小麦烟农999优质高产遗传基础解析

发布时间:2022-03-17 23:34:18 论文编辑:vicky

本文是一篇EI/SCI论文代写,本研究通过 55K SNP 基因芯片与分子标记相结合的手段解析烟农 999 优质高产的遗传基础,阐明关键染色体区段在后代中的遗传效应,明确烟农 999 的遗传组成,并通过苗期抗旱调查,进一步验证其优良品质。为品种的分子设计、杂交育种亲本的选配及后代的分子标记选择提供理论依据。


第一章  文献综述


1.1  小麦概述

普通小麦(Triticum aestivum L.)是禾本科的一种谷类作物,为一年生或者两年生。其具有良好的适应性,并且在地球上分布范围广,北纬 20 ~ 60°以及南纬20 ~ 40°都有种植,全球种植面积约 2.2 亿公顷,年产量约 7.5 亿吨[1]。作为世界重要粮食作物之一,小麦的消费量和产量在全球谷物中占比 30%左右,为人类提供了约 15%日常卡路里消耗,贸易量在全球谷物中占比 44%左右[2-3]。小麦在我国的栽培历史非常悠久,目前栽培区域主要集中在华北(河南、河北、吉林、辽宁、陕西、山西、山东、安徽和天津等地区)及西南(四川、重庆)等地区,随着育种水平的不断发展,小麦产量近 20 年来增幅很大,但由于我国人口基数巨大,并且现阶段小麦单产的增速呈逐年下滑趋势,平均年增长率仅为  0.7%[4],因此现阶段小麦生产水平仍然无法满足我国人民日益增长的美好生活需要。研究表明,到 2050 年世界范围内小麦产量要提高 50% ~ 60%才能满足基本需求。因此,加快育种进程,提高育种效率,保证育种质量,从而培育更优质、更高产、具有优秀抗逆抗病能力的小麦品种,对于提高我国国际地位、促进我国经济发展和提高国民生活水平具有极为重要的意义[5]。


1.2  骨干亲本及其研究进展

1.2.1  骨干亲本概念的提出

骨干亲本通常是指能够培育出大面积推广的品种,或由其衍生出许多含有广泛应用价值的种质资源的亲本育种材料[6]。这一概念最早是我国著名科学家庄巧生院士提出的,他利用系谱分析法对我国现有小麦品种进行细致分析后发现,在我国小麦杂交育种进程中,有一些亲本品种发挥着重要的骨干作用,由其衍生的优质高产的推广品种数目众多,“骨干亲本”这一概念便应运而生。骨干亲本奠定了我国小麦品种遗传改良的基础,它不仅自身拥有优良的农艺性状,并且可以持续稳定的传递到下一代,这种特性使其在育种工作中扮演着重要的角色,小麦新旧品种间的更替离不开骨干亲本与其它优质小麦品种优良特性的结合交融,这也是现阶段小麦育种的主要方式,对于加快小麦育种工作的进程和提高小麦的品质产量做出了突出的贡献。骨干亲本品种带有许多优良基因,是小麦分子水平研究的理想材料,我国历来把小麦骨干亲本的挖掘及研究视为重中之重[7]。当前,小麦学界已确定了 20 个骨干亲本,包括燕大 1817、蚂蚱麦、江东门、北京 8 号、成都光头、蚰子麦、碧蚂 4 号、西农 6028、南大 2419、五一麦、欧柔、阿勃、阿夫、墨巴 66、洛夫林 10 号、繁 6、早洋麦、矮孟牛、小偃 6 号和周 8425B 等。在我国解放初期,小麦育种家赵洪璋教授利用当时广泛种植的品种碧玉麦和来自美国的蚂蚱麦进行多年杂交,最终选育出了丰产抗锈的“碧蚂 1 ~ 6 号”,其中碧蚂 1 号和碧蚂 4 号抗倒伏、抗病性好,产量高,成为上世纪 50 年代在我国黄淮麦区主要种植的小麦品种,碧蚂 1 号种植面积一度达到 9000 余万亩[8-9]。冬小麦种质“矮孟牛”是通过聚合杂交方式培育的为我国农业生产做出巨大贡献的小麦种质,是由山东农业大学李晴祺教授领衔团队历时 10 余年选育出来的,其亲本组合为“矮丰 3 号//孟县 201/牛朱特”;作为骨干亲本,其优良基因多,配合力强,抗病性好。曾获得了国家科学技术发明一等奖[10]。繁 6 是四川农业大学颜济教授培育出的重要抗条锈病小麦骨干亲本,是优良的丰产亲本,同时具有一定的矮化能力,20 世纪 70 年代起在西南小麦种植地区广泛种植,且年种植面积超过230 万公顷[11]。鲁麦 14 是上世纪 80 年代育成的小麦品种,其株型紧凑、成穗率高、抗病性好、适应性广,具有半矮杆、稳产、丰产等特点。20 世纪 90 年代初期在黄淮冬麦区累计推广面积超过 66.7 万公顷,成为当时该区域种植面积最大的品种。鲁麦 14 还被用作优良亲本选育出众多小麦品种,包括济麦 22、良星 99、汶农 14、烟农 999 等品种。


第二章  烟农 999 及其衍生后代田间表型与苗期根系抗旱性鉴定


2.1  试验材料

2.1.1  田间表型鉴定材料

表型鉴定以烟农 999(图 2-1)及其 51 份衍生后代(见附表 1)为材料,均由山东省烟台市农科院提供,包括 6 个烟农 999 子二代材料,子 4 代材料 20 个,子 5 代材料 4 个,子 6 代材料 4 个,正在参试的品比材料 9 个,正在产比鉴定材料 8 个,衍生后代材料涉及范围较广。并把上述材料于 2019-2020 播种于山东省烟台市院格庄瀑拉谷小麦试验田,单行种植,每行 15 粒,行长 1.5 m,行距 0.25 m,两次重复,按照当地的栽培方法进行田间管理。

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2.2  试验方法

2.2.1  表型数据调查

性状调查:待小麦完全成熟时,将试验田内的小麦每种材料随机抽样 5 株,取于室内考种,按照考种标准,对各材料的株高、穗长、芒长、穗层整齐度、单株穗数、穗茎长、小穗数、穗粒数进行调查,收获脱粒以后使用考种仪(托普云农)进行千粒重测量,并对单株产量利用电子秤进行称重。其中株高、穗茎长、穗长、穗粒数、芒长、小穗数的数值是对小麦单株主茎穗测量获得。

株高:用米尺测量从茎基部到穗顶部的长度(不包括麦芒的长度)。 穗层整齐度:穗层整齐度=穗长/(株高-最低穗层高度+穗长),其中最低穗层高度为最低穗茎基部到穗顶部的长度(不包括麦芒的长度)。 单株穗数:记录每一单株全部穗数。 穗茎长:用米尺测量从旗叶基部的茎的位置到穗基部的长度。 穗长:穗基部到穗顶部的长度(不包括麦芒的长度)。 芒长:麦穗顶部麦芒的长度。 小穗数:单个麦穗上所有小穗的数量。 穗粒数:单个麦穗上所有籽粒数量。 千粒重:脱粒后,随机选取同一材料 100 粒左右正常籽粒(即不包含烂粒和未成形籽粒),利用托普云农考种仪检测。 单株产量:整个植株所有籽粒的的重量。

2.2.2  表型数据处理

利用 Microsoft Excel 2016 软件对表型数据进行初步处理,包括表型数据的初步整理分析,然后利用 IBM SPSS Statistics 25 软件对表型初步统计结果进一步分析,计算最大值、最小值、平均值和标准差等,并绘制频数分布直方图。


第三章  基于 55K SNP 芯片技术的烟农 999 及其衍生后代的遗传解析 .............. 25

3.1  试验材料................................ 25

3.2  试验方法........................... 25

第四章  基于功能标记与普通分子标记的烟农 999 及其衍生后代的遗传解析.... 41

4.1  试验材料.......................................... 41

4.2  试验方法............................................. 41

结论...................................... 52


第四章  基于功能标记与普通分子标记的烟农 999 及其衍生后代的遗传解析


4.2  试验方法

4.2.1 DNA 提取

采用 CTAB 法提取小麦的基因组 DNA。 a、容器与仪器 1.5 及 2.0 ml 离心管、Thermo 移液枪、恒温水浴锅、eppendorf 离心机。 b、试剂 CTAB 缓冲溶液(配制方法见表 4-1)、氯仿、异丙醇、75%乙醇、ddH2O。 c、方法

(1)先将小麦幼嫩叶片剪成长约 1 cm 的片段,用镊子塞入提前灭好菌的2.0 mL 的离心管中,加入钢珠,盖好盖子,然后放入液氮中冷冻,30 s 后取出,立即上下剧烈震荡,使其充分磨碎。

(2)向离心管中加入 800 ul CTAB 缓冲液(CTAB 65℃预热),震荡混匀。然后放入 65°水浴锅中水浴至少 30 ~ 60 min,其间不时反转 2 ~ 4 次使其混匀。

(3)水浴结束后,将离心管放置于室温冷却,然后在通风橱中加入等体积的氯仿-异戊醇(24:1),剧烈摇晃 1min 混匀(可放 4℃过夜)。

(4)使用离心机 8000 rpm 离心 10 min。

(5)吸上清液 600 ul 至另一 1.5 ml 离心管中,然后加入 0.8 倍体积(480 ul) 预冷的异丙醇(-20℃预冷)沉淀 DNA(可置于-20℃冰箱保存数天),之后用离心机 12000 rpm 离心 6 min。

(6)倒掉上清液,加入适量 70%乙醇洗涤沉淀 1 ~ 2 次,之后 3000 rpm 离心 1 分钟。

(7)倒掉上清液,将离心管倾斜放置于通风橱风干,干燥后加入 200 ~ 400 ul ddH2O 或 TE 溶解。

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结论

本研究通过 55K SNP 基因芯片与分子标记相结合的手段解析烟农 999 优质高产的遗传基础,阐明关键染色体区段在后代中的遗传效应,明确烟农 999 的遗传组成,并通过苗期抗旱调查,进一步验证其优良品质。为品种的分子设计、杂交育种亲本的选配及后代的分子标记选择提供理论依据。结果如下:

1、表型鉴定结果显示,烟农 999 的穗粒数、穗长及千粒重较高。在衍生后代中,千粒重、小穗数平均值与烟农 999 接近,变异系数在理想范围内。试验所调查的农艺性状普遍存在超亲遗传现象。苗期根系抗旱性试验结果表明,烟农999 的苗期根系抗旱性突出,其根系总长、根系体积、地上部干重和地下部干重的抗旱系数较高,在供试材料中排在第一位。在其衍生后代中,苗期根系抗旱性差异较大,或高于或低于烟农 999,有待进一步加深其抗旱性相关遗传基础研究。

2、利用 55K SNP 芯片对烟农 999 及其 51 个衍生后代基因型扫描,烟农 999与其后代的遗传相似性范围在 63.23% ~ 92.56%之间;对衍生后代不同染色体组而言,A 染色体组相似性范围在 72.23% ~ 95.82%,B 染色体组相似性范围在 55.92% ~ 93.69%,D 染色体组相似性范围在 61.53% ~ 93.99%;对衍生后代单个染色体而言,最小相似性为 31.48%(4B),最大为 99.95%(2A),不同衍生后代在各染色体的相似性均值范围在 73.49% ~ 94.58%之间;利用高遗传率位点,统计了衍生后代与烟农 999 高遗传相似性区段,并与目前已定位到的小麦产量相关基因、QTL 等进行比对,找到了能够匹配的区段。

3、利用 SNP 基因分型结果,对所有衍生后代做聚类分析,结果显示,品种间遗传相似系数变化范围在 0.67 ~ 0.99 之间。对 51 份材料进行分类,得到 7 个大类,与系谱较为吻合。

4、利用在烟农 999 中有优异带型的 29 对功能标记和 17 对 SSR、STS 标记鉴定,功能标记中,5 个与品质相关、15 个与生长发育特性相关、5 个与抗病性相关、4 个与抗逆性相关,贡献率都在 50%之上;SSR、STS 标记中,12 对贡献率达 100%,其余 5 对存在等位变异,每个位点 2 ~ 3 个,平均 2.6 个,优异等位基因频率范围在 25.38% ~ 73.61%之间。

参考文献(略)

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