TP-M13-SSR技术及其在玉米遗传多样性研究中的应用

遗传多样性分析是种质资源研究的重要组成部分。由于研究群体通常都较大,简便可靠的高通量分析技术显得尤为重要。本文概述了在SSR扩增产物检测过程中的一种基于荧光测序技术的高通量低成本分析技术体系TP-M13-SSR(simple sequence repeat with tailed primer M13)的发展历程、反应原理和应用,并比较了它与普通银染、琼脂糖检测以及常规荧光检测体系在SSR扩增产物检测上的优劣,讨论了该技术在植物遗传多样性研究中的应用潜力。     

玉米基因组学的发展现状及我国的对策

玉米是世界上最重要的禾谷类作物之一.由于玉米在美国是第一大作物,研究基础非常雄厚,美国政府和科学界对玉米的基因组学研究投入了大量的人力物力,迄今为止,已取得了非常显著的成绩.另外,欧洲也在玉米的基因组学研究方面有长足的进步,但与美国相比,还相差很远.对目前国际上玉米基因组学的研究现状和未来发展趋势做一介绍,并提出我国在这个前沿领域的对策。     

基于基因组学的作物种质资源研究:现状与展望

作物种质资源工作涉及面很广,包括种质资源的收集、编目、保护、繁种更新、分发利用与信息系统建立等基础性工作,作物起源、驯化与传播、种质分类、民族植物学与传统知识研究等基础研究,遗传多样性评价、重要性状表型鉴定、种质资源基因型鉴定、基因发掘和种质创新等应用基础研究。经过近百年的努力,种质资源的基础性工作已卓有成效,作物种质资源保护与共享利用体系基本建立。但由于主要基于形态学的传统研究思路和方法存在很多先天不足,种质资源基础研究和应用基础研究一直举步维艰,效率低下。随着分子标记技术和第二代测序技术的快速发展,基因组学理论和方法不断深入到种质资源研究的多个层面,使种质资源保护和创新利用发生了研究思路和方法学上的变革。基因组学研究成果为种质资源的有效收集和保护提供了理论指导,也为阐明作物起源和演化、全面评估种质资源结构多样性提供了核心理论和技术,同时大幅度提高了基因发掘和种质创新效率。特别是全基因组测序、重测序和简化基因组测序技术不断成熟,使在全基因组水平上比较不同种质资源基因组变异成为可能;在此基础上,可阐明农作物起源以及驯化、改良和传播对种质资源形成的影响,明确现有种质资源和野外种质资源群体结构和遗传多样性,提出种质资源异地保存和原生境保护的最佳策略;结合表型鉴定数据,利用连锁分析和关联分析等基因组学方法,可高效发掘种质资源中蕴含的新基因和有利等位基因,提出其利用途径和具体方案,并在种质创新过程中充分利用基因组学研究成果提高创新效率。文章评述了基因组学在种质资源研究中的应用现状,特别是在种质资源基因型鉴定、异地保存和原生境保护、作物起源与进化研究、结构多样性分析、新基因发掘和种质创新等方面的应用情况及其发展趋势。提出了今后的发展方向和工作重点,强调把基因组学理论和方法与作物种质资源研究紧密结合,为种质资源的有效保护和高效利用提供强有力的理论、技术、材料与信息支撑。     

玉米籽粒产量与产量构成因子的关系及条件QTL分析

以我国玉米育种的骨干亲本齐319和黄早四构建的230个F2:3家系群体为材料,通过条件分析结合QTL定位方法探讨了单株产量(GYPP)与单株粒数(KNPP)和百粒重(KWEI)的遗传关系。结果表明,百粒重比单株粒数和单株产量遗传力高,受环境影响小。相关分析表明,单株粒数和百粒重与单株产量均呈现显著正相关,单株粒数与单株产量的相关系数更高。单株产量非条件QTL分析共定位到5个遗传主效应QTL和5对上位性位点,其中4个是控制3个性状(单株产量、单株粒数和百粒重)的一因多效性位点,1个是控制2个性状(单株产量和单株粒数)的一因多效性位点,全部5对上位性位点都与单株粒数和百粒重有关。条件QTL分析还检测到14个QTL位点及10对上位性位点,这些位点在非条件QTL分析中未被检测到,其效应较小。因此,单株粒数和百粒重与单株产量密切相关,通过改良单株粒数和百粒重可有效提高产量;条件QTL分析方法在单个QTL水平上证实了单株产量与单株粒数、百粒重较强的遗传相关性,并且能够检测到更多效应较小的QTL;发掘的两个效应较大的一因多效位点可为玉米高产分子育种和进一步精细定位提供理论参考。     

中国作物分子育种现状与发展前景

近年来,随着基因组测序等多种技术实现突破,基因组学、表型组学等多门“组学”及生物信息学得到迅猛发展,作物育种理论和技术也发生了重大变革。以分子标记育种、转基因育种、分子设计育种为代表的现代作物分子育种技术逐渐成为了全世界作物育种的主流,在我国也正在成为作物遗传改良的重要手段。本文在界定分子育种的基础上,简要分析了中国作物分子育种研究现状和面临的问题,探讨了未来我国作物分子育种的发展策略。     

干旱胁迫下玉米自交系穗部性状与耐旱性关系研究

[目的]干旱是限制我国玉米生产的主要因素,研究干旱胁迫下玉米穗部性状与耐旱性的关系,为玉米耐旱性研究提供理论指导.[方法]通过抽雄吐丝期干旱胁迫的方法,对287份玉米自交系进行耐旱鉴定,调查穗长、穗粗、粒长、粒宽、粒厚、单穗干重、穗轴粗、粒重、百粒重、穗行数、行粒数等穗部性状,研究穗部性状与耐旱性的关系.[结果]相关分析发现单穗干重、穗长、穗行数、行粒数、粒长、粒重与玉米耐旱性存在极显著的相关性,穗粗和百粒重与玉米耐旱性存在显著相关性;通过对耐旱相关的穗部性状主成分分析,得到“产量”因子、“果穗行数”因子、“籽粒重量”因子、“轴部”因子、“果穗尺寸”因子,上述5个因子可以反映玉米自交系穗部的耐旱性;通过聚类分析获得耐旱性弱、适中、强的3种类群.[结论]单穗干重、穗长、穗行数、行粒数、粒长、粒重、穗粗和百粒重是十分重要的耐旱参考指标,在穗部耐旱性状中,对耐旱性的贡献大小依次为产量因素＞果穗行数＞籽粒重量＞轴部因素＞果穗尺寸,玉米在干旱胁迫下粒长、穗轴粗、百粒重较对照下降较少,穗长、穗粗、穗行数、粒重、单穗干重较对照略有增加,行粒数较对照下降适中,此类自交系耐旱性较强.     

玉米胁迫诱导表达基因ZmSNAC1的功能分析

NAC转录因子是具有多种生物功能的植物特异转录调控因子,在植物生长发育、器官建成、激素调节和抵抗逆境等方面发挥着重要的作用。我们之前分离得到1个受干旱、盐、冷等非生物逆境胁迫和植物激素ABA诱导显著上调表达的玉米NAC家族成员ZmSNAC1,过表达转基因株系在苗期的耐脱水能力较野生型株系明显提高。在此基础上,本研究进一步对ZmSNAC1过表达转基因株系在植株生殖生长发育时期的抗旱性和耐盐性进行功能鉴定。结果表明,在干旱胁迫条件下,野生型株系相比转基因株系较存活率提高50%~52%,相对电导率降低17%~21%,叶绿素含量提高36%~47%,脯氨酸含量提高了17%~23%;在300mmol L^-1 NaCl胁迫条件下,转基因株系的存活率提高36~40%。ZmSNAC1可能作为一个正向调控因子在逆境胁迫信号转导过程中发挥重要作用。     

玉米再生相关基因ZmLEC1的序列变异及其与胚性愈伤组织形成能力的关联分析

以95份玉米微核心种质和3份常用玉米转基因受体材料(A188、HiII和综31)组成的关联作图群体,对玉米再生相关候选基因ZmLEC1进行序列变异分析,并利用候选基因关联分析策略揭示该基因与胚性愈伤组织形成能力的关系,发掘提高胚性愈伤组织形成能力的有益等位变异。结果表明,不同材料之间的幼胚胚性愈伤组织形成能力和再生能力有显著差异,其中粤267-1-1诱导的愈伤组织和国际上普遍利用的HiII极为相似,胚性愈伤组织率达到98.48%,可以用于幼胚的遗传转化。ZmLEC1基因多态性分析表明,在852 bp编码区内共发现33个SNPs和9个INDELs,LD衰减距离为300 bp (R²=0.1),ZmLEC1基因中4个多态性位点与胚性愈伤组织形成能力存在显著关联。     

玉米规模化转基因技术体系构建及其应用

玉米是世界种植范围最广、产量最高的粮食作物,为保证世界粮食安全做出了重要贡献。但是病虫害、杂草、干旱、盐碱等生物或非生物胁迫严重影响了玉米生产。培育具有抗虫、抗除草剂、抗病等性状的转基因玉米品种并应用到实际生产中,能够减少玉米产量损失,减少农药化肥使用量。玉米规模化转基因技术体系研究发展迅速,获得的抗虫、抗除草剂转基因玉米已在国外商业化种植18年,带来巨大的经济、社会和生态效益。全球转基因作物种植面积从1996年的170万公顷增加到2013年的1.75亿公顷。转基因玉米新品种培育需要较成熟的玉米规模化转基因技术体系。目前,商业化种植的转基因玉米都是从大量转基因玉米中选择的,具有外源基因单拷贝插入、遗传稳定、无载体骨架插入、目的基因表达合适、对玉米自身性状无影响等特点。国外大公司及部分公立研究机构建立了相对成熟的玉米转基因技术体系。中国玉米转基因技术体系研究起步较晚,目前初步建立了玉米规模化转基因技术体系,有必要进一步提高玉米遗传转化效率及规模化程度。玉米规模化转基因技术体系采用的主要方法是基因枪法和农杆菌介导法。文章详细介绍了2种方法的原理、发展过程及其应用。农杆菌介导法是目前最主流的植物遗传转化方法,具有成本低、外源基因拷贝数低、外源基因能稳定遗传表达等特点,更适用于规模化转基因技术体系。中国在玉米转基因技术体系研究及应用方面有很好的进展,在转基因受体材料选择、农杆菌侵染方法优化等方面对农杆菌介导的玉米遗传转化方法进行了系统优化,以国际上常用的玉米杂交种HiII及中国玉米优良自交系综31等为转化受体,建立了基于幼胚的玉米规模化转基因技术体系,并很好地应用于转基因玉米新品种的创制,获得大量具有生产应用价值的抗虫、抗除草剂转基因玉米。文章展望了玉米转基因技术体系的发展趋势,认为商业自交系作为外植体的筛选、转化事件单拷贝率的提高、无载体骨架序列转基因的提升、多基因转化技术、基因打靶技术、基因编辑技术及安全转化技术等方面是玉米转基因技术发展的趋势。中国应紧跟玉米转基因技术发展趋势,大力发展多基因转化技术、基因打靶技术及安全转化技术,使转基因玉米技术体系更好地服务于基因功能研究、转基因玉米产品研发等。中国通过玉米规模化转基因技术体系获得的转基因玉米将来进入产业化应用,将带来巨大的经济效益、社会效益和环境效益,并将推动玉米转基因技术体系的进一步发展。文章为玉米转基因技术体系优化和转基因玉米新材料获得等方面的研究提供一定的参考。     

特异玉米种质四路糯的穗行数遗传解析

【目的】玉米穗行数与产量密切相关,剖析其遗传基础对指导玉米育种实践具有重要意义。【方法】以只有4行籽粒的中国特异地方品种四路糯选系和多穗行数的自交系农531为亲本,采取单粒传法（single seed descend method, SSD）构建正反交F2:3分离群体。在北京昌平和河南新乡采用随机区组试验设计进行分离群体家系的穗行数表型鉴定。与此同时,根据玉米基因组数据库上公布的标记信息,在全基因组范围内筛选获得173个具有多态性的SSR标记,用于群体基因型鉴定及遗传图谱构建。采用完备区间作图法（ICIM）和复合区间作图法（CIM）进行玉米穗行数QTL定位和遗传效应分析,利用SAS软件GLM程序估计主效QTL对分离群体穗行数遗传变异的贡献率。【结果】表型鉴定结果表明,亲本四路糯选系与农531的穗行数平均值分别为4.0行与19.2行,F2:3家系穗行数变化范围为4.0-17.4行。利用完备区间作图法,分别对北京昌平、河南新乡的正交F2:3群体进行穗行数QTL定位,2个环境下共检测到12个穗行数QTL,分布于除第1、7染色体外的其他8条染色体上。等位变异来源分析表明,本研究定位的QTL减效等位变异全部来自少穗行数亲本四路糯选系。共有5个主效QTL在2个环境下均被检测到,其中,位于bin2.04区间内的主效位点qKRN2-1在单环境下最大可解释群体穗行数变异的18.48%,其余4个主效位点及其单环境下解释的最大表型变异分别为qKRN4-2（11.58%）、qKRN5-1(13.55%)、qKRN8-2（16.91%）和qKRN9-1(9.66%)。利用复合区间作图法,在联合环境条件下共检测到5个穗行数QTL,分布在第2、4、5、8、9染色体上,每个QTL解释的表型变异范围为6.13%-10.05%,除位于第5染色体的QTL以外,其余4个位点与完备区间作图法定位到的主效QTL区间一致。一般线性模型分析显示,在2个环境下,5个主效QTL可分别解释正交F2:3群体51.5%（北京昌平）和54.0%（河南新乡）的表型变异。还定位到2对穗行数上位性QTL位点,分布于第2,、4、9染色体上,但表型贡献率分别仅为2.90%和1.80%。【结论】穗行数减效等位变异全部来自四路糯选系,鉴定出5个玉米穗行数主效QTL,分别位于bin2.04、bin4.09、bin5.04、bin8.05和bin9.03。表明该四路糯选系可作为重要的穗行数遗传研究材料,而定位到的主效QTL可作为玉米穗行数候选基因图位克隆和玉米遗传基础研究的重要候选区段。