【毕业学位论文】（Word原稿）杂交棉遗传效应及基因差异表达与杂种优势关系研究作物遗传育种博士论文

密级 论文编号 中国农业科学院研究生院 博士学位论文 杂交棉遗传效应 及基因差异 表达 与杂种 优势关系研究 论文摘要 转基因抗虫杂交棉以其显著产量优势和抗虫效果深受广大棉农喜爱， 其 优势表现以及杂种优势产生机理已成为棉花杂种优势研究热点。 本文采用加性 显性与环境互作模型（ 较系统地 探讨了不同生态环境下转基因抗虫杂交 棉产量和品质性状遗传效应，以及优势表达与环境互作关系；同时利用 基因差显技术（ 首次 从基因 表达水平上初步探讨了转基因抗虫杂交棉优势表达机理，为转基因 抗虫杂交棉 育 种 和应用提供理论指导，同时也为揭示棉花杂种优势产生的生物学基础积累新的数据。 主要 研究结果如下： 转基因抗虫杂交棉在不同 生态 环境下产量性状超亲优势普遍存在，尤其以皮棉产量和子棉产量为强，铃数次之。在高产水平环境中，杂交种和亲本产量水平均较高，杂种优势不明显；在产 量 水平 相对较 低 的 环境下，杂交种产量水平相对较低，但超亲优势显著， 表明杂交种 产量相对稳定，而亲本产量水平发挥受环境影响较大 。品质性状随环境变化而发生改变，但超亲优势表现不显著。 相关性 分析表明，铃数与产量最为密切，所以单株结铃性强是杂交种选育的重点 ；铃数、铃重和衣分三者之间均呈显著或极显著正相 关，通过亲本选配，这三个性状可以同步提高。品质性状之间相关性不一致 ，麦克隆值与多数品质性状呈显著正相关， 表明 选配高产优质杂交组合时，一定要注重较低麦克隆值材料的选择。 单铃重、衣分、皮棉产量和伸长率、 长、比强度、麦克隆 值 主要受遗传主效因控制 ,子棉产量、亩铃数和 整齐度 受环境效应影响非常明显；在遗传主效应中，除铃重外，其余 4个产量性状中显性效应值大于加性效应值 ,5个品质性状加性效应值均大于 显性效应值，表明产量性状表现出一定的杂种优势，而品质性状 的杂种优势 表现不明显 。通过群体平均优势（ 群体超亲优势（ 环境互作效应分析，皮棉产量、衣分稳定性较好，子棉产量和铃数稳定性较差。产量性状与环境互作效应值 较 大 ，而 品质性状与环境互作效应值 较小 ，表明棉花品质性状在一个环境可选育，而产量性状必需结合生态环境进行选育 ,才 能达到育种目标。根据各组合 合 重、衣分群体优势和超亲优势。 在 基因 差显过程中， 2次扩增可重复率达 表明在扩增过程中存在较高的假阳性，通过 重复 计稳定扩增的条带，可减少假阳性干扰。盛花期叶片基因差异表达中，单亲表达一致模式（ 所有产量性状均呈正相关，并且与单位面积铃数相关达显著水平，其它各种模式与杂种性状表型值均未达到显著水平；单亲表达沉默模式（ 单位面积铃数杂种优势呈显著负相关，杂种特异表达（ 皮棉产量杂种优 势呈显著正相关。上述结果表明，盛花期叶片中的基因显性表达和特异表达有利于产量形成和杂种优势发挥。 产量高、中、低优势组合与其亲本基因差异表 达比例从蕾期到花铃期总体上呈递减趋势，高优势组合差异表达比例在 4个时期均高于低优势和中优势组合，表明基因差异表达与杂种优势发挥密切相关；杂种特异表达在前 3个时期高优势组合要高于中或低优势组合，表明特异表达对杂种优势产生起一定的作用；单亲表达一致性是基因差异表达中最主要表达模式，但在每个时期高、中、低优势组合之间变化幅度较小，表明此模式与杂种优势发挥无 明显关系 ； 在 苗期叶和根 方面， 杂种与亲本间基因表达差异存在较大差别，叶基因差异表达比根 要 丰富，但两器官基因差异表达的类型比例趋势基本一致，单亲表达一致型仍是主要表 达模式。 上述研究结果为转基因抗虫杂交棉区域种植、生态育种和高产优质杂交种选育提供理论指导，而杂交棉与其亲本差异表达与杂种优势之间的关系研究属首次报道，为这方面的研究提供了新思路。 关键词：转基因抗虫杂交棉，杂种优势，遗传效应，生态环境， 基因差异表达 by of of a of in of by in in on of as in by of by a be a so it to in by by a in be in be in of 1 610 6bm bp in of be in a in be of at in 1）M2(in 1 of 3(1) of 4 3 to of 1 to in in in in in an 3 in of or in 3 an in M4 in at in no 4. in in in in 4 in in in in a in 目 录 第一章 棉花杂种优势研究进展 （文献综述） 1 花杂种优势表现 1 生殖生长优势 2 营养生长优势 2 抗逆性优势 3 花杂种优势机理研究进展 3 棉花杂种优势配合力研究 3 棉花杂种优势生理生化研究 4 种优势的生理生化作用 4 理生化预测研究 5 棉花遗传距离与优势表现关系研究 6 利用数量遗传模型研究棉花杂种优势 7 基因差异表达与杂种优势之间的关系研究 8 花杂种优势生产应用情 况 9 杂交棉发展历程 9 本选配的演变 9 种方法的改进 9 标性状的提高 10 我国目前杂交棉发展状况 11 虫杂交棉是主流 11 种以人工制种为主，不育系制种为辅 11 杂交棉 在 我国作用和地位 12 量 的 突破 12 业结构 的 调整 12 争的需要 12 业化 的 需求 12 我国杂交棉存在问题和发展方向 13 产、多抗、品质多样 13 种简化高效 13 种二代利用 14 种优势的遗传学基础 14 究的目的和意义 15 第二章 不同生态环境下转基因抗虫杂交棉杂种优势表现 16 料和方法 16 材料 16 本来源 16 C遗传交配设计组合 17 试验方法 17 验安排和设计 17 状调查和室内考种 17 统计分析 18 果与分析 18 不同生态环境下转基因抗虫杂交组合性状及优势表现 18 基因抗虫杂交棉组合产量性状及优势表现 18 基因抗虫杂交棉组合品质性状及优势表现 20 不同生态环境下转基因杂交棉产量和品质性状相关性分析 21 论 22 转基因抗虫杂交棉产量和品质的适应性 22 产量和品质性状相关性分析 22 结 23 转基因抗虫杂交棉产量性状及优势表现 23 转基因抗虫杂交棉品质性状及优势表现 23 转基因抗虫杂交棉产量和品质性状相关性分析 23 第三章 不同生态环境 下转基因抗虫杂交棉组合遗传效应分析 24 料和方法 24 材料 24 试验方法 24 统计及遗传模型分析方法 24 果与分析 25 转基因杂交棉在 3种生态环境下产量和品质性状遗传效应分析 25 交种产量性状的遗传效应分析 25 交种品质性状的遗传效应分析 27 基因型 环境互作效应对杂交种产量和品质性状杂种优势影响 30 1性状基因型值与杂种优势分析 30 组合 31 论 39 关于转基因杂交种产量和品质性状 与环境 互作遗传效应 39 关于基因型 环境互作效应对杂交种产量性状杂种优势的影响 39 结 40 转基因杂交种产量性状在不同生态环境下的遗传效应 40 基因型 环境互作效应对杂交种产量性状杂种优势的影响 40 第四章 转基因抗虫杂交棉及其亲本基因表达差异与杂种优势关系 41 料与方法 41 供试材料 41 引物选择和筛选 41 总 42 42 变性聚丙烯酰胺凝胶电泳与银染 43 统计 43 果与分析 43 杂交种与亲本间基因表达差异 43 基因差异表达模式与杂种性状及优势相关分析 48 论 48 结 49 第五章 不同优势转基因抗虫杂交组合不同生育期基因表达差异 50 料和方法 50 供试材料 50 试验方法 50 果与分析 50 优势高中低 3杂交组合不同生育期基因差异表达变化趋势 57 优势高中低 3杂交组合不同生育期双亲沉默表达变化趋势 58 优势高中低 3杂交组合不同生育期单亲沉默表达变化趋势 59 优势高中低 3杂交组合不同生育期杂种特异表达变化趋势 59 优 势高中低 3杂交组合不同生育期单亲表达一致变化趋势 60 论 61 结 63 第六章 转基因抗虫杂交棉苗期根和叶基因表达差异 64 料与方法 64 供试材料 64 方法 64 统计 64 果与分析 64 论 67 结 67 第七章 结 论 68 参考文献 71 致 谢 80 作者 简介 81 第一部分 文献综述 第一章 棉花杂种优势研究进展 棉花（ 是我国重要的经济作物，对我国纺织工业和农民增收具有非常重要的意义。我国是世界上棉花种植大国，植棉面积占世界总植棉面积 15%左右； 棉花总产居世界第一， 约 占世界总产 1/4；棉纺织品出口创汇 2004 年达 950 多亿美元，约占全国出口创汇总量的 16%（毛树春， 2004） 。 所以提高棉花产量 (品质 (我国棉花研究和生产中重大课题之一 。 上个世纪 30 年代美国率先在生产上推广了杂交玉米，随后其它作物（ 水稻、高梁、油菜以及蔬菜等，在生产上相继利用了杂种优势 (作物产量和品质有了进一步改善和提高。作物杂种优势大规模应用是上个世纪作物育种 (一项重大成就，此举为作物产量大幅提高 作出了巨大贡献。国内外多年研究表明，利用棉花杂种优势也是提高 产量有效途径之一。棉花杂种优势研究始于上个世纪 20年代，但较大面积应用于生产始于上个世纪 70年代 ,目前印度是世界上应用杂交棉面积最大的国家 ,种植面积占总植棉面积 的 50%左右， 中国位居第二， 杂交棉面积 占 总 植棉面积 的 20%左右，杂交棉的较大面积的应用为这 两个国家棉花产量的提高作出了 积极 贡献。经过多年的研究和探索，棉花杂种优势表现 (遗传 (分子机理 (杂交制种 (by 法等方面也取得了显著的进展，为棉花杂种优势机理研究积累了丰富的数据。进入到上个世纪 90 年代初，生物技术（ 突破，转基因抗虫棉（ 相继问世，为抗虫杂交棉选育奠定了丰富的物质基础。棉花育种者们（ 利用转基因抗虫种质（ 料培育抗虫杂交棉（ 面获得了极大的成功。 在我国，转基因抗虫杂交棉已取代了非抗虫杂交棉，并在生产上进行了大面积推广和应用，取得显著的增产和抗虫效果。随着生物技术进一步发展，抗性更为突出的第二代转基因抗虫棉（双价： 除草剂、双 ）已选育成功，目前双价转基因抗虫杂交棉选育已成为育种界重点研究 对象。由于转基因抗虫杂交棉的推广，有力地推动了我国杂交棉的快速发展，同时也促进了人们对 杂交棉优势表现及分子机理作深入的 研究和探讨。 花杂种优势表现（ 棉花杂种优势表现是多方面的，通常主要表现在生殖生长 (营养生长 (抗逆性 (方面，而不同的组合（ 受其选配亲本（ 和环境 (影响，杂交种优势表现 不尽相同，表现其复杂的一面。 殖生长优势 棉花生殖生长优势通常 体现 在产量优势和品质优势方面 。多年研究结果表 明，杂交种产量优势非常明显， 大多数组合具有正向超亲优势，产量优势产生主要得益于铃数和铃重的增加；品质优势受杂交亲本影响较大，多数杂交组合的品质介于两亲之间，略高于中亲值。 中国农业科学院棉花研究所统计了 1976 1980 年主要产棉省（区） 15 个科研教学单位的 1885个陆地棉 (L.)品种间杂交组合，其中 增产 0% 10%的组合占 增产 11% 20%的组合占 增产 21% 30%的组合占 增产 30%以上的组合占 陆地棉与海岛棉的种间杂种优势中， 产量比海岛棉亲本增产平均在 61%上下，比陆地棉亲本减产9% 18%，个别组合平产或略有增产而不显著； 纤维 品质无明显优势，多数位于中亲值（黄滋康等，1981）。张凤鑫等（ 1995）根据 31 个陆地棉组合统计，籽棉、皮棉产量，单位面积铃数、铃重都具有明显的中亲和高亲优势 ,对产量优势的贡献主要来自铃数和铃重的增加， 5%；距长度提高 10%，比强度增加 10% 20%；朱乾浩等（ 1995）研究表明陆地棉品种间 2皮棉产量的竞争优势分别在 15%和 10%左右，产量构成因素中以单株结铃数的优势最大。陈柏清等（ 1998）研究认为， 8月 13日前的铃重优势在 间，达显著水平，以后优势转小，从而亲本之一选择适当铃大的品种，可发挥其增产潜力。张金发等（ 1994）对 33 个陆海种间杂种 的研究 中，大多数纤维长度 34强度 25g/克隆值 衣分 皮棉产量 子棉产量 铃数，前三个性状遗传主效应值所占比例均超过57%，说明这 3个性状遗传变异主要受遗传主效应控制，后两个性状遗传主效应值所占比例小于 50%，表明这 2个性状的表现与环境密切相 关；在遗传主效应中，除铃重外，其余 4个性状中显性效应所占比值均大于加性效应所占比值；在主效应与环境互作中，铃重和衣分的遗传主效应与环境互作值相对较小，表明这两个性状的遗传表现受环境影响较小；基因型与环境互作均达到显著和极显著水平，说明基因型与环境互作对产量及产量性状的表达均有不同程度的影响，且多数性状（除铃数外）表现为加性与环境互作为主，说明杂种性状的表现具有相对的稳定性 （图 3 3。以上产量各性状的机误方差（ 10% 20%之间，均已达到显著和极显著水平，表明陆地棉产量性状的表现还会受到环 境机误或抽样误差等其它因素影响，但所占比例较小，故产量性状主要受制于不同遗传体系中基因的遗传主效应和环境互作效应。 交种品质性状的遗传效应分析 表 3长，比强度、麦克隆值、整齐度和伸长率 5个主要指标的遗传方差分量，表型方差和机误方差及其比率。 长 :遗传主效应（ 遗传总效应（ 所占比例达到 达极显著水平，说明 长遗传变异主要受遗传主效应控制。在遗传主效应中，加性方差、显性方差均达到极显著水平，而加性方差（ 所占比重明显高于显性方差（ ，说明 长主要受加性效应控制；而基因型和环境互作效应仅为 表明 长受环境互作影响较小。 整齐度 : 遗传主效应（ 遗传总效应（ 所占比例达到 达极显著水平，说明整齐度遗传变异既受遗传主效应控制又受到基因型与环境互作的影响。在遗传主效应中，加性方差、显性方差分别达到极显著水平和显著水平，而加性方差（ 所占比重明显高于显性方差（ ，说明整齐度主要受加性效应作用；而基因型和环境互作效应达到 显性与环境互作达极显著水平，表明整齐度受环境互作影响较大。 050100子棉 皮棉 铃数 衣分 铃重所占百分率%遗传主效应 主效应与环境互作020406080100子棉 皮棉 铃数 衣分 铃重所占百分率%显性效应 加性效应 比强度 : 遗传主效应（ 遗传总效应（ 所占比例达到 达极显著水平，说明比强度遗传变异主要受遗传主效应控制。在遗传主效应中，加性方差达到极显著水平 ,而显性方差为零，说明比强度 受加性效应所控制；基因型与环境互作效应达到 加性与环境以及显性与环境互作均达显著水平 ,说明基因型与环境互作效应对比强度有一定的影响。 伸长率 : 遗传主效应（ 遗传总效应（ 所占比例达到 达极显著水平，说明伸长率 遗传变异主要受遗传主效应控制。在遗传主效应中，加性方差达到极显著水平 ,而显性方差不显著，说明伸长率主要受加性 效应所控制；基因型与环境互作效应达到 加性与环境互作以及显性与环境互作均达 显著水平 ,说明基因型与环境互作效应对伸长率有一定的影响，表明伸长率表现也是主要受制于亲本的遗传主效应。 麦克隆值 : 遗传主效应（ 遗传总效应（ 所占比例达到 达极显著水平，说明表克隆值遗传变异主要受遗传主效应控制。在遗传主效 应中， 加性方差达到极显著水平 ,而显性方差不显著，说明麦克隆值主要受 加性效应所控制；加性与环境互作和显性与环境互作均达极显著水平 ,说明基因型与环境互作效应对麦克隆值有一定的影响，麦克隆值表现主要受制于亲本的遗传主效应。 在棉花品质 5个性状中 ,遗传主效应（ 遗传总效应（ 所占比例大小顺序依次是 :伸长率 长 比强度 麦克隆值 整齐度 ，整齐度遗传主效应值所占比例接近 50%，而其它 4个性状遗传主效应值所占比例均高于 60%,跨长和伸长率达到 80%以上 ,说明这 4个品质性状遗传变异主要受遗传主效应控制，整 齐度遗传主效应值所占比例小于 50%，表明这个性状的表现与环境影响密切相关；在遗传主效应中， 5个性状中加性效应所占比值均大于显性效应所占比值，表明品质性状不表现出一定的杂种优势；基因型与环境互作大多数达到显著和极显著水平，说明基因型与环境互作影响品质性状的表达 (图 3 3以上品质各性状的机误方差（ 15% 25%之间，均已达到极显著水平，表明陆地棉品质性状的表现还会受到环境机误或抽样误差等其它因素影响，但所占比例较小，故品质性状主要受制于不同遗传体系中基因的遗传主效应和环境互作效应。 图 3质性状遗传主效应及其与环境互作比例分布 图 3质性状显性效应与加性效应比例分布 of of on on 20406080100绒长 整齐 度 比 强度 伸长 率 麦 克隆所占百分率%显性效应 加性效应020406080100绒长 整齐度 比强度 伸长率 麦克隆所占百分率%遗传主效应 主效应与环境互作 表 3基因抗虫杂交组合品质性状的遗传效应分析 of in 长 整齐度 比强度 伸长率 麦克隆值 数 估计值 参数比率 估计值 参数 估计值 参数比率 估计值 参数 估计值 参数比率 估计值 参数 估计值 参数比率 估计值 参数 估计值 参数比率 估计值 ( G G G G G G G G G G P P P P P 注： *和 *表示 * * 因型 环境互作效应对杂交种产量和品质性状的杂种优势影响 1性状基因型值与杂种优势分析 表 31产量性状和品质性状的 表现型值（ 基因型值（ G）、群体平均优势（ 群体超亲优势（ 其与环境互作的平均预测值。从表 3产量性状 中，子棉产量、皮棉产量、铃数、铃重和衣分群体平均优势分别是 超亲优