winQTLCart2.0使用程序和QTL分析新方法—关联分析

以分子标记技术为基础的作物数量性状基因(QTL)的研究成为目前作物遗传育种研究的热点。QTL定位的基本原理是分析标记基因型和数量性状值之间的连锁关系。进行QTL定位通常需要适当的分离群体,群体的表型数据,群体的基于分子标记的基因型数据,然后统计分析所有的标记基因型和表型的关系,从而在全基因组上确定所有可能的数量性状在染色体上的位置及效应。QTL分析软件winQTLCart2.0使用程序包括:数据准备、软件运行、基因(QTL)定位和分析、制图。QTL定位分析的新方法关联分析利用不同基因座等位变异(基因)间的连锁不平衡关系,进行标记与性状的相关性分析,以达到鉴定特定目标性状基因(或染色体区段)的目的,关联分析大大提高了目标性状基因或者相关QTL的挖掘和定位。     

小麦骨干亲本研究进展

骨干亲本形成的遗传基础研究已经成为作物优异种质分子评价的重要部分,对作物育种具有非常重要的实践意义。为此,就小麦骨干亲本的遗传多样性、重要基因组区段及有利基因发掘的研究进行了阐述,并介绍了以连锁不平衡研究为基础开始在植物系谱群体进行数量性状研究的几种策略。     

小麦骨干亲本京411及衍生品种苗期根部性状的遗传

【目的】利用高密度SNP标记解析骨干亲本京411的遗传结构,并研究其根系性状遗传特征,为培育高产广适性品种奠定基础。【方法】选用京411及其14个衍生品种（系）,包括衍生一代6份,衍生二代8份,每品种选取饱满且大小一致的种子在发苗网上生长6 d,每份材料选取大小一致的幼苗转移至培养盘,每个培养盘种植3次重复,连续培养15 d后测定苗期根部性状的最长根长、侧根长、主根长、总根长、侧根表面积、主根表面积、总根表面积、总根尖数和根系干重。利用90K SNP芯片分析京411及其衍生后代群体的遗传结构和遗传区段传递,结合逐步回归分析定位苗期根部性状基因,探讨京411携带的优异根系基因在衍生后代中的分布。【结果】京411衍生群体平均遗传相似性为57.9%,该亲本与其衍生一代和衍生二代相同的等位变异频率分别为63.9%和67.9%,显著高于理论值。在A、B和D基因组间的相同等位变异频率分别为62.2%、61.3%和74.3%。京411的侧根和根尖数均优于其衍生品种,衍生品种的主根长和根干物质重量等性状的改良较为显著。以已有定位信息的SNP标记与根系性状进行逐步回归分析,共发掘出35个根系性状位点,3DL和5BL上携带控制根长性状的主效位点,分别与SNP标记wsnp_Ex_c1032_1972861和BS00100708_51关联,可用于京411衍生群体中分子辅助选择。来自京411的26个位点对根部性状起正向效应,中麦175和CA0958携带正向效应区段最多,占正向效应位点总数的73.1%。【结论】传统育种对地上部农艺性状的选择,可有效促进地下根系的改良,相当于对优异性状遗传片段的聚合。在京411衍生群体中,中麦175是针对骨干亲本遗传改良最成功的品种,不仅携带较多的京411优异根系基因,而且其主要根系性状、产量表现及广适性均优于京411。     

菊花品种表型性状与SRAP分子标记的关联分析

【目的】寻找与菊花重要园艺性状相关联的分子标记,为菊花复杂数量性状的研究以及分子标记辅助育种奠定遗传学基础。【方法】利用筛选出的19对SRAP引物组合对58个典型大菊品种进行多位点扫描分析。在对供试材料进行群体结构分析的基础上,利用TASSEL软件,对获得的分子标记与这些品种的18个重要表型性状进行关联分析。【结果】群体遗传结构分析将58个大菊品种划分为5个亚群结构：平瓣类、管瓣类、畸瓣类、桂瓣类和日本品种亚群;通过关联分析,发现有6个标记位点与5个性状关联(P＜0.01),其中与花部性状（花梗粗度、花瓣宽度、筒状小花数量）相关位点共5个,与茎部（茎粗度）相关位点1个,与叶部性状（叶厚度）相关位点1个,各位点对表型变异的解释率在0.0738-0.4791。【结论】利用SRAP标记可有效地对菊花进行群体结构的判断和划分。关联分析能够有效地找到与菊花表型性状关联的SRAP标记,用于分子标记辅助育种。     

马铃薯品种（系）田间晚疫病抗性评价和全基因组遗传多样性分析

【目的】进行田间晚疫病抗性评价,利用SNP分子标记分析马铃薯抗晚疫病种质的遗传多样性及分离基因组内可能影响马铃薯晚疫病抗病性状的遗传区段,为马铃薯晚疫病抗性种质创新与利用提供理论依据。【方法】通过多年多点田间鉴定对马铃薯种质资源进行晚疫病抗性评价。利用dd-RAD技术对马铃薯种质资源进行简化基因组测序并分型SNP标记。利用Admixture软件分析群体的遗传结构,GCTA软件进行主成分分析,fastTree软件构建系统发育树,stacks程序包中的populations命令计算群体遗传多样性参数,vcftools程序计算选择性消除参数,Clustal Omega程序比对氨基酸序列,MEGA6绘制氨基酸序列进化树,GEMMA 0.98.1软件进行全基因组关联分析,CMplot程序绘制QQ图和曼哈顿图。【结果】通过对马铃薯种质资源多年多点田间晚疫病抗性进行鉴定,得到101个抗晚疫病的品种（系）及21个感病品种,并对它们进行dd-RAD简化基因组测序,通过对比参考基因组,共检测到分布相对均匀的8 697 602个SNP。通过种群结构分析、主成分分析和系统进化分析,将这些种质资源进一步划分为6个群体。6个群体之内的平均核苷酸多样性值（π）为0.2055—0.2572,之间的群体分化指数（Fst）为0.156909—0.187336,说明这些种质资源存在较丰富的单核苷酸多态性。同时6个群体内期望杂合度（He）为0.187—0.2297,观测杂合度（Ho）为0.0829—0.1186,6个群体内的观测杂合度均小于期望杂合度,并且6个群体内的近交系数（Fis）范围为0.2412—0.3554,说明在选育这些种质的过程中存在近交现象。分析可能影响晚疫病抗性的马铃薯基因组遗传区段,以20 kb为窗口,5 kb为步长,在基因组相同位置,分别计算不同抗性种质间π值比值和Fst值,进行选择性消除分析,选择π值比值最小的5%及Fst值最大的10%的745个遗传区段进行分析,遗传区段中共包含507个基因,其中,有4个NBS-LRR类基因。利用群体SNP和马铃薯种质的不同晚疫病抗性表型,进行全基因组关联分析,有9个SNP与抗病性状高度相关,其周围50 kb的基因组范围内,有69个基因,其中15个基因预测参与到应激反应,12个基因预测参与清除过氧化物自由基过程。【结论】dd-RAD简化基因组测序可以在马铃薯基因组中分型获得数量较多、分布相对均匀的SNP标记。马铃薯田间抗晚疫病种质资源拥有较丰富的单核苷酸多态性,但在其选育过程中存在近交现象。选择性清除和关联分析有助于分离影响晚疫病抗病性状的遗传区段。     

禾谷类作物的比较基因组研究

 水稻是基因组最小的禾谷类作物,饱和遗传连锁图谱的构建,以及在此基础上开展的标记辅助选择和抗病基因克隆,表明水稻基因组研究已经领先于其他禾谷类作物。比较基因组研究表明：小麦、玉米、高粱、谷子和甘蔗的基因组均可由水稻染色体区段重新排列而成，这些区段上DNA标记的排列顺序在各个种之间保留。各种作物基因组大小的差异可能由于各个区段内基因间重复顺序扩增的程度不同所致。根据这些区段在各种作物染色体的排列顺序，有人提出根据水稻染色体区段排列单个原始禾谷类染色体的设想，为深入研究禾谷类作物的进化遗传提出了全新的思路。禾谷类作物基因组之间的共线性有利于在小基因组内克隆大基因组作物的同源基因，使生物技术在作物育种中发挥更大的作用。     

基于SSR标记的中美紫花苜蓿品种遗传多样性研究

【目的】紫花苜蓿是世界上最重要的栽培牧草。传统的育种方式对其产量及品质的改良幅度多年来徘徊不前,已经远远不能满足生产需要。对于品种的改良,一方面依赖于所掌握资源的数量,另一方面则是对其农艺性状遗传基础的了解程度。本试验基于SSR分子标记,研究现有中美两国的紫花苜蓿品种遗传变异,分析两国紫花苜蓿种质资源的遗传多样性和群体结构,为利用全基因组关联分析发掘紫花苜蓿重要产量与品质性状显著关联的优异标记、等位位点提供基础,为分子育种提供信息,加快育种进程。【方法】利用覆盖紫花苜蓿全基因组的40对SSR分子标记（每条染色体上选取3-9对SSR标记）,采用基于测序的基因型鉴定技术对中美16个紫花苜蓿主栽品种的100个基因型个体（中国每个品种8个基因型个体,美国每个品种4个基因型个体）进行全基因组扫描分析。利用基于混合模型的Structure软件分析紫花苜蓿的群体结构。设定群体数K的估计值范围为1-6,将MCMC（Markov chain monte carlo） 开始时的不作数迭代(length of burn-in period） 设为10 000次,将不作数迭代后的MCMC设为100 000次,每个K值重复数为10次。采用了两种方法来确定最优的群体数K的值,结果由Structure Harvester和Distruct软件来展示。对Structure群体结构结果进一步用主成分分析和聚类分析进行验证。根据群体结构结果,对全体材料及不同群体进行遗传多样性分析。【结果】40对覆盖紫花苜蓿全基因组的SSR分子标记共检测到446个等位基因,每个位点等位基因范围为3-27个,平均每个位点等位基因数为11.2个;基因多样性的变异范围为0.542-0.908,平均值为0.742;多态信息含量的变异范围为0.493-0.901,平均值为0.707。这些参数显示了中美紫花苜蓿所包含的遗传多样性信息含量较高。其中,mtic238、mtic188、bf111、afctt1、bf641851、maa660456、aw361等位点上表现较高的遗传多样性,表明这些位点可以较好地反映中美紫花苜蓿品种的遗传多样性,适用于中美紫花苜蓿品种的遗传多样性检测。就不同染色体而言,第二条和第八条染色体上分布的SSR标记揭示的遗传多样性较高,而第一条相对较低。基于混合模型的方法对紫花苜蓿全体基因型进行群体结构分析,两种不同方法均显示确定最优的群体数K值为2,中美两国16个紫花苜蓿品种共100个基因型个体基本按照来源分为两个亚群体,群体间有少量混杂的情况发生。主成分分析和聚类分析与群体结构的分析结果相一致。中国紫花苜蓿品种多样性略高于美国,但差异不显著。【结论】中美两国紫花苜蓿材料蕴含了比较丰富的遗传变异,显示了较高水平的基因多样性。中美群体间的遗传多样性水平存在一定的差异,中国紫花苜蓿种质多样性水平略高于美国。群体结构不严格按照来源国家的划分而区分,这一现象与紫花苜蓿异花授粉与广泛的基因交流有着密切的关系。     

水稻稀穗突变体lax3的遗传分析及基因定位

穗粒数是构成作物产量的三大要素之一，与作物产量具有显著的正相关关系，定位、克隆与穗粒数有关的新基因为解析作物产量构成具有十分重要的意义。利用穗颈注射法将高粱基因组DNA导入水稻品种9311中，在后代筛选到1个稀穗突变体，暂定名为lax3。研究了该突变体的主要农艺性状和稀穗的遗传方式，并对该稀穗突变基因进行了精细定位。研究结果表明，该稀穗突变体lax3在株高、分蘖、枝梗和穗粒数上与受体9311相比存在显著的差异。遗传分析表明该突变体的稀穗性状受1对隐性核基因控制，用lax3/02428 F₂群体将该基因初步定位在水稻第4染色体上，位于SSR标记RM16335和RM16424之间，交换单株分别为5株和3株。通过扩大遗传群体和进一步开发标记，最后将该基因定位在RM16349和Indel标记In4-8之间，两者之间的物理距离约为96.9 kb。本研究结果为进一步克隆该基因、解析水稻穗粒结构调控机制和分子辅助选育奠定一定的基础。     

陆地棉纤维品质性状主基因与多基因混合遗传分析

采用2个纤维品质表现高强的材料和黄河流域棉区的2个主栽抗虫品种配成2个组合,利用主基因与多基因混合遗传模型分析方法,对主要纤维品质性状进行5个世代联合分析。结果表明多数品质性状是由一个主基因和多基因控制。主基因遗传效应中,F2分离群体中,比强度的遗传效应最大,为14.36%和8.40%,其次是绒长性状,为9.51%和2.59%。F2:3中的主基因效应与F2接近。主基因显性效应很小,除纤维长度在一个组合中总显性效应(主基因显性效应 多基因显性效应)为较大正值外,其余三个性状在两个组合中均表现负值或接近于0,杂合状态下多数纤维品质性状表型值偏向中亲值或低亲值,分子标记研究也证明了这一点,所以棉花纤维品质性状单纯依靠表型选择效率低,需要依靠分子标记辅助育种对主栽品种进行品质改良。     

陇东绒山羊微卫星多态性及其与部分经济性状相关性的研究

为了在陇东绒山羊群体实施标记辅助选择,根据山羊遗传连锁图谱和相关文献资料,选用9个微卫星座位,8%非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳PCR扩增产物,对我国特有遗传资源50只陇东绒山羊基因组DNA的遗传多样性进行了检测,通过标记多态性与生产性状的最小二乘线性模型,进行了分子标记与经济性状的相关分析.结果表明:9个微卫星座位在陇东绒山羊群体中共检测到90个等位基因,平均每个座位的等位基因数为10个.其中微卫星座位LSCV24等位基因数最多,为14个,等位基因数最少的是DB6,只有6个;在所标记群体内平均多态信息含量为0.84±0.03,平均遗传杂合度为0.86±0.03.在9个基因座上发现与某些经济性状密切相关的标记效应(P＜0.05),同时在这些位点上找到各经济性状优势基因型以及对相应性状具有正效应或负效应的等位基因.     

Hitchhiking Effect Mapping： A New Approach for Discovering Agronomic Important Genes

Besides the natural selection, the crops cultivated today have experienced two episodes of strong artificial selection, domestic and modern breeding. Domestication led to giant genetic structure differentiation between cultivars and their wild species, while modern breeding made further genetic structure differentiation between the modern varieties and the landraces. In a population, diversity of the loci under strong selection is significantly lower than that of other loci. At the same time, diversity in the genomic regions flanking these selected loci also declines in the process of selection. This phenomenon is called hitchhiking effects or selection sweep in genetics. Genomic regions with selection sweep （haplotype block） could be detected after draft genome scanning （genome typing） with molecular markers in a number of released varieties or natural populations. Marker/trait association analysis in these regions would detect the loci （or QTLs） even the favored alleles （genes） in breeding or natural adaptation. Fine scanning of these genomic regions would help to determine the sizes of haplotype blocks and to discover the key genes, thereby providing very valuable information for isolation of the key genes and molecular design of new varieties. Establishment of high density genetic linkage maps in the major crops and availability of high throughput genotyping platform make it possible to discover agronomic important genes through marker/trait association analysis. On the basis of available publications, we give a brief introduction of the hitchhiking effect mapping approach in this paper using plant height, 1 000-grain weight, and phosphorus-deficiency tolerance as examples in wheat.     

油棕育种现状及关联分析在油棕分子辅助育种中的应用展望

油棕年产油量4~6 t/hm2,有"世界油王"之称,是我国"十二五"规划重点支持的热带木本油料作物。我国每年需要进口大量的棕榈油,但国内的油棕种植业尤其是良种选育还处于起步阶段。关联分析作为一种快速挖掘遗传标记与作物经济性状间的关联的研究策略,在油棕分子辅助育种中有重要的应用前景。综述了油棕育种的特点、目标及现状,阐述了关联分析在多种作物育种相关研究中的应用实例,并对其在油棕分子辅助育种中的应用前景进行了展望,以期为油棕选育种提供研究思路。     

黄淮小麦农艺性状演变趋势

【目的】通过对黄淮小麦品种农艺性状演变趋势分析,研究黄淮小麦适应气候变化自然选择和人工高产育种选择的规律。【方法】记载二倍体、四倍体、六倍体小麦进化材料和现代小麦品种不同生育期的农艺性状,收获后测定产量性状。【结果】小麦在进化过程中,分蘖和叶片数有减少的趋势。二倍体→四倍体→六倍体野生种,株高有增加的趋势;从六倍体野生小麦到现代小麦,株高和生物学产量又有明显降低的趋势。单株总叶面积在返青—抽穗期是二倍体＜四倍体＜六倍体＜农家种＜现代品种,在开花期—灌浆期是六倍体＞四倍体＞农家种和现代品种＞二倍体,表现相反趋势。小麦单株生物学产量有降低的趋势,籽粒产量和收获指数有增加的趋势。【结论】野生种具有适应低温和生长缓慢的野生生长方式和遗传特性,现代品种适应气候变暖而提早成熟,减少分蘖,避免旺长遭遇冷害,后期叶片将更多的干物质转运到籽粒。     

欧洲与东亚小麦品种遗传多样性的比较分析

 【目的】在分子水平上回答欧洲和东亚小麦品种的遗传关系和多样性差异；同时对Genomic-SSR（gSSR）和EST-SSR（eSSR）多态性水平进行比较分析。【方法】利用38个Genomic-SSR引物对和44对EST-SSR引物对分析371份欧洲小麦品种和363份东亚品种。【结果】共检测到865个等位变异，每个引物对的等位变异数为1～50，平均为10.42；多态性信息含量（PIC）为0～0.91, 平均为 0.53；欧洲和东亚品种分别检测到730、716个等位变异，特有等位变异分别为150、135，平均遗传丰富度分别为8.80和8.61，遗传多样性指数分别为 0.46 和0.52。欧洲和东亚小麦品种在聚类图上明显地划分为两大类群；每个国家或大区聚类结果与其地理分布基本一致，即相邻国家或地区的品种亲缘关系更近一些。近一半基因座的等位变异频率及其分布在欧洲与东亚材料间存在明显差异。 通过标记/性状关联分析，在4B、5A、6A、7B染色体上发现6个影响穗粒数、千粒重、株高、抽穗期、有效分蘖等重要农艺性状的基因座，其中个别基因座优势等位变异差异可能与东亚、欧洲品种的分化密切相关。中国20世纪50～80年代育成品种在大的聚类上明显靠近欧洲材料、而远离中国50年代以前的育成品种和地方品种，这与中国的育种实际相吻合。基于Genomic-SSR和基于EST-SSR的聚类图整体趋势是一致的，但由前者估算的遗传距离远高于后者，因此，一般的SSR较功能基因SSR更易发生变异，由育种选择所引起的分化更快。【结论】在中国今后的小麦育种中，需要通过杂交、回交，对欧洲品种的一些重要基因座等位变异（基因）进行置换，方有可能实现“洋为中用”的目的。     

作物智能设计育种——自然变异的智能组合和人工变异的智能创制

作物育种正在从传统的经验育种转向BT+IT驱动的智能设计育种。提升智能设计育种的能力和水平对解决我国未来粮食安全问题具有重要意义。未来作物智能设计育种将具有“双轮驱动”特征：智能化的杂交育种以育种大数据和育种模型为基础,精准设计自然变异的最优组合,并以最快捷的杂交组配方式实现自然变异的最优组合;智能化的生物育种利用人工智能技术和合成进化技术,设计DNA/蛋白质序列,可以“道法自然、超越自然”,指导作物的基因编辑育种和合成生物学。探讨了作物智能设计育种范式的理论基础、技术手段和发展趋势,分析了我国作物智能设计育种在产业化过程中面临的市场和政策瓶颈,并提出相关对策。     

2020-11期目录

随着新一代基因组测序技术的快速发展，基因组选择技术在促进优良基因型精准高效选育方面展现了前所未有的应用前景。近年来，基因组选择在动植物数量性状遗传育种领域的研究进展引起了广泛关注，关于其在林木改良驯化中的应用 也逐渐被报道。本文通过综述基因组选择的基本概况、主要模型方法及其在动植物中的研究进展，进一步探讨了基因组选择在林木育种研究中的现状和发展趋势，强调了对预测模型优化与机器学习等新兴技术的引入与方法创新，提出了联合利用全基因组关联分析与基因组编辑技术的优化育种方案，为加快林木优良品种的精准选育提供了新思路。      

矮败小麦轮回双向交替选择育种技术研究

为育成适合沧州地区生产的小麦突破性品种,利用矮败材料和优异抗旱耐盐亲本材料,建立盐碱圃和优良圃的双向交替选择,从而构建轮回选择群体,创新了矮败小麦轮回双向交替选择育种技术,实现了品种大量聚集有效的主效基因和微效基因,使之充分重组累加,产生更多遗传变异。利用自然选择的方法加大逆境选择压力,培育品种的多抗性,并通过人工选择和自然选择的方法选择培育出不同类型区的品种,培育出了沧核036等小麦品种,是一种行之有效的育种方法。     

Advancements in plant regeneration and genetic transformation of grapevine(Vitis spp.)

Grapevine(Vitis spp.) is one of the most economically important fruit crops worldwide, and there is considerable interest in improving its major agronomic and enological traits in response to ever-changing agricultural environments and consumer demands. Molecular genetic techniques in particular, associated with rapid technological advancements, provide an attractive alternative to conventional breeding approaches for developing new grapevine varieties with enhanced yield performance, quality, stress tolerance and disease resistance. To date, several grapevine varieties have been transformed with genes associated with diverse functions through biolistic bombardment and/or Agrobacterium-mediated transformation, and transgenic grape lines have been obtained using established regeneration systems. Nevertheless, a wide range of factors, including genotype, explant source and culture medium, have been shown to affect the efficiency of plant regeneration. Moreover, the selection and use of acceptor materials, bacterial strain and cell density, selectable markers and selection methods also influence transformation efficiency. This paper provides an overview of recent advances in grapevine regeneration and genetic transformation and in-depth discussion of the major limiting factors, and discusses promising future strategies to develop robust plant regeneration and genetic transformation in grapevine.     

苦荞品种（系）农艺性状的主成分分析和聚类分析

为直观地揭示苦荞品种（系）间的遗传差异和类群农艺性状特点、并发掘其中的良好资源、避免杂交育种过程中选配亲本的盲目性,对来自全国11个荞麦育种单位的45个苦荞品种（系）的6个主要农艺性状,进行主成分和聚类分析。结果表明：应用主成分分析将6个性状简化为3个主成分,其累计贡献率为83%。采用聚类分析,将45个苦荞品种（系）在2.76水平上聚为4大类：髙秆、中产、小粒型;中秆、高产、大粒型;中秆、低产、小粒型和髙秆、中产、中粒型。其中第2类综合性状表现较好,是良好的品种或良好的育种材料。苦荞品种（系）间遗传差异与原产地和地理距离无任何必然的联系,杂交育种选配亲本时,除考虑性状互补、地理距离等因素外,还应考虑其遗传差异（不同类群）。     

作物抗虫育种的研究进展

作物的抗虫能力是其本身经过长期进化形成的一套防卫体系，具有潜在的利用价值．我国几十年的抗虫育种实践可以分为形态学抗虫育种、生化抗虫育种和基因工程抗虫育种3个阶段．作物的抗虫性同其它性状一样，是能够遗传的．现代生物技术的发展，为抗虫育种工作的深入提供了技术支持，丰富的植物种质资源为筛选优异的抗虫材料奠定了基础．通过基因工程途径创造抗虫的基因工程植株，并与常规育种相结合，必将培育出性状优良的抗虫新品种，并应用于农业生产．