2025年作物育种学试题及答案

2025年作物育种学试题及答案一、名词解释（每题3分，共15分）1.加性效应：等位基因或非等位基因间因累加作用产生的遗传效应，是数量性状遗传中可稳定遗传的主要部分，可通过选择有效固定。2.细胞质雄性不育（CMS）：由细胞质基因与核基因互作导致的雄性不育现象，表现为花粉败育但雌蕊正常，是杂种优势利用中配制杂交种的重要工具。3.配合力：亲本在杂交组合中产生优良后代的能力，分为一般配合力（GCA，亲本与其他多个亲本杂交的平均表现）和特殊配合力（SCA，特定亲本组合的偏离平均表现的效应）。4.轮回选择：通过多轮选择-杂交-再选择的循环过程，逐步提高群体中有利基因频率的育种方法，适用于异花授粉作物或自交系群体改良。5.QTL定位：利用分子标记和分离群体（如F2、RIL等），在基因组中定位控制数量性状的基因座（QTL）的位置及效应的技术，为分子标记辅助选择提供依据。二、简答题（每题8分，共40分）1.简述杂种优势的主要遗传假说及其核心观点。答：杂种优势的遗传假说主要包括显性假说、超显性假说和上位性假说。（1）显性假说：认为杂种优势是显性有利基因掩盖隐性有害基因的结果，杂合体中显性基因互补，减少隐性有害基因的不利效应。例如，亲本AABBcc与aabbCC杂交，F1为AaBbCc，显性基因互补表现优势。（2）超显性假说：认为杂合体中等位基因互作产生的效应超过纯合体，即Aa＞AA或aa。如抗锈病基因的杂合体可能因表达不同产物而增强抗性。（3）上位性假说：强调非等位基因间的互作（上位效应）对杂种优势的贡献，不同基因座间的协同作用可产生超过累加效应的表型优势。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？答：（1）选择效率高：可在苗期或任何生长阶段通过分子标记检测目标基因，避免传统表型选择需等待性状表达的时间（如成熟期或逆境胁迫下）。（2）准确性高：克服表型受环境影响的干扰（如干旱条件下产量性状的测定误差），直接追踪目标基因或QTL。（3）多性状同步选择：利用紧密连锁的分子标记，可同时选择多个目标性状（如抗病、抗虫、优质），实现聚合育种。（4）节省资源：减少田间鉴定的规模和重复次数，降低人力、物力成本（如抗病性需人工接种鉴定的繁琐过程）。3.简述CRISPR-Cas9技术在作物育种中的应用限制及可能的解决策略。答：应用限制：（1）脱靶效应：非目标位点的随机切割可能导致非预期突变，影响品种安全性；（2）多基因编辑效率低：复杂性状（如产量）涉及多个基因，同时编辑多个位点的效率和稳定性不足；（3）基因型依赖性：部分作物（如小麦、大豆）的遗传转化效率低，限制了CRISPR技术的应用范围；（4）调控基因编辑难度大：对启动子、增强子等非编码区的精准编辑技术尚不成熟，难以定向调控基因表达水平。解决策略：（1）优化sgRNA设计（如使用高特异性的Cas9变体，如eSpCas9），结合全基因组测序检测脱靶；（2）开发多靶点载体系统（如CRISPR-Cpf1或CRISPR-Cas12a），提高多基因编辑效率；（3）改进转化技术（如基因枪、纳米材料介导转化），突破基因型限制；（4）结合表观遗传编辑工具（如dCas9融合转录激活/抑制结构域），实现基因表达的精准调控。4.自交系选育的主要方法有哪些？各适用于何种育种场景？答：（1）系谱法：从杂种分离世代（如F2）开始，按株系选择单株，连续自交并记录系谱，直至性状稳定。适用于目标性状遗传力高（如株高、粒色）、育种材料遗传背景简单（如两个纯合亲本杂交）的场景。（2）混合法：在杂种分离世代（F2至Fn）混合种植，不进行单株选择，直至性状基本稳定（如F5-F6）后再选择单株。适用于目标性状遗传力低（如产量、抗逆性）、需保留更多遗传变异的场景，可减少早期选择的误差。（3）单籽传法（SSD）：每代每株仅选1粒种子繁殖，加速世代进展（如1年多代），快速获得纯合株系。适用于缩短育种周期（如北方春玉米区需加速加代）、或材料数量大（如大量杂交组合筛选）的场景。（4）回交法：以优良品种（轮回亲本）为受体，目标性状供体（非轮回亲本）为供体，通过多代回交结合目标性状选择，将目标基因导入轮回亲本。适用于单基因或寡基因控制的性状（如抗病性、矮秆基因）的转育。5.远缘杂交的主要障碍及克服方法有哪些？答：主要障碍包括：（1）杂交不亲和性：双亲配子无法结合形成合子，表现为花粉不能萌发、花粉管生长受阻或无法到达胚囊；（2）杂种不育性：杂种F1虽能形成，但配子形成过程中染色体不配对或分离异常，导致花粉败育或结实率低；（3）杂种后代疯狂分离：远缘杂种后代（F2及以后）性状分离范围广、稳定慢，难以获得目标性状纯合体。克服方法：（1）杂交不亲和：①选择亲和性高的亲本或调整杂交组合（如正交改反交）；②媒介法（利用中间亲本桥梁）；③柱头处理（如切割柱头、涂抹激素）；④试管受精（离体培养胚珠与花粉）。（2）杂种不育：①染色体加倍（如秋水仙素处理获得双二倍体，恢复育性）；②回交（与亲本之一回交，补充染色体组）；③组织培养（胚挽救技术，培养幼胚成苗）。（3）疯狂分离：①延长选择世代（增加自交代数）；②结合分子标记辅助选择（固定目标染色体片段）；③诱导染色体易位（通过辐射或化学诱变，将外源有利基因整合到受体染色体）。三、论述题（每题15分，共30分）1.试比较常规育种与分子设计育种的核心差异，并分析分子设计育种在未来作物育种中的应用前景。答：常规育种与分子设计育种的核心差异体现在理论基础、技术手段和效率上：（1）理论基础：常规育种基于孟德尔遗传定律和数量遗传学，依赖表型选择；分子设计育种整合功能基因组学、生物信息学和系统生物学，以基因-性状关联网络为基础，实现目标性状的定向设计。（2）技术手段：常规育种以杂交、选择、回交为核心，依赖经验和表型鉴定；分子设计育种利用分子标记（如SNP）、基因编辑（如CRISPR）、全基因组选择（GS）等技术，直接操作目标基因或基因组区段。（3）效率：常规育种周期长（8-10年）、选择效率低（受环境影响大）；分子设计育种可缩短周期（5-7年），实现多性状同步改良（如抗病+高产+优质），减少田间试验规模。分子设计育种的应用前景：①精准化：通过解析关键性状的调控网络（如水稻粒型基因GS3、GW5的克隆），可定向改良目标性状，避免常规育种的盲目性。例如，利用已知抗虫基因（如Bt蛋白基因）和优质基因（如水稻Wx基因）的分子标记，可快速聚合到同一品种中。②高效化：全基因组选择（GS）技术通过训练群体建立分子标记与表型的预测模型，可在早期世代预测未表型个体的育种值，大幅减少田间鉴定工作量。例如，玉米产量QTL的全基因组预测模型可提前筛选高潜力自交系。③智能化：结合大数据和人工智能（如机器学习算法），可整合多组学数据（基因组、转录组、代谢组），构建作物设计育种决策系统。例如，利用环境-基因型互作（G×E）模型，可预测品种在不同生态区的适应性，实现“按需求育种”。④突破遗传瓶颈：通过基因编辑技术（如敲除负调控基因、激活沉默基因），可挖掘常规育种中难以利用的优异等位变异（如小麦抗白粉病基因Pm21的精准导入），拓宽遗传基础。2.结合当前气候变化背景，论述作物抗逆育种的策略与主要挑战。答：气候变化导致极端天气（干旱、高温、盐碱、洪涝）频发，抗逆育种已成为保障粮食安全的关键。主要策略包括：（1）抗逆基因的挖掘与利用：①从野生近缘种（如野生稻、野生大麦）中克隆抗逆基因（如水稻耐盐基因SKC1、玉米抗旱基因ZmPIP1）；②通过诱变（EMS、辐射）或基因编辑（如敲除水稻干旱敏感基因OsbZIP46的抑制子）创制新抗逆等位变异。（2）多抗聚合育种：利用分子标记辅助选择（MAS）或基因编辑技术，将多个抗逆基因（如抗旱、耐盐、抗高温）聚合到同一品种中。例如，将水稻的DREB1A（抗旱）、NHX1（耐盐）和HSP90（抗高温）基因通过杂交或转基因技术整合，培育多抗品种。（3）抗逆相关QTL的精细定位与应用：通过构建高代重组自交系（RIL）或近等基因系（NIL），精细定位控制抗逆性的QTL（如小麦抗旱QTLqDTY12.1），并利用紧密连锁的分子标记进行辅助选择，提高选择效率。（4）适应性育种：针对特定生态区（如西北干旱区、沿海盐碱区），结合环境-基因型互作（G×E）分析，选育区域适应性强的品种。例如，黄淮海区选育耐湿涝品种，西北区选育耐旱品种。主要挑战：（1）抗逆性状的复杂性：抗逆性多为数量性状，受多基因控制且与环境互作显著（如干旱胁迫下产量的遗传力仅20-30%），基因克隆和QTL定位难度大。（2）抗逆与产量的负相关：抗逆基因（如干旱诱导的生长抑制基因）可能导致产量下降，需平衡抗逆性与产量、品质的关系（如水稻耐盐品种“海稻86”需同时提高单产）。（3）表型鉴定的准确性：田间抗逆性鉴定受环境波动影响大（如不同年份干旱发生时期和强度不同），需开发高通量表型平台（如无人机光谱监测、自动称重式根箱），提高鉴定效率和精度。（4）遗传转化效率限制：部分作物（如大豆、木薯）的遗传转化体系不成熟，限制了抗逆基因的功能验证和应用（如CRISPR编辑大豆GmDREB2的转化效率仅5-10%）。四、综合应用题（15分）设计一个水稻抗稻瘟病高产新品种的育种方案，要求包含育种目标、技术路线、关键环节及预期成果。答：1.育种目标（1）核心目标：培育抗稻瘟病（对当地优势小种如ZB15、ZC13的抗性达中抗以上）、高产（比对照品种增产10%以上）、米质优（国标3级以上）的水稻新品种，适应长江中下游稻区（一季中稻）生态条件。（2）次要目标：株高110-120cm（抗倒）、生育期135-140天（避开寒露风）、中抗白叶枯病。2.技术路线（1）亲本选择：①抗病亲本：选用携带广谱抗稻瘟病基因Pi9（定位在第6染色体）和Pi54（第11染色体）的材料，如“IR64-Pi9/Pi54”（通过分子标记辅助回交转育获得的近等基因系）。②高产优质亲本：选用当地主栽品种“扬两优6号”（产量高、米质优，但感稻瘟病）。（2）杂交组合配制：以“扬两优6号”为母本，“IR64-Pi9/Pi54”为父本，配制杂交组合F1（扬两优6号×IR64-Pi9/Pi54）。（3）后代选择：①F2-F4世代：种植群体（5000-8000株），利用与Pi9（标记RM527）、Pi54（标记AP5659）紧密连锁的分子标记进行foreground选择（筛选同时携带Pi9和Pi54的单株），结合背景选择（利用50个均匀分布的SSR标记，选择背景恢复率＞85%的单株）。②F5-F6世代：对入选株系进行田间鉴定，重点筛选株高、生育期符合目标的单株，同时进行稻瘟病人工接种鉴定（苗期接种ZB15、ZC13小种，叶瘟发病率＜30%；抽穗期接种穗颈瘟，发病率＜10%）。③F7-F8世代：进行品比试验（3次重复，小区面积15m²），测定产量（目标≥9.0t/ha，对照品种为“扬两优6号”的8.2t/ha）、米质（整精米率≥55%，垩白度≤5%）及抗倒性（茎秆强度＞30N）。（4）区域试验与审定：通过品比试验的优异株系参加省级区域试验（2年）和生产试验（1年），验证其在长江中下游不同生态点的适应性和稳定性。3.关键环节（1）分子标记的准确性：需验证Pi9、Pi54标记与目标基因的连锁距离（＜2cM），避免因重组导致标记与基因分离。（2）抗病性鉴定的可靠性：人工接种需模拟田间自然发病条件（如湿度＞90%、温度25-28℃），确保鉴定结果