2025年林木遗传育种试题及答案

2025年林木遗传育种试题及答案一、名词解释（每题5分，共30分）1.数量性状位点（QTL）：控制数量性状的多个微效基因在染色体上的位置，通过统计方法（如连锁分析或关联分析）定位，可解释数量性状表型变异的遗传基础。2.配合力：亲本在特定杂交组合中产生优良后代的能力，分为一般配合力（GCA，亲本在多个组合中的平均表现）和特殊配合力（SCA，亲本在特定组合中的独特表现）。3.轮回选择：通过多轮选择与杂交，逐步提高群体中有利基因频率的育种方法，适用于异花授粉或常异花授粉林木，可同时改良多个数量性状。4.体细胞杂交：通过酶解去除植物细胞细胞壁获得原生质体，经融合诱导形成杂种细胞，再分化为杂种植株的技术，可突破有性杂交的生殖隔离。5.表观遗传变异：不涉及DNA序列改变，但通过DNA甲基化、组蛋白修饰等机制引起的可遗传表型变化，在林木适应环境胁迫中起重要作用。6.杂种优势固定：通过染色体加倍（如多倍体育种）、无融合生殖或基因编辑等手段，使杂种一代（F₁）的优势性状在后代中稳定遗传的技术策略。二、简答题（每题10分，共60分）1.简述孟德尔遗传定律在林木育种中的应用限制及应对策略。限制：①林木多为异花授粉，自然群体杂合度高，分离世代表型难以稳定；②生命周期长，杂交后代需多年观测，难以快速验证显隐性规律；③多数经济性状（如材积、抗性）为数量性状，受多基因控制，不符合孟德尔单基因分离比例。应对策略：①利用分子标记辅助选择（MAS）定位主效基因，结合数量性状位点（QTL）分析，将质量性状与数量性状结合研究；②通过无性繁殖（如扦插、组培）固定杂合基因型，避免分离；③采用轮回选择或群体改良方法，逐步积累有利基因。2.分子标记辅助选择（MAS）相较于传统表型选择的优势有哪些？在林木中应用的主要瓶颈是什么？优势：①不受环境影响，可在早期（如幼苗期）进行选择，缩短育种周期；②针对隐性性状或低遗传力性状（如抗病性），可直接检测基因型；③多性状选择时，标记间无表型连锁累赘，选择效率更高。瓶颈：①林木基因组庞大且复杂（如松树基因组约20Gb），标记开发成本高；②多数经济性状为数量性状，QTL效应小且易受环境互作影响，标记与性状关联不稳定；③不同遗传背景群体中标记有效性差异大，需针对特定育种群体开发标记；④林木生长周期长，标记验证需多年田间试验，耗时耗力。3.多倍体育种在林木改良中具有哪些独特优势？举例说明其应用。优势：①器官巨大性：多倍体（如三倍体）细胞体积增大，可提高木材产量（如三倍体毛白杨）或果实大小（如三倍体橡胶树）；②抗性增强：多倍体基因组冗余性高，抗逆（抗旱、抗病）相关基因剂量增加，适应性更强；③育性降低：三倍体通常高度不育，可减少花粉或种子传播（如三倍体欧美杨，降低飞絮污染）；④遗传多样性丰富：多倍化可整合不同物种基因组，创造新变异（如八倍体小黑杨）。应用案例：三倍体毛白杨（二倍体毛白杨×二倍体银腺杨，经染色体加倍），其材积生长量比二倍体提高30%-50%，且纤维长、木素含量低，是优质纸浆材。4.简述轮回选择的原理及在林木改良中的具体实施步骤。原理：通过“选择-杂交-重组”的循环过程，逐步提高群体中有利等位基因频率，同时保持群体遗传多样性，适用于改良数量性状（如生长量、抗逆性）。步骤：①基础群体构建：收集目标性状变异丰富的亲本（如优树、野生资源），通过自由授粉或人工杂交形成初始群体；②表型/基因型评估：在群体中测量目标性状（如树高、材积），结合分子标记（如SNP）筛选优良单株；③互交重组：将筛选的优良单株作为亲本，进行不完全双列杂交（如NCⅡ设计），产生子代群体；④子代测定：将子代种植于多环境试验点，评估配合力及性状遗传力；⑤群体更新：选择配合力高的亲本，重新杂交形成新群体，进入下一轮选择（通常需5-8年/轮）。5.表观遗传变异如何影响林木对环境的适应性？请从DNA甲基化角度举例说明。机制：DNA甲基化（主要为CG、CHG、CHH位点甲基化）可调控基因表达，在不改变DNA序列的情况下，使林木快速响应环境变化（如干旱、低温），且部分甲基化模式可通过减数分裂传递给后代（跨代遗传）。案例：干旱胁迫下，杨树（Populustrichocarpa）叶片中与气孔开闭相关的基因PtoHAB1启动子区域发生去甲基化，导致该基因表达上调，促进气孔关闭以减少水分蒸腾；这种甲基化模式可通过无性繁殖（如扦插）传递给子代，使子代在未经历干旱时仍具备一定抗旱能力。此外，长期生长在高纬度的云杉（Piceaabies）群体中，FLC-like基因（开花抑制基因）的甲基化水平显著高于低纬度群体，延迟开花时间以适应短生长季，体现了表观遗传变异在生态适应性中的作用。6.杂种优势预测的主要方法有哪些？各有何优缺点？方法及优缺点：①配合力分析法：通过不完全双列杂交（如NCⅡ）计算一般配合力（GCA）和特殊配合力（SCA），预测杂种优势。优点：直接关联亲本与子代表现，准确性高；缺点：需大量杂交组合和田间试验，周期长（林木需5-10年）。②分子标记遗传距离法：利用SSR、SNP等标记计算亲本间遗传距离（GD），GD越大则杂种优势可能越强。优点：早期预测（幼苗期即可分析），成本低；缺点：遗传距离与杂种优势的相关性因物种和性状而异（如杨树生长量与GD正相关，而松树材积与GD无显著关联），预测可靠性有限。③转录组/代谢组分析法：比较亲本与F₁的基因表达或代谢物差异，筛选与优势性状相关的关键通路（如光合作用、次生代谢）。优点：可揭示杂种优势的分子机制；缺点：技术要求高（需高通量测序），且环境对基因表达的影响难以排除。④基因组预测法（GS）：利用全基因组标记估计亲本的育种值（GEBV），预测杂交组合的表现。优点：整合多基因效应，适用于数量性状；缺点：需大样本训练集（通常>1000个家系），林木群体构建难度大。三、论述题（每题20分，共40分）1.结合CRISPR-Cas9技术，论述其在林木抗逆育种中的应用路径及潜在伦理风险。应用路径：①目标基因挖掘：通过转录组分析（如干旱胁迫下的差异表达基因）或同源克隆，筛选抗逆关键基因（如抗旱的DREB转录因子、抗盐的SOS1离子转运蛋白）。②基因编辑载体设计：针对目标基因的功能域（如启动子区、编码区）设计sgRNA，构建Cas9-sgRNA表达载体（通常以pCAMBIA系列为骨架）。③遗传转化：通过农杆菌介导法（适用于杨、桉等易转化树种）或基因枪法（适用于松、杉等难转化树种），将载体导入林木愈伤组织或原生质体。④阳性植株筛选：利用抗生素标记（如潮霉素抗性）或PCR检测Cas9和sgRNA序列，获得编辑植株；通过测序验证目标基因是否发生敲除（移码突变）、敲入（同源重组）或点突变。⑤表型验证：将编辑植株种植于模拟胁迫环境（如干旱棚、盐池），评估抗逆性（如存活率、生理指标），同时检测生长量等其他性状是否受影响。⑥稳定性测试：通过无性繁殖（如扦插）或自交（如自花授粉树种）检测编辑性状的遗传稳定性，确保突变在后代中稳定传递。潜在伦理风险：①生态风险：抗逆编辑林木（如抗旱杨树）释放到自然环境中，可能因竞争力增强导致入侵性，破坏原有生态平衡；若编辑基因通过花粉传播至野生近缘种，可能改变野生群体的遗传结构。②食品安全性（若涉及果用林）：如抗虫编辑的核桃、板栗，需评估其外源蛋白（如Cas9）是否具有致敏性或毒性。③技术滥用风险：部分国家可能利用基因编辑技术培育“超级林木”（如速生但高耗水品种），加剧区域水资源矛盾；或通过编辑生殖相关基因（如育性基因）制造“基因使用限制技术（GURT）”，控制种子资源。④伦理争议：公众对“人工设计生命”的接受度可能较低，需加强科普与风险沟通，避免因误解引发抵制（如类似转基因作物的争议）。2.基于全基因组选择（GS）理论，试述现代林木育种体系的构建策略。构建策略需围绕“数据-模型-应用”三要素，具体步骤如下：①育种群体构建：选择遗传背景广泛的基础群体（如包含1000-2000个家系的核心育种群体），涵盖目标性状（生长、抗性、材质）的丰富变异。群体需满足：a.家系间有明确的系谱关系（便于构建亲缘矩阵）；b.覆盖多环境（如不同气候区），以评估基因型×环境互作（G×E）；c.包含无性系（如扦插苗），便于重复测定减少误差。②表型数据采集：采用高通量表型技术（HTP）获取多维度表型：a.生长性状：通过无人机遥感（如LiDAR）测定树高、冠幅，或地面激光扫描获取单木材积；b.抗性性状：利用光谱仪（如高光谱成像）检测病害早期症状（如叶绿素荧光异常）；c.材质性状：通过近红外光谱（NIRS）快速测定木素、纤维素含量。表型数据需标准化（如校正环境误差），并与环境变量（如年降水量、土壤pH）关联存储。③基因组数据获取：对群体进行全基因组重测序（WGS）或简化基因组测序（如GBS、RAD-seq），开发高密度SNP标记（通常>10万标记）。通过生物信息学分析（如GATK软件）完成SNP基因型填充（填补缺失数据）和质量控制（去除低杂合度、高缺失率标记）。④训练模型构建：利用统计方法（如GBLUP、BayesB）或机器学习算法（如随机森林、深度学习），建立标记效应与表型值的预测模型。关键步骤包括：a.划分训练集（2/3群体）和验证集（1/3群体），评估模型预测准确性（如交叉验证相关系数）；b.优化模型参数（如标记效应分布假设、环境协变量纳入），提高对G×E的解释力；c.针对多性状（如生长与抗性），构建多变量GS模型，避免单性状选择导致的负相关（如速生但抗病性下降）。⑤育种值预测与选择：利用训练好的模型，对未测表型的候选个体（如杂交幼苗）预测其基因组估计育种值（GEBV），选择GEBV前10%-20%的个体进入下一世代。相较于传统表型选择，GS可提前3-5年（如在幼苗期完成选择），大幅缩短育种周期。⑥体系迭代优化：每完成一轮选择（约5-8年），需更新训练群体（加入新测定的表型和基因型数据），重新校准模型以适应遗传背景变化（如群体基因频率漂移）。同时，结合基因编辑、杂种优势等技术，将GS预测的关键基因（如高生长QTL）进行定向改良，实现“精准设计育种”。四、综合分析题（30分）某南方地区马尾松人工林近年面临松材线虫病高发（感病率达40%）和材积生长量下降（较20年前降低15%）的问题，需设计一套综合育种方案解决。请结合林木遗传育种原理，详细阐述方案步骤及关键技术。方案步骤及关键技术：1.问题诊断与目标确定①病因分析：通过PCR检测（如松材线虫特异性引物）确认病害类型，结合田间调查（感病株分布、传播媒介松褐天牛密度）明确致病压力；②生长量下降原因：测定土壤养分（如N、P、K含量）、气候变化数据（如年平均气温上升1.2℃），排除环境因素后，确定为遗传退化（长期无性繁殖导致杂合度降低）或品种抗性丧失；③育种目标：短期（5-10年）培育高抗松材线虫（感病率<10%）、生长量恢复至20年前水平（材积增益≥15%）的新品种；长期（10-15年）建立抗性遗传稳定、适应气候变化的育种群体。2.遗传资源收集与评价①资源收集：a.抗病野生资源：在松材线虫病老病区（如浙江、安徽）收集天然林内抗病单株（连续5年未感病）；b.速生栽培品种：收集当地主栽品种（如‘粤马尾1号’）及速生家系；c.近缘种资源：如黑松（Pinusthunbergii）、湿地松（P.elliottii）中已报道的抗病基因资源。②资源评价：a.抗性鉴定：采用人工接种法（将松材线虫悬浮液注入树干），测定发病率、病情指数（0-5级），筛选高抗单株（病情指数≤1）；b.生长评价：在多地点试验林（3个以上试验点）测定树高、胸径，计算材积并评估遗传力（h²≥0.3）；c.分子标记辅助评价：利用已报道的抗病相关SNP标记（如与PR-10蛋白基因连锁的标记）进行基因型筛选，加速抗病资源鉴定。3.育种技术路线设计①杂交育种：选择高抗野生马尾松（GCA抗病性≥2.5）与速生栽培品种（GCA生长量≥1.8）进行不完全双列杂交（如10×10交配设计），获得F₁杂种群体。杂交时需注意：a.控制授粉（套袋隔离）避免外源花粉污染；b.记录亲本花期，通过冷藏花粉（-80℃）解决花期不遇问题。②分子标记辅助选择（MAS）：在F₁幼苗期（2年生），利用抗病QTL紧密连锁的SSR标记（如PtSSR123，与抗性位点连锁距离2cM）和生长量相关SNP标记（如SNP456，解释12%材积变异）进行前景选择，保留同时携带抗病和速生标记的个体（约占群体20%）。③基因编辑辅助改良：针对抗性关键基因（如马尾松类甜蛋白基因PtTLP，其过表达可提高抗病性），设计CRISPR-Cas9载