ) 预测，工业用玉米消费量，将从2 0 0 3 年的1 1 5 4 万吨增加到2 0 2 0 年的2 2 3 4 万吨， 与2 0 0 3 年相比增长9 3 5 。工业用玉米消费比重，从2 0 0 3 年的9 4 增) j i 至i t 2 0 2 0 年的1 3 3 。2 0 0 6 年深加工业消耗玉米数量比2 0 0 3 年的1 6 5 0 万吨增加了1 8 3 9 万吨，累计增幅1 1 7 5 ，年均增幅 高达2 9 6 。据国家粮油信息中心预测( 2 0 0 7 ) ，未来几年间，我国玉米工业化产品转化玉米 量有望达到商品量的8 5 ，其中玉米深加工产品转化玉米量有望达到商品量的3 5 左右。 世界能源问题日趋严重，非再生型能源逐渐耗竭，以玉米为原料制造燃料酒精是替代石 油等非再生能源的理想途径。美国是世界上最大的玉米生产国，也是利用玉米酒精最广的国 4 河南农业大学硕士学位论文 家，美国现已大量使用玉米酒精替代部分汽油作燃料。美国酒精用玉米的消费增长近几年来 非常强劲，f h 2 0 0 1 年度的1 7 9 3 万吨增至2 0 0 5 年度的4 0 6 4 万吨，增幅达到了1 2 6 6 4 ，年均增 幅为3 1 6 6 ，燃料乙醇对玉米消费已经占国内消费量的1 6 。根据美国2 0 0 5 年新能源法案， 至u 2 0 1 2 年美国乙醇产量将达到7 0 亿加仑，较2 0 0 4 年3 5 亿加仑的产量翻一番。如果这些增加的 乙醇全部用玉米来加工，那么所需要的玉米将达n 6 0 0 0 万吨以上。2 0 0 4 年我国石油净进口量 为1 2 亿吨，消费量为3 1 亿吨，进口依存度达到了3 8 7 。随着国民经济持续增长，石油进 口量占整体石油需求量的份额会随之增长，将增j j l 蛰 2 0 3 0 年的8 2 。石油进口量和进口依存 度的迅速攀升给我国能源安全带来了日益严重的影响，能源安全问题突出。燃料乙醇符合我 国能源替代战略和可再生能源发展方向，大力发展可缓解我国能源日益紧张的状况( 王成军 等，2 0 0 5 ) 。我国正在兴起以玉米为原料，生产乙醇汽油的热潮。2 0 0 5 年燃料乙醇产销量出 现快速增长，仅燃料乙醇就消费玉米量接近2 2 0 万吨。2 0 0 6 年，我国在全国1 2 个省份封闭使 用燃料乙醇，其消耗的玉米数量再创新高，仅此一项对玉米需求量就超过4 0 0 万吨，增幅超 3 0 。由于陈化粮供应的下降，几乎多数燃料乙醇将大量转化玉米，需求空间很大。因此， 玉米深加工的发展，必然要求我国玉米有更大的发展。 1 1 3 满足中国玉米需求对策 概括起来，解决玉米需求问题有三条途径：一是降低玉米需求总量；二是扩大玉米进口； 三是增加玉米生产总量。面对刚性增长的人口数量、日益提高的生活水平以及全面建设小康 社会的需要，降低玉米需求总量在我国是不现实的，也是不可能的。鉴于国际贸易中的大国 效应以及粮食问题与政治、社会安定的密切关系，通过扩大玉米进口也不可能从根本上解决 我国玉米需求问题。因此，解决我国未来的玉米需求问题，只能立足国内，从增加玉米生产 总量中去寻找出路。增加玉米生产总量，一靠增加玉米播种面积，二靠提高玉米单位面积产 量；前者必须有一定数量的耕地面积为基础。因此，将玉米株型改良与杂种优势利用结合起 来，通过提高种植密度大幅度提高单产水平是满足未来需求最经济最有效的途径，也是唯一 的出路。 耕地是人们赖以生存和发展最根本的物质基础。随着社会经济快速发展和城镇化建设步 伐加快，我国耕地呈现刚性减少趋势。据统计，1 9 5 8 年1 9 8 6 年的2 8 年间，耕地面积累计减 少6 1 1 亿亩，年均减少2 1 8 2 万亩；1 9 8 6 年- - - 1 9 9 5 年的1 0 年间，全国耕地减少l 亿多亩，年均 减少1 0 2 7 万亩；1 9 9 6 年 - - 2 0 0 7 年的1 1 年间，全国耕地减少1 2 5 亿亩，年均减少1 1 3 6 万亩；全 国有6 6 6 个县人均耕地低于联合国粮农组织( f a o ) 规定的0 8 2 亩警戒线。农业部副部长张 宝文( 2 0 0 6 ) 指出，今后一段时期，中国将处在工业化和城镇化步伐加快的重要历史时期，人 口增长、城镇建设和非农产业发展占用耕地不可避免，耕地资源减少的趋势难以逆转。农业 部副部长范小建( 2 0 0 6 ) 指出，国家耕地资源非常有限，按目前趋势分析，至i 2 0 2 0 年，中国耕 地缺口将达到l 亿亩以上。韩萍等( 2 0 0 7 ) 研究指出，3 0 年来，中国玉米生产各年代间面积 增加不多，单产提高快，依靠单产提高增加了总产量。因此，在我国耕地面积刚性减少的形 5 河南农业大学硕士学位论文 势下，增加玉米生产总量必须通过提高玉米单位面积产量来实现。 就以提高产量为目的的作物品种改良而论，基本原理有两条：一是株型即形态改良，二 是杂种优势利用即机能改进。玉米是利用杂种优势最早、最成功的作物。s h u l l ( 1 9 1 4 ) 首 次提出“杂种优势( h e t e r o s i s ) ”这一术语。e a s t ( 1 9 0 8 ) 和s h u u ( 1 9 0 8 ，1 9 0 9 ) 进行的玉米 自交系选育和杂种优势研究指出，自交导致衰退，自交系间杂交种生产优势远大于品种间杂 交种，从而在遗传理论和育种模式上为玉米自交系间杂种优势利用奠定了基础。美国玉米自 2 0 世纪2 0 年代开始利用杂种优势以来，推广种植强优势杂交种在玉米增产中起着关键性作 用。2 0 世纪9 0 年代以来，由于支撑我国玉米育种的种质基础十分狭窄，难于选育出突破性的 优良自交系，导致我国玉米产量处于徘徊状态( 刘纪麟，2 0 0 1 ) ，单纯依靠杂种优势利用已很 难奏效。因此，有必要将株型改良与杂种优势利用结合起来，亦即形态改良与机能改进兼顾， 才有可能获得超高产。当前各国的玉米育种，重点是选育高密度条件下的高产类型。m e g h j i 等( 1 9 8 4 ) 研究指出，玉米产量的提高与选用耐密植的单交种有关。佟屏亚( 2 0 0 0 ) 指出，在 过去7 0 年里美国玉米杂交种单株生产力没有明显提高，提高产量的主要原因是提高了种植密 度和抗逆性。c h i l d s 在2 0 0 2 年美国玉米高产竞赛中，用先锋杂交种3 4 n 4 4 仓j j 造了1 8 5 0 公斤 亩的高产记录，种植密度达至1 j 7 2 2 4 株亩，最高种植密度达至j j 8 2 3 7 株亩；李登海于2 0 0 5 年用 杂交种d h 3 7 1 9 创下1 2 9 0 公斤亩的夏玉米高产纪录，其密度接近7 0 0 0 株亩。这些事实说明， 提高种植密度能够最大限度提高玉米单位面积群体产量。张世煌等( 2 0 0 7 ) 认为，现在玉米 产量的提高，不是杂种优势提高了，而是通过单位面积种植更多的株数和抗逆性的提高来提 高产量。目前我国玉米种植密度比较低，迸一步提高产量的最大潜力就在于塑造良好株型提 高玉米种植密度。 1 2 玉米株型相关性状研究进展 1 2 1 玉米株型相关性状经典遗传学研究进展 玉米株型是指玉米植株在空间的分布状态，多数研究者以叶夹角、叶向值、叶长、叶宽、 株高、穗位高等性状为研究对象，探讨玉米株型性状基因效应等遗传规律，但由于所用试材 和研究的环境等因素不同，导致研究结果不尽一致。 1 2 1 1 叶夹角和叶向值 叶夹角的遗传研究较为一致，认为加性基因效应最为重要，受非加性基因效应影响。赖 仲铭等( 1 9 8 1 ) 研究认为，叶夹角遗传以加性基因效应为主，其它基因效应均不明显。苏书 文等( 1 9 9 3 ) 研究认为，叶夹角遗传基因加性效应占主导地位? 王克胜等( 1 9 9 3 ) 研究认为， 叶夹角遗传加性基因效应占大部分，存在着上位性效应。李虎林等( 1 9 9 0 ) 、秦泰辰等( 1 9 9 2 ) 、 陈宛秋等( 1 9 9 3 ) 、李玉玲等( 1 9 9 4 ) 研究认为，叶夹角遗传以加性基因效应为主，同时受 非加性基因效应影响。陈岭等( 1 9 9 4 ) 研究认为，叶夹角遗传以加性基因效应起决定作用， 存在着部分显性，狭义遗传力高。王秀全等( 2 0 0 0 ) 、温海霞等( 2 0 0 2 ) 研究认为，叶夹角 遗传加性方差明显大于非加性方差，加性效应起主要作用，广义遗传力和狭义遗传力都较高。 6 河南农业大学硕士学位论文 霍仕平等( 2 0 0 1 ) 研究认为，控制叶夹角的基因效应，加性效应是主导因素，显性效应也很 重要，上位性作用不可忽略。蔡一林等( 2 0 0 2 ) 研究认为，叶夹角遗传受加性基因效应控制。 叶向值的遗传研究较为一致，认为受加性和非加性基因效应共同作用，以加性基因效 应为主。秦泰辰等( 1 9 9 2 ) 、李玉玲等( 1 9 9 4 ) 、王国强等( 2 0 0 5 ) 研究认为，叶向值受加 性和非加性基因效应共同影响，以加性基因效应为主。王克胜等( 1 9 9 3 ) 研究认为，叶向值 受基因加性和显性效应控制，加性基因效应起主要作用，广义、狭义遗传力较高。陈岭等 ( 1 9 9 4 ) 、李玉玲等( 1 9 9 6 ) 研究认为，叶向值遗传符合加性一显性遗传模型，加性基因效 应起重要作用。王秀全等( 2 0 0 0 ) 研究认为，叶向值符合加性一显性一上位性遗传模型，加性、 显性都很重要，广义遗传力和狭义遗传力都较高。霍仕平等( 2 0 0 1 ) 研究认为，控制叶夹角 的基因效应，加性效应是主导因素，显性效应也很重要，上位性作用不可忽略。但也有研究 认为，显性基因效应起主要作用。尹燕枰等( 1 9 8 7 ) 研究认为，叶向值遗传显性基因效应作 用最大，上位性也较明显，加性效应最小。 1 2 1 2 叶长和叶宽 叶长的遗传研究较为一致，认为叶长遗传以加性基因效应最为重要，存在着明显的显性 基因效应和上位性基因效应。赖仲铭等( 1 9 8 1 ) 研究认为，叶长遗传加性基因效应起着很重 要的作用，显性基因效应居于次要地位，上位性基因效应在少数组合中因遗传背景的特殊性 而表现出来。沈高中等( 1 9 8 7 ) 、陈宛秋等( 1 9 9 3 ) 、李玉玲等( 1 9 9 4 ) 研究认为，叶长遗 传以加性基因效应为主，同时受非加性基因效应影响。李玉玲等( 1 9 9 6 ) 研究认为，加性基 因效应和显性基因效应在叶长遗传中起着十分重要的作用，同时受上位性基因效应影响。霍 仕平等( 2 0 0 1 ) 研究认为，叶长遗传除主要受加性基因效应和显性基因效应支配外，还存在 上位性基因效应的作用；加性基因效应在叶长遗传中起主导作用，显性基因效应也很重要， 上位性基因效应也不可忽略。温海霞等( 2 0 0 2 ) 、王雅萍等( 2 0 0 4 ) 研究认为，叶长遗传受 加性和非加性基因效应共同作用，加性方差明显大于非加性方差，加性基因效应起重要作用， 广义遗传力较高。但也有研究认为，显性基因效应起主要作用。陈岭等( 1 9 9 4 ) 研究认为， 叶长遗传符合加性一显性模型，显性基因效应起主要作用，遗传力较低。 叶宽的遗传研究略有分歧。赖仲铭等( 1 9 8 1 ) 研究认为，控制叶宽的加性基因效应和显 性基因效应均很重要，部分组合表现出明显的上位性基因效应。陈宛秋等( 1 9 9 3 ) 、李玉玲 等( 1 9 9 4 ) 研究认为，叶宽遗传以加性基因效应为主，同时受非加性基因效应影响。霍仕平 等( 2 0 0 1 ) 研究认为，加性基因效应是叶宽遗传的主导因子，显性基因效应表现显著，上位 性基因效应也不可忽略。陈岭等( 1 9 9 4 ) 、温海霞等( 2 0 0 2 ) 研究认为，显性基因效应是叶 宽遗传的主要因素，广义遗传力低。王雅萍等( 2 0 0 4 ) 研究认为，叶宽加性方差大于显性方 差，广义、狭义遗传力均较低。 1 2 1 3 株高和穗位高 株高的遗传，多数学者研究结果基本一致，认为受加性基因效应和非加性基因效应共同 7 河南农业大学硕士学位论文 作用( 赖仲铭等，1 9 8 1 ；杨安贵，1 9 8 3 ；金益等，1 9 8 5 ；郭平仲等，1 9 8 6 ；尹燕枰等，1 9 8 7 ；王 克胜等，1 9 9 3 ；吴子恺等，1 9 9 5 ；王金君等，1 9 9 5 ；李玉玲等，1 9 9 6 ；郑祖平等，1 9 9 7 ；敖君 等，1 9 9 9 ；王秀全等，2 0 0 0 ；张晓峰等，2 0 0 0 ；赵延明等，2 0 0 0 ；霍仕平等，2 0 0 1 ；施开鸿等，2 0 0 1 ； 黄开健等，2 0 0 2 ：吴广成等，2 0 0 3 ；刘鹏等，2 0 0 4 ；王国强等，2 0 0 5 ) ；也有人认为只存在加性 效应和显性效应( 潘光堂等，1 9 9 6 ) ；也有人认为存在着极显著的显性效应和上位性效应( 杨 伟光等，2 0 0 0 ) 。就加性、显性和上位性三种基因效应的重要性而言，多数研究者一致，认 为加性基因效应最为重要( 赖仲铭等，1 9 8 1 ；沈高中等，1 9 8 7 ；吴子恺等，1 9 8 8 ；陈宛秋等，1 9 9 3 ； 敖君等，1 9 9 5 ；李玉玲等，1 9 9 6 ；郑祖平等，1 9 9 7 ；霍仕平等，2 0 0 1 ；施开鸿等，2 0 0 1 ；黄开健 等，2 0 0 2 ；吴广成等，2 0 0 3 ；王雅萍等，2 0 0 4 ；邢吉敏等，2 0 0 5 ) ，也有人认为非加性基因效应 较为重要( 王金君等，1 9 9 5 ；吴子恺等，1 9 9 5 ；杨伟光等，2 0 0 0 ；王国强等，2 0 0 5 ) 。 穗位高的遗传，比较一致的研究结果是加性、显性和上位性基因效应共同作用( 赖仲铭 等，1 9 8 1 ；杨安贵，1 9 8 3 ；金益等，1 9 8 5 ；郭平仲等，1 9 8 6 ；尹燕枰等，1 9 8 7 ；王克胜等，1 9 9 3 ； 吴子恺等，1 9 9 5 ；郑祖平等，1 9 9 5 ；李玉玲等，1 9 9 6 ；郑祖平等，1 9 9 7 , 杨人震等，1 9 9 8 ；敖君 等，1 9 9 9 ；王秀全等，2 0 0 0 ；张晓峰等，2 0 0 0 ；赵延明等，2 0 0 0 ；霍仕平等，2 0 0 1 ；施开鸿等，2 0 0 1 ； 黄开健等，2 0 0 2 ) ；也有人认为只受加性和显性效应共同作用( 王金君等，1 9 9 5 ；杨伟光 等，2 0 0 0 ；刘鹏等，2 0 0 4 ) 。就三种基因效应的相对重要性而言，一般认为加性基因效应为主 ( 赖仲铭等，1 9 8 1 ；郑祖平等，1 9 9 5 ；郑祖平等，1 9 9 7 ；敖君等，1 9 9 5 , 杨人震等，1 9 9 8 ；施开 鸿等，2 0 0 1 ；霍仕平等，2 0 0 1 ；黄开健等，2 0 0 2 ；吴广成等，2 0 0 3 ；王雅萍等，2 0 0 4 ；邢吉敏 等，2 0 0 5 ) ，也有人认为非加性基因效应为主( 杨伟光等，2 0 0 0 ；刘鹏等，2 0 0 4 ；王国强等，2 0 0 5 ) 。 1 2 2 玉米株型相关性状0 t l 定位研究进展 玉米株型性状是数量性状，受多基因控制，因此需要应用数量性状位点( q t l ) 分析技术 来更准确地鉴定出控制玉米株型性状的各个基因，了解各个基因的遗传效应、基因之间的互 作及基因与环境之间的互作。随着d n a 分子标记技术和相应统计分析方法的发展，借助高 密度分子标记连锁图谱，使数量性状基因定位工作发展很快。 1 2 2 1 叶夹角和叶向值 目前，叶夹角q t l 定位与分析的报道，仅见于l 篇国外文献和2 篇国内文献；叶向值q t l 定位与分析的报道，国外尚未见报道，国内仅有1 篇文献报道。m i c k e l s o n 等( 2 0 0 2 ) 利用b 7 3 m o l 7 构建的重组自交系为材料，采用复合区间作图法，在两个环境中分别检n n 7 个和3 个 控制叶夹角的q t l ，分别位于第l ，2 ，4 ，5 ，7 染色体，其中位于第7 染色体上的q t l 为主效q t l ， 可以2 7 7 的表型变异。于永涛等( 2 0 0 6 ) 以h 2 1x m o l 7 、自3 3 0 k 3 6 、b 7 3 x l 0 5 03 一- f 2 ：3 群体为作图材料，利用区间作图法，检n n 9 个控制叶夹角的q t l ，其中h 2 1x m o l 7 群体中 检测到7 个q t l ，分别位于第l ，2 ，3 ，8 ，9 ，1 0 染色体，自3 3 0 x k 3 6 群体中检测到2 个q t l ，分 别位于第l ，8 染色体。路明等( 2 0 0 7 ) 以掖4 7 8 x 丹3 4 0 的f 2 为作图群体，采用复合区间作图 法，检测到6 个控制叶夹角的q t l ，分别位于第l ，2 ，3 ，5 染色体，其中在第l ，3 染色体上各存 8 河南农业大学硕士学位论文 在一个效应较大的q t l ，分别解释表型变异的1 0 8 和1 1 2 ；检i 贝e j n 8 个控制叶向值q t l ， 分别位于第2 ，3 ，8 ，9 染色体，其中在第2 ，3 染色体上各存在一个效应较大的q t l ，分别解释表 型变异的1 0 9 和1 3 6 。 1 2 2 2 叶长和叶宽 目前，叶长和叶宽的q t l 定位与分析研究较少，仅见于几篇报道。p d l e s c h i 等( 2 0 0 6 ) 利用f - 2 x i o 构建的重组自交系为材料，采用复合区间作图法，检测到3 个控制叶长的q t l ， 位于第4 ，6 ，7 染色体，可以解释3 5 7 的表型变异；检测到3 个控制叶宽的q t l ，位于第1 ，5 ，7 染色体，可以解释4 2 8 的表型变异。郑祖平等( 2 0 0 7 ) 利用m 0 1 7 x 黄早四构建的重组自交 系为材料，采用复合区间作图法，检测n 4 个控制叶长的q t l ，位于第1 ，2 ，3 ，4 染色体，可以 解释3 2 2 1 的表型变异，检i 贝e j n l 个主效q t l ，贡献率为1 5 0 3 ；检测到2 个控制叶宽的q t l ， 位于第4 ，5 染色体，可以解释2 4 5 9 的表型变异，检测到1 个主效q t l ，贡献率为1 7 3 2 。 1 2 2 3 株高和穗位高 株高、穗位高的q t l 定位已有很多报道。张志明等( 2 0 0 7 ) 指出，目前已定位的株高q t l 多达2 8 0 个，从第l 到第l o 染色体上已检测的个数分别为3 5 ，“，3 4 ，1 6 ，2 2 ，1 8 ，2 2 ，2 3 ，2 0 ，1 7 ， 另有6 0 多个未提供染色体信息；已定位的穗位高q t l 共2 9 个，分布于第l ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 ，1 0 染色 体的个数分别为6 ，3 ，1 ，2 ，4 ，1 ，2 ，3 ，另有7 个q t l 未提供染色体信息( s t u b e r 等，1 9 9 2 ；b e a v i s 等， 1 9 9 4 ；v e l d b o o m 等，1 9 9 6 ；a u s t i n 等，1 9 9 8 ；b o h n 等，2 0 0 0 ；b o u c h e z 等，2 0 0 2 ；m o r e a u 等，2 0 0 4 ) 。 曹永国等( 1 9 9 9 ) 运用7 9 2 2 5 0 0 3 的f 2 作为构图群体，利用区间作图法，定位了5 个控制株高 的q t l ，分别位于第2 ，4 ，5 ，8 ，9 染色体，发现2 个表现超显性的主效q t l ，分另位于第2 ，5 染色 体，可以解释表型变异的5 1 8 和3 8 6 。兰进好等( 2 0 0 5 ) 以玉米强优势组合m 0 1 7 黄早四 的f 2 群体为材料，利用基于混合线性模型的复合区间作图法，定位了7 个控制株高的q t l ，分 别位于第1 ，3 ，8 染色体；6 个控制穗位高的q t l ，分别位于第l ，5 ，6 ，8 ，1 0 染色体。杨俊品等 ( 2 0 0 5 ) 以4 8 2 2 5 0 0 3 的1 6 6 个f 2 ：3 家系作为定位群体，采用区间作图法，检测到5 个影响株高 的q t l ，分别位于第2 ，5 ，6 ，7 ，9 染色体，位于第5 染色体的p h 2 和第6 染色体的p h 3 为主效q t l ， 其作用分别解释表型变异的2 6 5 和3 3 7 ；检测到5 个影响穗位高的q t l ，分别位于第l ，2 ， 3 ，6 ，7 染色体，位于第6 染色体的e h 4 为主效q t l ，可以解释表型变异的4 1 4 。汤华等( 2 0 0 5 ) 利用“豫玉2 2 ”构建的2 6 6 个f 2 ：3 玉米家系为材料，采用复合区间作图法，在两个环境中共定 位了1 1 个控制穗位高的q t l ，其9 4 个q t l 在两环境中同时被检测到，分别位于第1 ，2 ，5 染色 体。汤继华等( 2 0 0 6 ) 以豫玉2 2 的一套重组自交系为材料，利用复合区间作图法，在4 个环境 中共定位t 2 1 个株高q t l ，共检测到1 0 个不同位点的q t l ，分布于第1 ，2 ，3 ，5 染色体，其中3 个q t l 在4 个环境中同时被检测到，第2 染色体上的q p h 2 b 具有较大的遗传效应，可解释4 个环 境中株高表型变异的1 7 3 4 ，1 4 4 7 ，2 7 3 6 和1 5 6 6 ，是一个主效q t l 。m i l e n a 等( 2 0 0 6 ) 利用两个f 2 ：3 家系为材料，采用复合区间作图法，检测到6 个控制株高的q t l ，分别位于第1 ， 3 ，4 ，5 染色体；9 个控制穗位高的q t l ，分别位于第2 ，3 ，4 ，7 ，9 ，1 0 染色体。p e l l e s c h i 等( 2 0 0 6 ) 9 河南农业大学硕士学位论文 利用f 一2 x i o 构建的重组自交系为材料，采用复合区间作图法，检测到3 个控制株高的q t l ， 分别位于第3 ，5 染色体，可以解释3 6 6 的表型变异。张志明等( 2 0 0 7 ) 利用自交系组合r 1 5 x 掖4 7 8 的f 2 群体为材料，利用复合区间作图法，检测到8 个控制株高的q t l ，分别位于第2 ，3 ， 4 ，5 ，8 染色体；3 个控制穗位高的q t l ，位于第4 染色体。y u l i n gl i 等( 2 0 0 7 ) 利用d a n 2 3 2 n 0 4 构建的2 5 9 个玉米f 2 ：3 家系为材料，采用复合区间作图法，检测到6 个控制株高的q t l ，分别位于 第5 ，7 ，8 ，9 染色体，其中位于第8 染色体的q p h 8 - 1 、q p h 8 - 2 为主效q t l ，可分别解释株高表型 变异的2 2 6 和1 9 3 ；检测到5 个控制穗位高的q t l ，分别位于第1 ，3 ，4 ，5 ，7 染色体，其中位 于第l 染色体的e h l ，j 为主效q t l ，可以解释穗位高表型变异的1 5 2 。t a n gj i 1 a u a 等( 2 0 0 7 ) 利 用y u y u 2 2 的一套重组自交系为材料，采用复合区间作图法，检测到6 个控制株高的q t l ，分别 位于第1 ，2 ，3 ，5 染色体，其中位于第l 染色体的q p h l a 和位于第2 染色体的口p 日阿以分别解释株 高表型变异的2 4 5 3 和1 6 2 。m a l o s e t t i 等( 2 0 0 7 ) 利用对干旱敏感的材料( p 1 ) 和对干旱钝 感的材料( p 2 ) 杂交的f 2 群体为材料，采用基于混合线性模型的复合区间作图法，检测到7 个 控制株高的q t l ，分别位于第1 ，2 ，3 ，4 ，6 ，7 ，9 染色体。e l i s a b e t t a 等( 2 0 0 7 ) 利用b 7 x h 9 9 构建 的重组自交系为材料，采用复合区间作图法，检测到2 4 个控制株高的q t l ，分别位于第1 ，2 ，3 ， 4 ，6 ，7 ，8 ，l o 染色体，位于第3 染色体的q p h 3 可以解释株高表型变异2 2 7 。 1 3 分子标记技术在植物研究中的应用 1 3 1 遗传标记的发展 遗传标记是指可以明确反映生物遗传多态性的特征。在经典遗传学中，遗传多态性是指 生物体等位基因的变异；在现代遗传学中，遗传多态性是指生物体基因组中任何座位上相对 差异的d n a 片断。纵观遗传学发展历史，遗传标记经历了形态标记、细胞学标记、蛋白质 标记和d n a 标记四个发展阶段。每一种新型标记的发现，都大大推动了遗传学的发展。 l ，3 1 1 形态标记 很多形态性状是一种可见的、易于鉴别的外部特征。若控制这一性状的基因及其所在的 染色体、基因与相邻的基因在染色体上的相对位置都已得到明确，就可以用这个基因标记某 一染色体区段，并对未定位的基因进行定位，这种标记被称作是形态标记。典型的形态标记 用肉眼即可识别和观察，如花色、矮秆、紫鞘、卷叶等；广义的形态标记还包括那些借助简 单测试即可识别的某些性状，如生理特性、生殖特性、抗病虫性等有关的一些特性。形态标 记简单直观、经济方便。长期以来，人民群众通常都是依靠形态标记来对重要农艺性状进行 鉴定的。不过，形态标记数目少、多态性差，容易受环境影响，并且有一些标记与不良性状 连锁。此外，形态标记的获得需要经过诱变、分离、纯合的过程，周期较长。因此，形态标 记在作物遗传育种中的作用是有限的。 1 3 1 2 细胞学标记 缺体、易位、倒位等染色体结构变异以及各种异形染色体等都具有特定的细胞学特征， 由于减数分裂的异常，容易导致特定染色体上基因的分离与重组，因而可以作为一种遗传标 l o 河南农业大学硕士学位论文 记来测定基因所在的染色体以及相对位置或通过染色体代换等遗传操纵进行基因定位，这种 标记被称为细胞学标记。细胞学标记包括染色体核型( 染色体数目、结构、随体有无、着丝 粒位置等) 和带型( c 带、n 带、g 带等) 的变化。细胞学标记虽然克服了形态标记易受环 境影响的缺点，但标记材料需要花费较大的人力、物力和较长时间来培育，产生较为困难， 特别是一些二倍体物种( 如玉米) ，配子只有1 个染色体组，对染色体结构和数目变异的耐 受性