中国栽培和野生大豆农艺及品质性状与SSR标记的关联分析Ⅱ.优异等位变异的发掘

在前文研究已检出与农艺品质性状显著关联的SSR位点的基础上,本文进一步对与性状关联位点的等位变异作解析,通过将携带某等位变异的所有材料表型均值与携带无效等位基因（null allele）材料表型均值做比较,估计等位变异的潜在表型效应增量（减量）,进一步利用该信息估计位点增效（减效）等位变异的平均效应,鉴别出一批农艺品质性状优异位点、等位变异及携带优异等位变异的载体材料。发现在栽培及野生种质中检出的优异等位变异有同、有异、有互补性。发现关联位点正、负效应等位变异均值间有差异,可根据育种目标性状选择要求,选取适合的位点及相应等位变异。同一标记位点可与多性状关联,其等位变异在不同性状间各有其表型效应的方向和大小;等位变异在相关性状效应上方向、大小的异同解释了性状间正、负相关的遗传原因。关联作图得到的信息可以弥补家系连锁法QTL定位信息的不足,并直接利用等位变异信息进行亲本选拔、组合选配及后代等位条带辅助选择以提高育种成效。     

中国野生大豆群体农艺加工性状与SSR关联分析和特异材料的遗传构成

选用204对SSR标记对全国野生大豆群体(174份代表性样本)的基因组扫描,采用TASSEL软件的GLM (general linear model)方法对百粒重、开花期、成熟期、干豆腐得率、干豆乳得率和耐淹性性状值关联分析,解析与性状关联位点的优异等位变异,鉴别出一批与农艺、加工性状关联的优异等位变异及携带优异等位变异的载体材料;进一步分析极值表型材料的遗传构成。结果表明: (1)累计51个位点(次)与性状关联,有些标记同时与2个或多个性状相关联,可能是性状相关的遗传基础;关联位点中累计16位点(次)与连锁分析定位的QTL一致;(2)与地方品种群体和育成品种群体的关联位点比较,发现野生群体关联位点只有少数与之相同,群体间育种性状的遗传结构有明显差异。(3)与多性状关联的位点其等位变异对不同性状的效应方向可相同可不同,如GMES5532a-A332对百粒重和耐淹性的相对死苗率都是增效效应,而GMES5532a-A344对百粒重是减效效应,对相对死苗率是增效效应;(4)极值表型材料间的遗传构成有很大差异。表型值大的材料携带较多增效效应大的位点等位变异,例如N23349的百粒重是9.08 g,含有4个增效效应较大的位点等位变异;表型值小的材料携带较多减效效应大的位点等位变异,如N23387的百粒重是0.75 g,含有4个减效效应较大的位点等位变异。关联作图得到的信息可以弥补连锁定位信息的不足,尤其是全基因组位点上复等位变异的信息为育种提供了亲本选配和后代等位条带辅助选择的依据。     

利用关联分析发掘小麦自然群体旗叶叶绿素含量的优异等位变异

为揭示小麦自然群体干旱胁迫条件下旗叶叶绿素含量的变化, 筛选相关标记的优异等位变异, 以262份小麦种质资源组成的自然群体为材料, 分别种植在北京的2个试验地点, 均设雨养和灌溉处理, 于开花期和灌浆期检测旗叶叶绿素含量。以分布于21条染色体的169个SSR标记检测所有材料的基因型, 利用STRUCTURE 2.3.2软件分析群体结构, 用TASSEL软件的MLM (mixed linear model)方法对小麦自然群体的旗叶叶绿素含量进行关联分析。在此基础上, 将携带某等位变异的所有材料表型均值与携带无效等位基因(null allele)材料表型均值比较, 估计等位变异的表型效应, 鉴别优异等位变异。共检测到2048个等位变异, 每位点2~37个等位变异, 平均12个。每位点的标记多态性信息量(PIC)为0.008~0.936, 平均0.628。在22个标记位点共检测出40个(次)与旗叶叶绿素含量极显著的关联, 其中11个标记位点有2次以上的关联, Xwmc419-1B和Xgwm501-2B分别有3次关联。在Xcfa2123-7A、Xgwm232- 1D和Xgwm429-2B位点分别检测到效应值大于4.0的等位变异。     

水稻耐盐碱胁迫优异等位变异的发掘

本研究以281个水稻品种构成的自然群体为试验材料,调查了盐、碱胁迫下水稻种子萌发能力相关性状,选择260对SSR标记对基因组进行扫描,采用Structure软件进行群体分析,利用GLM（General Linear Model）方法对标记与幼苗耐盐碱能力进行关联分析;并以试验材料表型均值为对照,鉴别出携带优异等位变异及载体材料。检测到15个与盐胁迫下种子萌发能力关联的SSR位点,其中第10条染色体上分别与标记RM184和RM171连锁位点的贡献率较大,达到29.51%和31.67%,优异等位变异RM184-211表型效应值最大为0.31,载体材料为‘滇屯502选早’。检测到与碱胁迫下种子萌发能力相关联的20个SSR位点,其中第3染色体与RM168和第4染色体与RM6314连锁位点的贡献率较大,分别达到39.17%和50.02%,优异等位变异RM6314-179表型效应值最大为0.58,载体材料为‘越6(N202)’。     

甜瓜果实性状EST-SSR位点及优异等位变异分析

为发掘甜瓜果实上重要性状的QTL、优异等位变异及其携带优异等位基因的载体材料。利用一般线性模型对192份甜瓜种质的果实表型和41个SSR标记基因型进行关联分析,通过无效等位基因统计相关位点等位变异的表型效应。结果获得显著关联位点12个,其等位变异中,HNM15-158、HNM26-260、HNM45-210和HNM24-143分别是果实单重、可溶性固形物、果实纵径和果实肉厚的增效效应最大的等位基因,对应典型载体材料分别为PI-143215(1)、PI-136192、PI-313970和PI-145594。发掘甜瓜果实性状关联位点优异等位变异不仅可以为甜瓜分子标记辅助育种提供标记信息,还可以促进后续功能基因研究的发展。     

我国黄淮和南方主要大豆育成品种家族产量和品质优异等位变异在系谱中遗传的研究

以往研究育成品种间的遗传关系只能通过系谱追踪进行一般性分析, 分子标记的发掘则提供了在位点及其等位变异基础上分析育成品种间遗传关系的手段。本研究在黄淮和南方190份大豆育成品种的85个SSR标记与农艺性状关联分析基础上, 将其中163份品种按系谱祖先归为58-161、徐豆1号、齐黄1号、南农493-1、南农1138-2五个家族, 对产量和品质性状进行优异等位变异在系谱中传承情况的分析。所涉及的最佳位点, 产量9个、百粒重3个、蛋白质含量2个、脂肪含量4个, 总解释率分别为91%、36%、13%和31%。每位点考查2个最优等位变异, 家族系谱祖先具有各自的优异等位变异, 随着育种轮次的增加在后育成品种中有丢失; 在系谱祖先基础上新品种衍生过程中吸纳其他亲本, 5个家族趋向共有大部分优异等位变异, 但频率分布不同。5个家族的品种所含有产量最多优异等位变异数未达饱和, 9个位点中最高含7个优异等位变异, 平均每个品种2.23个, 产量有进一步改良潜力。供试条件下高产品种平均产量是低产的2.36倍, 平均优异等位变异数是低产的4.17倍, 高、低产品种优异等位变异构成差异明显, 但高产品种间优异等位变异构成并不相同。也有的品种高产而优异等位变异数并不多, 有的品种优异等位变异较多但产量并不高。大豆育种不断从不同亲本中累积目标性状优异等位变异, 同时有些也在丢失, 应重视保存过时品种的优异等位变异, 以备后用。     

太湖流域粳稻两类群体种子活力性状有利等位变异的发掘

发掘粳稻种子活力性状的优异等位变异和携带优异等位变异的载体材料可为培育适于直播的高活力粳稻品种提供遗传信息和育种材料。以太湖流域粳稻94个品种构成的自然群体和粳稻品种秀水79与粳稻恢复系C堡衍生的247个重组自交家系(RIL)群体为试验材料,利用斜板发芽法发芽,调查生长7d的幼苗根长、苗高和干重3个种子活力性状,采用Tassel软件中的GLM方法和Win QTL Cartographer2.5软件中的CIM方法进行种子活力性状的QTL分析,发掘有利等位变异和相应载体品种。结果表明:(1)在太湖流域粳稻自然群体中共检测到11个与种子活力性状相关联的SSR标记位点,共发掘出42个控制种子活力性状的优异等位变异,其中控制根长的17个,控制苗高的13个,控制幼苗干重的12个。携带种子活力性状优异等位变异且效应值较大的载体材料有滇屯502选早、扬稻6号、开青、籼恢429和C堡等。(2)在RIL群体中共检测到9个与种子活力性状相关的QTL,其中2个控制根长,4个控制苗高,3个控制幼苗干重。除控制幼苗干重的qDW-2a的有利等位变异RM525-143bp来自秀水79以外,其余8个位点的有利等位变异均来自C堡。(3)两类群体均在第1染色体上检测到与根长关联的SSR标记位点,均在第2、第8和第11染色体上检测到与苗高关联的位点,均在第2染色体上检测到与幼苗干重关联的位点,且在自然群体中检测到优于和多于家系群体的等位变异。     

引进陆地棉种质材料纤维品质及农艺性状关联分析

引进陆地棉(Gossypium hirsutum)种质材料的性状-标记关联分析是发掘其优异基因并在分子标记辅助育种中使用的科学依据。本研究利用199个SSR标记和42个In Del标记对94份国外陆地棉种质材料和27份新疆本地品种的纤维品质和农艺学性状进行全基因组关联分析。遗传结构和Neighbor-Join聚类分析将陆地棉种质群体划分为2个亚群,连锁不平衡分析发现有9.42%的位点组合存在LD(p0.01,r2≥0.05);基于混合线性模型的关联分析结果显示,能够同时在2个播期检测到的与6个纤维品质性状、4个产量性状和4个农艺性状显著关联的标记位点分别有18个、10个和5个,平均表型变异解释率分别为6.06%(1.17%~13.86%)、4.62%(1.18%~15.28%)和6.75%(1.87%~9.98%)。上述关联位点中共检测到188个等位变异,其中表型效应值大于0.6的优异等位变异有12个。研究结果可进一步用于分子辅助育种,并为基因精细定位提供参考资料。     

大豆育成品种农艺性状QTL与SSR标记的关联分析

利用85个SSR标记,对大豆育成品种群体(190份代表性材料)的基因组进行扫描,在检测群体结构基础上搜索连锁不平衡位点,并采用TASSEL软件的GLM方法对11个大豆农艺性状QTL进行关联分析。结果表明：(1) 在公共图谱上共线性或非共线性的SSR位点组合均广泛存在连锁不平衡(LD),但不平衡程度D′>0.5的组合数只占总位点组合的1.71%,共线位点D′值随遗传距离衰减较快;(2) SSR数据遗传结构分析表明,育成品种群体由7个亚群体组成,矫正后全群体共有45个位点累计136个位点(次)与11个大豆农艺性状QTL关联,其中22个位点(次)与家系连锁定位的QTL区间相重,有43个位点(次) 2年重复出现;(3) 一些标记同时与2个或多个性状关联,可能是性状相关或一因多效的遗传基础;(4) 育成品种群体关联位点与地方品种群体和野生群体只有少数相同,群体间育种性状的遗传结构有相当大差异;(5) 发掘出农艺性状优异等位变异及其载体品种,包括增效最大的产量等位变异Satt347-300 (+932 kg hm^-2,中豆26),生物量等位变异Satt365-294(+3 123 kg hm^-2,黄毛豆),蛋白质含量等位变异Be475343-198 (+0.41%,淮豆4号),脂肪含量等位变异Satt150-273 (+2.32%,科丰15)等。在此基础上作了设计育种的探讨。     

水稻纹枯病抗性关联分析及抗性等位变异发掘

采用苗期微室接种鉴定法,用144个分布于水稻全基因组的多态性标记,利用TASSEL软件GLM (Q)、MLM (Q+K)和MLM (PCA+K) 3种模型对456份水稻材料组成的自然群体进行纹枯病抗性关联分析。结果发现,有13个标记位点至少在两种模型中均被检测到与纹枯病抗性显著关联,单个位点可解释表型变异的1.84%~8.42%;其中10个标记位点位于以往报道的连锁定位的抗纹枯病QTL附近,3个标记位点(RM1036、RM5371和RM7585)是未曾报道的新的抗病相关位点。抗性等位变异RM7585-150对纹枯病发病病级减效效应最大;有259份材料携带抗性等位变异RM5371-129,占供试材料总数的56.8%,只有26份材料携带抗性等位变异RM1036-82,占供试材料总数的5.7%。水稻纹枯病发病病级与其含有的抗性等位变异数量呈极显著的负相关。本研究结果将为水稻抗纹枯病分子标记辅助育种提供理论依据。     

利用BC2F2高代回交群体定位水稻籽粒大小和形状QTL

以我国优良籼稻恢复系蜀恢527为轮回亲本, 以来自菲律宾的Milagrosa为供体亲本, 培育了样本容量为199株的BC₂F₂高代回交群体。选取85个均匀分布在12条染色体上的多态性SSR标记进行基因型分析, 同时对粒长、粒宽、长宽比和千粒重4种性状进行了表型鉴定。采用性状－标记间的单向和双向方差分析对上述性状进行了QTL定位。单向方差分析(P<0.01)共检测到了10个控制粒长、粒宽、长宽比和千粒重的QTL, 其中有3个具有多效性。由于粒长和长宽比的高度相关性, 控制长宽比的2个QTL均能在粒长QTL中检测到。位于第3染色体着丝粒区域的qgl3b是一个控制粒长、长宽比和千粒重的主效QTL, 它可以分别解释粒长、长宽比和千粒重表型变异的29.37%、26.15%和17.15%。该QTL对于粒长、长宽比和千粒重均表现较大的加性效应(来自蜀恢527的等位基因为增效)和负向超显性。位于第8染色体的qgw8位点是一个控制粒宽的主效QTL, 同时也是控制千粒重的微效QTL, 能解释粒宽表型变异的21.47%和千粒重表型变异的5.16%。该QTL对粒宽和千粒重均具有较大的加性效应(来自蜀恢527的等位基因为增效)和正向部分显性。双向方差分析(P<0.005)共检测到61对显著的上位性互作, 涉及54个QTL, 其中23个是能同时影响2~4个性状的多效位点, 且有8个位点与单向方差分析检测到的相同。控制长宽比的13对上位性互作位点中, 与控制粒长的上位性互作位点完全相同的有8对。以上结果为进一步开展水稻籽粒大小和形状有利基因的精细定位、克隆和分子设计育种奠定了基础。     

中国栽培和野生大豆农艺品质性状与SSR标记的关联分析 I. 群体结构及关联标记

关联作图是一种利用连锁不平衡(linkage disequilibrium, LD)检测自然群体中基因位点及其等位变异的方法。利用60个SSR标记, 对全国大豆地方品种群体(393份代表性材料)和野生大豆群体(196份代表性材料)的基因组变异进行扫描, 分析两类群体的连锁不平衡位点、群体结构, 并采用TASSEL软件的GLM (general linear model)方法对16个农艺、品质性状观测值进行标记与性状的关联分析。结果表明: (1)在公共图谱上不论共线性的或是非共线性的SSR位点组合都有一定程度的LD, 说明历史上发生过连锁群间的重组; 栽培群体的连锁不平衡成对位点数较野生群体多, 但野生群体位点间连锁不平衡程度高, 随距离的衰减慢。(2) 群体SSR数据遗传结构分析发现, 栽培群体和野生群体分别由9和4个亚群体组成, 亚群的划分与群体地理生态类型相关联, 证实地理生态类型划分有其遗传基础。(3) 栽培群体中累计有27个位点与性状相关; 野生大豆种质中累计有34个位点与性状相关。部分标记在两类群体中都表现与同一性状关联, 检出的位点有一致性, 也有互补性; 一些标记同时与2个或多个性状相关联, 可能是性状相关乃至一因多效的遗传基础; 关联位点中累计有24位点(次)与遗传群体连锁分析定位的QTL一致。     

Mapping and use of QTLs controlling pod dehiscence in soybean

While the cultivated soybean, Glycine max (L.) Merr., is more recalcitrant to pod dehiscence (shattering-resistant) than wild soybean, Glycine soja Sieb. & Zucc., there is also significant genetic variation in shattering resistance among cultivated soybean cultivars. To reveal the genetic basis and develop DNA markers for pod dehiscence, several research groups have conducted quantitative trait locus (QTL) analysis using segregated populations derived from crosses between G. max accessions or between a G. max and G. soja accession. In the populations of G. max, a major QTL was repeatedly identified near SSR marker Sat_366 on linkage group J (chromosome 16). Minor QTLs were also detected in several studies, although less commonality was found for the magnitudes of effect and location. In G. max × G. soja populations, only QTLs with a relatively small effect were detected. The major QTL found in G. max was further fine-mapped, leading to the development of specific markers for the shattering resistance allele at this locus. The markers were used in a breeding program, resulting in the production of near-isogenic lines with shattering resistance and genetic backgrounds of Japanese elite cultivars. The markers and lines developed will hopefully contribute to the rapid production of a variety of shattering-resistant soybean cultivars.     

Allozyme diversity of Russian wildrye accessions

Analysis of genetic diversity among plant accessions plays an important role in developing strategies for plant breeding and the conservation of genetic resources. Therefore, we sought to estimate the extent of genetic diversity present among and within 29 Russian wildrye accessions, which were collected from widespread geographic sites. We assessed the genetic diversity of eight enzymes found in 29 Russian wildrye accessions using vertical polyacrylamide gel electrophoresis. The genetic diversity of each accession was estimated from standard genetic parameters that included (1) the number of polymorphic loci; (2) the average number of alleles per locus; (3) the observed and expected heterozygosity. The eight enzymes were encoded by 13 putative loci and 46 alleles. Allozyme analyses revealed a large number of polymorphic loci among the 29 accessions and some of the accessions carry rare alleles and trace their origin to sites in Xinjiang, China, where Russian wildrye is indigenous. The accessions with rare alleles require additional evaluation to determine whether they possess unique phenotypic traits which would be useful in applied plant breeding.     

利用BC2F2高代回交群体定位水稻籽粒大小和形状QTL

以我国优良籼稻恢复系蜀恢527为轮回亲本, 以来自菲律宾的Milagrosa为供体亲本, 培育了样本容量为199株的BC₂F₂高代回交群体。选取85个均匀分布在12条染色体上的多态性SSR标记进行基因型分析, 同时对粒长、粒宽、长宽比和千粒重4种性状进行了表型鉴定。采用性状－标记间的单向和双向方差分析对上述性状进行了QTL定位。单向方差分析(P<0.01)共检测到了10个控制粒长、粒宽、长宽比和千粒重的QTL, 其中有3个具有多效性。由于粒长和长宽比的高度相关性, 控制长宽比的2个QTL均能在粒长QTL中检测到。位于第3染色体着丝粒区域的qgl3b是一个控制粒长、长宽比和千粒重的主效QTL, 它可以分别解释粒长、长宽比和千粒重表型变异的29.37%、26.15%和17.15%。该QTL对于粒长、长宽比和千粒重均表现较大的加性效应(来自蜀恢527的等位基因为增效)和负向超显性。位于第8染色体的qgw8位点是一个控制粒宽的主效QTL, 同时也是控制千粒重的微效QTL, 能解释粒宽表型变异的21.47%和千粒重表型变异的5.16%。该QTL对粒宽和千粒重均具有较大的加性效应(来自蜀恢527的等位基因为增效)和正向部分显性。双向方差分析(P<0.005)共检测到61对显著的上位性互作, 涉及54个QTL, 其中23个是能同时影响2~4个性状的多效位点, 且有8个位点与单向方差分析检测到的相同。控制长宽比的13对上位性互作位点中, 与控制粒长的上位性互作位点完全相同的有8对。以上结果为进一步开展水稻籽粒大小和形状有利基因的精细定位、克隆和分子设计育种奠定了基础。     

大豆杂种产量相关的位点及等位变异分析

选用来源于中国黄淮和美国的熟期组II~IV的8个大豆品种, 按Griffing方法II设计, 配成28个双列杂交组合, 包括8个亲本共计36份材料。选用300个SSR标记, 对8个大豆亲本进行全基因组扫描, 利用基于回归的单标记分析法, 对大豆杂种产量和分子标记进行相关性分析, 估计等位变异的效应和位点的基因型值, 剖析杂种组合的等位变异。结果表明, 300个SSR标记中有38个与杂种产量显著相关, 分布于17个连锁群上, 其中D1a和M等连锁群上较多, 有8个位于连锁定位的QTL区段内(±5 cM)。单个位点可分别解释杂种产量表型变异的11.95%~30.20%。杂种的位点构成中包括有增效显性杂合位点、增效加性纯合位点、减效加性纯合位点和减效显性杂合位点4部分, 其相对重要性依次递减。从38个显著相关的SSR标记位点中, 遴选出Satt449、Satt233和Satt631等9个优异标记基因位点, Satt449~A311、Satt233~A217和Satt631~A152等9个优异等位变异, 以及Satt449~A291/311、Satt233~A202/207和Satt631~A152/180等9个优异杂合基因型位点。这些结果为理解杂种优势的遗传构成和大豆杂种产量聚合育种提供了依据。     

Mining Elite Sea-Island Cotton Germplasm Based on Phenotyping and SSR Markers

[Objective] An elite germplasm resource of sea-island cotton with outstanding traits was mined in order to accelerate the breeding process of new varieties. [Method] The core collections of sea-island cotton germplasm consisted of 178 accessions were used as experimental materials in this study. Analyses of variability and diversity were performed through detecting phenotypic data of six main breeding-targeted traits, including boll weight, boll number per plant, lint percentage, fiber length, fiber strength, and micronaire. The elite germplasm of sea-island cotton was selected according to 10% optimal sampling strategy based on the phenotypic value of each trait. The 120 pairs of polymorphic simple sequence repeat (SSR) primers were used to analyze the polymorphism of 178 accessions of the core collections. Then, we conducted the population structure and clustering analysis based on the genotyping results. According to the results of cluster analysis, the primary elite germplasm was further selected, and the final elite germplasm of sea-island cotton was identified. [Result] The results showed that there was a high variability and abundant genetic diversity in the 6 studied traits. In 178 accessions of sea-island cotton, 262 alleles were detected by 120 pairs of SSR primers, with an average of 2.18 loci. The average polymorphism information content (PIC) was 0.067 8-0.630 0, with an average of 0.296 0, showing moderate polymorphism. The cluster analysis showed that the core collection of sea-island cotton was divided into six groups. twenty-three elite germplasm resources of sea-island cotton were identified based on phenotypic value and cluster analysis of SSR markers. [Conclusion] The germplasm of sea-island cotton can be analyzed and evaluated based on the phenotyping and SSR markers, and then the elite germplasm of sea-island cotton can be identified. These results provided the material basis for the genetic breeding of sea-island cotton, as well as the important reference and basis for the mining and identification of crop elite germplasm.     

中国普通野生稻与栽培稻种SSR多样性的比较分析

采用48对SSR引物对288份我国普通野生稻和栽培稻的遗传多样性进行比较分析。结果显示, 共检测到505个等位基因, 每个位点的等位基因数变幅为5~20, 平均10.5个; 平均Nei基因多样性指数(He)为0.731, 变幅为0.384(RM409)~0.905(RM206)。普通野生稻遗传多样性高于栽培稻种, 栽培稻等位基因数和平均Nei基因多样性指数分别为普通野生稻的70.2%和88.2%, 其中, 栽培稻地方品种和选育品种等位基因数分别为普通野生稻的65.4%和53.0%, 选育品种等位基因数仅为地方品种的81.1%。AMOVA分析表明, 总变异的10.3%是由于种间SSR遗传差异所引起的, 不同SSR位点种间的分化程度不同, 在0.7%~46.3%之间, 有43个位点种间遗传分化达到显著水平, 其中以RM427分化最为明显, 达46.3%。聚类分析表明, 中国普通野生稻总体偏粳, 极少数广东、海南材料偏籼。