【毕业学位论文】（Word原稿）利用SSR标记分析玉米自交系的遗传多样性作物遗传育种硕士论文

密级 ： 论文编号 ： 中国农业科学院 学位论文 利用 记分析玉米自交系 的 遗传多样性 I 摘 要 种质资源的遗传多样性评价以及种质间遗传关系研究是玉米育种研究的重要内容。 本 研究 采用 子标记技术，以 6 个国内和 6 个 交系为标准测验种， 分析 了 我国 玉米 生产上 广泛利用和具有应用潜力的 119 个 早熟自交系 的 遗传多样 性 ， 并 整合了我国常用的 其它自交系的 测 数据 ，初步构建了包含 375 个玉米自交系的 纹 数据库。主要结果如下 ： 1. 70 对 物在 119 个 早熟自交系和 12 个标准测验种中共检测出 285 个等位基因变异，每对引物检测出 2等位基因，平均 ， 多态性信息量（ 范围从 119 个 早熟和 12 个标准测验种共 131 个自交系间 的遗传相似系数（ 在 间，平均 利用 法将 119 个 早熟自交系 划分为 四平头、旅大红骨、 6 个类群 ， 划 群结果与其 系谱 分析 基本 相符 。 2. 基于 相同的 标准测验种、引 物和统一规范的检测方法 ， 整合 了 本实验室肖木辑博士 （ 2006）分析 189 个我国常用玉米自交系 遗传遗传多样性 时获得 的 测数据 ，初步构建了包含 375个玉米自交系 的 纹数据库。 70 对 物在 375 个自交系中共检测出 291 个等位基因变异，每对引物检测出 2等位基因，平均为 ， 多态性信息量（ 范围从 均 375 个 自交系间遗传相似系数（ 围在 间，平均 利用 坐标、 传结构等 分析 方法将 375 个自交系划分 为 四平头、 旅大红骨、 6 个类群。连锁不平衡（ 析表明 70 个 点在全基因组 范围 存在广泛的连锁不平衡。 3. 针对 70 位点在 375 个自交系 中检测结果 获得的 遗传相似系数矩阵 进行 标准误和相关性分析 ， 结果 表明用于 供试 自交系 遗传多样性分析 使用的 物数应不少于 40 个， 获得的 等位基因数 应 不少于 180 个 。 比较分析 了 不同来源标准测验种 的 测 结果，认为 12 个标准测验种具有较好的稳定性和代表性，可用 于 供试自交系 遗传多样性 分析 的参照自交系。 关键词 ： 玉米（ .），遗传多样性， 遗传结构， 记， 连锁不平衡 in In 119 or 0 as By a 0 75 75 as 1. 119 2 0 A 85 a . of a an 19 2. A SR 0 75 by on A 91 75 0 .2 a . of a GS)an J)E) 375 to A 75 D 0 3. at 0 80 by 75 12 be as in .） , , 录 第一章 引言 . 1 国玉米生产 . 1 米生产布局及生产状况 . 1 美玉米生产状况比较 . 3 米育种和生产中存在的问题 . 3 米种质资源研究 . 4 史回顾 . 4 究现状 . 6 传多样性与杂种优势 . 7 种优势群与杂种优势模式 . 8 分杂种优势群的方法 . 11 记差异性与杂种优势 . 16 研究的目的和意义 . 17 研究的技术路线 . 18 第二章 早熟玉米自交系遗传多样性分析 . 19 料与方法 . 20 料 . 20 法 . 20 果与分析 . 23 育期性状鉴定 . 23 19 份早熟玉米自交系 传多样性分析 . 25 论 . 29 熟自交系种质的类群划分 . 29 知血缘自交系的类群划分 . 29 第三章 375 个玉米自交系的遗传多样性分析 . 30 料与方法 . 30 料 . 30 法 . 30 果与分析 . 31 测 . 31 传变异 . 34 75 个自交系的遗传结构及种质类群划分 . 34 质类群划分结果与审定品种组合间 的关系 . 45 种质类群遗传多样性 . 45 锁不平衡 . 47 论 . 49 记与玉米杂种优势群的划分 . 49 国玉米自交系的种质类群 . 50 来种质与地方种质的利用 . 50 准测验种的选择 . 52 第四章 玉米自交系 纹数据库的初步构建 . 53 据库材料来源 . 53 子标记方法 . 53 子检测平台 . 54 测方法 . 54 心引物 . 54 准测验种 . 58 准等位基因 . 62 同来源数据的有效整合 . 63 一标准的 心引物 . 63 同的标准测验种 . 64 一规范的 术检测平台 . 64 范数据收集、存储操作 . 64 米自交系 纹数据库的构成因素 . 65 因型数据库 . 65 据库 . 65 究背景数据库 . 65 米 纹数据库的使用及完善 . 65 第五章 结论 . 66 参考文献 . 67 附录 . 77 致谢 . 88 作者简历 . 89 V 英文缩略表 英文缩写 英文全称 中文名称 增片段长度多态性 硫酸胺 六烷基三乙基溴化铵 传相似系数 锁不平衡 小进化法 阵比较 接法 合酶链式反应 态性信息量 量性状位点 机扩增多态性 制性片段长度多态性 核苷酸多态性 单重复序列 冲液 甲基乙二胺 加权算术平均对群法 中国农业科学院 硕 士学位论文 第一章 引 言 1 第 一章 引 言 玉米是世界上重要的谷类作物。 从 1998 年开始玉米总产量已经超过稻谷和小麦，居世 界首位（ 玉米（ .）是典型的异交作物，表现极端的近交衰退和杂种优势。这使它成为首先利用杂种优势大幅度提高产量的作物之一（张世煌， 1998）。玉米育种的首选技术路线是利用杂种优势（张世煌， 2000），因此系统地研究种质的遗传多样性 、 划分杂种优势群和构建杂种优势模式 是国内外玉米育种研究 的重要内容 。根据杂种优势的规律和基因作用原理正确 地 评价和改良、利用种质资源，不但有利于克服组配杂交种的盲目性、提高育种效率，更是开展种质扩增及改良研究的理论和方法学基础。在全面了解种质间 遗传关系的基础上，合理准确地划分杂种优势群和构建杂种优势模式，可以为选育自交系（尤其是二环系）、合成与改良群体、选配杂交种及优化育种研究的管理等提供理论基础（谢俊贤， 2001）。 国玉米生产 米生产布局及生产状况 玉米在中国种植近 500 年，分布十分广泛 ， 从北纬 20 之间，南北相距 5000 多 海平面到海拔 3000m，自然和生产条件极为复杂（戴景瑞， 1998） 。 但生产布局相对集中，形成了从东北斜向西南狭长分布的玉米带。这个玉米带包括黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、河北、山西 、山东、河南、陕西、四川、云南、贵州、广西等 13 个省（区），玉米种植面积占全国玉米总面积的 85%，总产量占 75%以上（佟屏亚， 2001）。玉米 种植区 具体可分为 北方春玉米区 、黄淮海 夏玉米区 、 西南山地玉米区 、 西北灌溉玉米区 、 南方丘陵玉米区、青藏高原玉米区 等 六个生态区 ，主产区为 北方 春玉米区和黄淮海夏玉米区（ 玉米是中国重要的粮食作物，种植面积和总产量仅次于美国，居世界第二位。目前，玉米种植面积仅次于稻谷和小麦，总产和单产（ 经超过小麦跃居中国粮食作物第二位（ 图 1图 1 玉米又被誉为饲料之王和农产品加工之王，是重要的饲料和加工原料 。随着经济迅速发展，玉米在国民经济中的地位越来越重要（张世煌， 2006）。 图 1991中国三大作物总产量统计 1991 中国农业科学院 硕 士学位论文 第一章 引 言 2 图 1990中国三大作物单产统计 1990 新中国 成立以来，玉米是种植面积、总产和单产增长最快的作物（吴景锋 等 ， 1998）。联合国粮农组织的资料显示， 2005 年我国玉米种植面积、总产量、单产分别比 1949 年增加 杂种优势是提高玉米产量的重要原因（ et 1999）。我国从 30 年代中期开始杂交玉米的选育研究（番兴明 等 ， 2000）。杂种优势的利用则是在建国以后才得到实现和发展，大致可以分为三个阶段： 1954以推广利用品种间杂交种为主； 1960以推广双交种为主； 1971 年以后以推 广利用单交种为主（刘纪麟， 2002）。由 图 1以看出，杂交种推广以来，玉米种植面积迅速扩大，产量不断提高，特别是单产从 1949 年的 961 千克 /公顷增加到 2005 年 5100 千克 /公顷，几乎翻了 三番 ，增产幅度是显著的。单产的提高对发展中国家1961间玉米产量增长的贡献率是 92%，在种植面积基本稳定的情况下，提高玉米单产是提高产量的主要渠道（ et 1998； et 1997）。国际玉米小麦改良中心（ 历史分析资料表明，我国玉米年增产率呈下降 趋势，在 20 世纪 60 年代为 70 年代为 80 年代为 90 年代仅为 90 年代以后，我国玉米单产增长速度放慢（ 图 1玉米产量处于徘徊状态（番兴明 等 ， 2000；王庆成 等 ， 2006）。 图 1949间玉米生产情况统计 of 1949 注 ： 资料来源 国农业科学院 硕 士学位论文 第一章 引 言 3 美玉米生产状况比较 美国是世界第一大玉米生产国， 其 玉米生产在世界上具有举足轻重的地位。在过去五十多年里，我国玉米生产取得了很大进步，正逐步追赶世界先进水平，但与美国相比还有很大差距（张世煌 等 ， 2006）。联合国粮农组织的资料显示， 1985 年至 2005 年间，美国玉米种植面积占世界玉米种植面积的 21%，总产量占世界总产量的 41%；中国占世界种植面积的 16%，总产量占世界总产量的 18%（ 图 1图 1我国玉米单产水平，高于世界平均水平，与美国有相当大的差距，还有很大的潜力（ 图 1 图 1985中美两国玉米种植面积 图 1985间中美两国玉米总产 1985 1985 图 1980中美玉米单产水平统计 1980 米育种和生产中存在的问题 我国玉米育种研究经历几个明显的发展阶段，已经达到较高的技术水平，在发展中国家处于领先地位，玉米增产速度与美国相当。现代技术在提高生产力的同时，也把农业生产系统置于脆弱地位，因此要充分认识到我国玉米育种和生产中仍存在明显的薄弱环节（张世煌 等 ， 2000）。 中国农业科学院 硕 士学位论文 第一章 引 言 4 我国玉米生产和育种面临的第一个限制因素是种质基础薄弱，造成杂交种产量水平提高缓慢，品种抗病性和抗逆性普遍下降（张世煌 等 ， 2000）。玉米种质基础的狭窄和种质脆弱性，影响了我国玉米育种水平的继续提高和 玉米生产的持续性发展（彭泽斌 等 ， 1997；史桂荣 等 ， 2002；陈彦惠 等 ， 2002；张世煌 等 ， 2000， 2006）。自上世纪 70 年代以来，优质、抗逆、高配合力和适应性广的新种质匮乏，已经成为影响玉米商业化育种进一步发展的 瓶颈 （张世煌， 2006）。解决此问题的关键是优化调整玉米育种研究方向，开展施行种质扩增、改良与创新研究，克服目前种质的遗传脆弱性、杂种优势的局限性（彭泽斌 等 ， 1997；戴景瑞， 1998；田志国 等 ， 2002）。解决种质基础狭窄问题的 重要 途径是从玉米多样性中心系统引进优良种质，并根据杂种优势模 式进行改良和利用（戴景瑞， 1998；张世煌 等 ， 1997， 2000， 2006），同时系统地整理、筛选和改良地方种质资源（张世煌 等 ， 2000；田志国 等 ， 2000）。 种质扩增、改良与创新利用离不开杂种优势。自交系本身的改良在今后提高杂交种产量中将发挥越来越重要的作用，而影响产量稳定性的非杂种优势性状的改良将进一步提高杂交种的产量，并改善杂交种的整体生长状况。但杂种优势仍将继续对杂交种的高产稳产发挥重要作用（ et 1999）。自交系一般配合力的提高是玉米产量提高的基础，特殊配合力对玉米产量的 贡献越来越不重要，但仍是培育新的优良杂交种和构建杂种优势模式必不可少的条件（张世煌， 2006）。轮回选择和自交系间选育二环系是玉米种质改良创新的主要方法，它们的实践基础都是杂种优势模式（陈彦惠 等 ， 2002；张世煌， 2006）。今后要在分析特殊配合力的基础上建立统一的杂种优势模式，然后在相对封闭的环境中开展商业育种（张世煌， 2006）。 此外，我国玉米商品质量和营养品质都存在较多的问题。改善农产品品质是当前调整农村产业结构的重要方向，已经引起社会关注。当前，提高玉米的商品质量和营养品质需要优先解决两个关键技术 ，一是发掘和培育适当的种质资源，二是建立相关的研究手段，以提高育种效率（张世煌 等 ， 2000）。 米种质资源研究 玉米有丰富的遗传基础，在长期的进化选择中，形成了丰富的种质资源。从全球范围来说，大约有 300 个玉米地方种族，但广泛开发利用的只有 5（ 1989）。玉米种质资源是玉米生产、利用和新品种选育的遗传物质基础。玉米育种成效的大小取决于拥有优异种质资源的数量（张世煌 等 ， 1998；刘纪麟， 2002）。加强对种质资源的研究对玉米育种 和 生产具有极其重要的意义。 史回顾 系统地分析和整理玉米的种质资源始于 1899 年，大致分为 3 个阶段。 （ 1）玉米多样性中心的发现及早期分类 玉米种质研究的第一阶段从 1899 年到 1942 年，是科学家第一次有意识地对玉米种质进行分类的阶段，这个阶段只是对玉米进行了基本形态学分类。 1899 年， 收集了大量不同地区的种质资源进行分析，发现玉米多样性中心在中美洲。同年 所了解的玉米种质 分为 6 个主要类型，其中 5 个类型是根据胚乳特征来划分的。在这种分类方法的启发下， 士学位论文 第一章 引 言 5 （ 1933）把 人收集的 各类玉米种质根据胚乳类型划分成 8 个亚种 ： 硬粒型、粉质型、马齿型、爆裂玉米、甜玉米、有稃玉米、糯玉米和腊质玉米。 这种方法只是对玉米种质进行了初级形态学归类，不能反应出玉米种质内存在的丰富变异和玉米种质的起源与演化，对玉米育种研究缺少指导意义。将玉米划分成 8 个亚种的分类方法一直沿用至 20 世纪 40 年代初。直到 1942 年， 次提出玉米种族（ 概念后，玉米种质研究才上了一个新台阶。 （ 2）玉米种族的划分 玉米种族这样一个定义 ： 玉米种族是一个具 有很多共同特征特性的群体，这些特征特性包括表型和基因型，根据这些特征特性它们可以被识别为一个种族 。他们进一步解释说 在划分种族时，基因型和表型性状应同时作为划分的标准，从基因的角度说，一个种族就是一个具有一系列共有基因的群体 。 据种族对玉米种质进行了比 8个亚种更详细的划分，但他们没有制定明确的划分标准，所以这个概念在当时是难以理解的，种族的真实性遭到质疑。 （ 1952）和 （ 1958）对种族作了深入探讨，一致认为玉米种族是真实存在的，每一个 种族都具有很多特有的复杂性状，不同种族所拥有的特有性状的数量不同。 （ 1952）首次根据数量基因的差异提出划分玉米种族的标准并对部分玉米种质进行划分，划分标准包括植株、雄穗、雌穗和生理、遗传及细胞学等方面的性状共 40余种。随后不久，为了保护原始种质资源不因杂交种的迅猛发展而丢失，西方许多国家根据出的分类方法对玉米种质进行了系统的收集和归类分析，在包括玉米多样性中心在内的西半球共发现 285 个玉米种族，其中许多是重复的，经重新分析归类为 150 个。 玉米种族的研究对来源于 不同地区的玉米种质进行了详细的性状描述和划分，为进一步的研究奠定了基础，玉米育种家可以根据这些信息引进不同类型的种质，避免了盲目性和重复引进。 （ 3）杂种优势群和杂种优势模式的系统研究 对杂种优势群和模式的系统研究开始于 1947 年。 1