密級(jí) ： 論文編號(hào) ： 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 學(xué)位論文 利用 記分析玉米自交系 的 遺傳多樣性 I 摘 要 種質(zhì)資源的遺傳多樣性評(píng)價(jià)以及種質(zhì)間遺傳關(guān)系研究是玉米育種研究的重要內(nèi)容。 本 研究 采用 子標(biāo)記技術(shù)，以 6 個(gè)國內(nèi)和 6 個(gè) 交系為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)驗(yàn)種， 分析 了 我國 玉米 生產(chǎn)上 廣泛利用和具有應(yīng)用潛力的 119 個(gè) 早熟自交系 的 遺傳多樣 性 ， 并 整合了我國常用的 其它自交系的 測(cè) 數(shù)據(jù) ，初步構(gòu)建了包含 375 個(gè)玉米自交系的 紋 數(shù)據(jù)庫。主要結(jié)果如下 ： 1. 70 對(duì) 物在 119 個(gè) 早熟自交系和 12 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)驗(yàn)種中共檢測(cè)出 285 個(gè)等位基因變異，每對(duì)引物檢測(cè)出 2等位基因，平均 ， 多態(tài)性信息量（ 范圍從 119 個(gè) 早熟和 12 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)驗(yàn)種共 131 個(gè)自交系間 的遺傳相似系數(shù)（ 在 間，平均 利用 法將 119 個(gè) 早熟自交系 劃分為 四平頭、旅大紅骨、 6 個(gè)類群 ， 劃 群結(jié)果與其 系譜 分析 基本 相符 。 2. 基于 相同的 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)驗(yàn)種、引 物和統(tǒng)一規(guī)范的檢測(cè)方法 ， 整合 了 本實(shí)驗(yàn)室肖木輯博士 （ 2006）分析 189 個(gè)我國常用玉米自交系 遺傳遺傳多樣性 時(shí)獲得 的 測(cè)數(shù)據(jù) ，初步構(gòu)建了包含 375個(gè)玉米自交系 的 紋數(shù)據(jù)庫。 70 對(duì) 物在 375 個(gè)自交系中共檢測(cè)出 291 個(gè)等位基因變異，每對(duì)引物檢測(cè)出 2等位基因，平均為 ， 多態(tài)性信息量（ 范圍從 均 375 個(gè) 自交系間遺傳相似系數(shù)（ 圍在 間，平均 利用 坐標(biāo)、 傳結(jié)構(gòu)等 分析 方法將 375 個(gè)自交系劃分 為 四平頭、 旅大紅骨、 6 個(gè)類群。連鎖不平衡（ 析表明 70 個(gè) 點(diǎn)在全基因組 范圍 存在廣泛的連鎖不平衡。 3. 針對(duì) 70 位點(diǎn)在 375 個(gè)自交系 中檢測(cè)結(jié)果 獲得的 遺傳相似系數(shù)矩陣 進(jìn)行 標(biāo)準(zhǔn)誤和相關(guān)性分析 ， 結(jié)果 表明用于 供試 自交系 遺傳多樣性分析 使用的 物數(shù)應(yīng)不少于 40 個(gè)， 獲得的 等位基因數(shù) 應(yīng) 不少于 180 個(gè) 。 比較分析 了 不同來源標(biāo)準(zhǔn)測(cè)驗(yàn)種 的 測(cè) 結(jié)果，認(rèn)為 12 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)驗(yàn)種具有較好的穩(wěn)定性和代表性，可用 于 供試自交系 遺傳多樣性 分析 的參照自交系。 關(guān)鍵詞 ： 玉米（ .），遺傳多樣性， 遺傳結(jié)構(gòu)， 記， 連鎖不平衡 in In 119 or 0 as By a 0 75 75 as 1. 119 2 0 A 85 a . of a an 19 2. A SR 0 75 by on A 91 75 0 .2 a . of a GS)an J)E) 375 to A 75 D 0 3. at 0 80 by 75 12 be as in .） , , 錄 第一章 引言 . 1 國玉米生產(chǎn) . 1 米生產(chǎn)布局及生產(chǎn)狀況 . 1 美玉米生產(chǎn)狀況比較 . 3 米育種和生產(chǎn)中存在的問題 . 3 米種質(zhì)資源研究 . 4 史回顧 . 4 究現(xiàn)狀 . 6 傳多樣性與雜種優(yōu)勢(shì) . 7 種優(yōu)勢(shì)群與雜種優(yōu)勢(shì)模式 . 8 分雜種優(yōu)勢(shì)群的方法 . 11 記差異性與雜種優(yōu)勢(shì) . 16 研究的目的和意義 . 17 研究的技術(shù)路線 . 18 第二章 早熟玉米自交系遺傳多樣性分析 . 19 料與方法 . 20 料 . 20 法 . 20 果與分析 . 23 育期性狀鑒定 . 23 19 份早熟玉米自交系 傳多樣性分析 . 25 論 . 29 熟自交系種質(zhì)的類群劃分 . 29 知血緣自交系的類群劃分 . 29 第三章 375 個(gè)玉米自交系的遺傳多樣性分析 . 30 料與方法 . 30 料 . 30 法 . 30 果與分析 . 31 測(cè) . 31 傳變異 . 34 75 個(gè)自交系的遺傳結(jié)構(gòu)及種質(zhì)類群劃分 . 34 質(zhì)類群劃分結(jié)果與審定品種組合間 的關(guān)系 . 45 種質(zhì)類群遺傳多樣性 . 45 鎖不平衡 . 47 論 . 49 記與玉米雜種優(yōu)勢(shì)群的劃分 . 49 國玉米自交系的種質(zhì)類群 . 50 來種質(zhì)與地方種質(zhì)的利用 . 50 準(zhǔn)測(cè)驗(yàn)種的選擇 . 52 第四章 玉米自交系 紋數(shù)據(jù)庫的初步構(gòu)建 . 53 據(jù)庫材料來源 . 53 子標(biāo)記方法 . 53 子檢測(cè)平臺(tái) . 54 測(cè)方法 . 54 心引物 . 54 準(zhǔn)測(cè)驗(yàn)種 . 58 準(zhǔn)等位基因 . 62 同來源數(shù)據(jù)的有效整合 . 63 一標(biāo)準(zhǔn)的 心引物 . 63 同的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)驗(yàn)種 . 64 一規(guī)范的 術(shù)檢測(cè)平臺(tái) . 64 范數(shù)據(jù)收集、存儲(chǔ)操作 . 64 米自交系 紋數(shù)據(jù)庫的構(gòu)成因素 . 65 因型數(shù)據(jù)庫 . 65 據(jù)庫 . 65 究背景數(shù)據(jù)庫 . 65 米 紋數(shù)據(jù)庫的使用及完善 . 65 第五章 結(jié)論 . 66 參考文獻(xiàn) . 67 附錄 . 77 致謝 . 88 作者簡歷 . 89 V 英文縮略表 英文縮寫 英文全稱 中文名稱 增片段長度多態(tài)性 硫酸胺 六烷基三乙基溴化銨 傳相似系數(shù) 鎖不平衡 小進(jìn)化法 陣比較 接法 合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 態(tài)性信息量 量性狀位點(diǎn) 機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性 制性片段長度多態(tài)性 核苷酸多態(tài)性 單重復(fù)序列 沖液 甲基乙二胺 加權(quán)算術(shù)平均對(duì)群法 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 碩 士學(xué)位論文 第一章 引 言 1 第 一章 引 言 玉米是世界上重要的谷類作物。 從 1998 年開始玉米總產(chǎn)量已經(jīng)超過稻谷和小麥，居世 界首位（ 玉米（ .）是典型的異交作物，表現(xiàn)極端的近交衰退和雜種優(yōu)勢(shì)。這使它成為首先利用雜種優(yōu)勢(shì)大幅度提高產(chǎn)量的作物之一（張世煌， 1998）。玉米育種的首選技術(shù)路線是利用雜種優(yōu)勢(shì)（張世煌， 2000），因此系統(tǒng)地研究種質(zhì)的遺傳多樣性 、 劃分雜種優(yōu)勢(shì)群和構(gòu)建雜種優(yōu)勢(shì)模式 是國內(nèi)外玉米育種研究 的重要內(nèi)容 。根據(jù)雜種優(yōu)勢(shì)的規(guī)律和基因作用原理正確 地 評(píng)價(jià)和改良、利用種質(zhì)資源，不但有利于克服組配雜交種的盲目性、提高育種效率，更是開展種質(zhì)擴(kuò)增及改良研究的理論和方法學(xué)基礎(chǔ)。在全面了解種質(zhì)間 遺傳關(guān)系的基礎(chǔ)上，合理準(zhǔn)確地劃分雜種優(yōu)勢(shì)群和構(gòu)建雜種優(yōu)勢(shì)模式，可以為選育自交系（尤其是二環(huán)系）、合成與改良群體、選配雜交種及優(yōu)化育種研究的管理等提供理論基礎(chǔ)（謝俊賢， 2001）。 國玉米生產(chǎn) 米生產(chǎn)布局及生產(chǎn)狀況 玉米在中國種植近 500 年，分布十分廣泛 ， 從北緯 20 之間，南北相距 5000 多 海平面到海拔 3000m，自然和生產(chǎn)條件極為復(fù)雜（戴景瑞， 1998） 。 但生產(chǎn)布局相對(duì)集中，形成了從東北斜向西南狹長分布的玉米帶。這個(gè)玉米帶包括黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古、河北、山西 、山東、河南、陜西、四川、云南、貴州、廣西等 13 個(gè)?。▍^(qū)），玉米種植面積占全國玉米總面積的 85%，總產(chǎn)量占 75%以上（佟屏亞， 2001）。玉米 種植區(qū) 具體可分為 北方春玉米區(qū) 、黃淮海 夏玉米區(qū) 、 西南山地玉米區(qū) 、 西北灌溉玉米區(qū) 、 南方丘陵玉米區(qū)、青藏高原玉米區(qū) 等 六個(gè)生態(tài)區(qū) ，主產(chǎn)區(qū)為 北方 春玉米區(qū)和黃淮海夏玉米區(qū)（ 玉米是中國重要的糧食作物，種植面積和總產(chǎn)量僅次于美國，居世界第二位。目前，玉米種植面積僅次于稻谷和小麥，總產(chǎn)和單產(chǎn)（ 經(jīng)超過小麥躍居中國糧食作物第二位（ 圖 1圖 1 玉米又被譽(yù)為飼料之王和農(nóng)產(chǎn)品加工之王，是重要的飼料和加工原料 。隨著經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，玉米在國民經(jīng)濟(jì)中的地位越來越重要（張世煌， 2006）。 圖 1991中國三大作物總產(chǎn)量統(tǒng)計(jì) 1991 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 碩 士學(xué)位論文 第一章 引 言 2 圖 1990中國三大作物單產(chǎn)統(tǒng)計(jì) 1990 新中國 成立以來，玉米是種植面積、總產(chǎn)和單產(chǎn)增長最快的作物（吳景鋒 等 ， 1998）。聯(lián)合國糧農(nóng)組織的資料顯示， 2005 年我國玉米種植面積、總產(chǎn)量、單產(chǎn)分別比 1949 年增加 雜種優(yōu)勢(shì)是提高玉米產(chǎn)量的重要原因（ et 1999）。我國從 30 年代中期開始雜交玉米的選育研究（番興明 等 ， 2000）。雜種優(yōu)勢(shì)的利用則是在建國以后才得到實(shí)現(xiàn)和發(fā)展，大致可以分為三個(gè)階段： 1954以推廣利用品種間雜交種為主； 1960以推廣雙交種為主； 1971 年以后以推 廣利用單交種為主（劉紀(jì)麟， 2002）。由 圖 1以看出，雜交種推廣以來，玉米種植面積迅速擴(kuò)大，產(chǎn)量不斷提高，特別是單產(chǎn)從 1949 年的 961 千克 /公頃增加到 2005 年 5100 千克 /公頃，幾乎翻了 三番 ，增產(chǎn)幅度是顯著的。單產(chǎn)的提高對(duì)發(fā)展中國家1961間玉米產(chǎn)量增長的貢獻(xiàn)率是 92%，在種植面積基本穩(wěn)定的情況下，提高玉米單產(chǎn)是提高產(chǎn)量的主要渠道（ et 1998； et 1997）。國際玉米小麥改良中心（ 歷史分析資料表明，我國玉米年增產(chǎn)率呈下降 趨勢(shì)，在 20 世紀(jì) 60 年代為 70 年代為 80 年代為 90 年代僅為 90 年代以后，我國玉米單產(chǎn)增長速度放慢（ 圖 1玉米產(chǎn)量處于徘徊狀態(tài)（番興明 等 ， 2000；王慶成 等 ， 2006）。 圖 1949間玉米生產(chǎn)情況統(tǒng)計(jì) of 1949 注 ： 資料來源 國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 碩 士學(xué)位論文 第一章 引 言 3 美玉米生產(chǎn)狀況比較 美國是世界第一大玉米生產(chǎn)國， 其 玉米生產(chǎn)在世界上具有舉足輕重的地位。在過去五十多年里，我國玉米生產(chǎn)取得了很大進(jìn)步，正逐步追趕世界先進(jìn)水平，但與美國相比還有很大差距（張世煌 等 ， 2006）。聯(lián)合國糧農(nóng)組織的資料顯示， 1985 年至 2005 年間，美國玉米種植面積占世界玉米種植面積的 21%，總產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的 41%；中國占世界種植面積的 16%，總產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的 18%（ 圖 1圖 1我國玉米單產(chǎn)水平，高于世界平均水平，與美國有相當(dāng)大的差距，還有很大的潛力（ 圖 1 圖 1985中美兩國玉米種植面積 圖 1985間中美兩國玉米總產(chǎn) 1985 1985 圖 1980中美玉米單產(chǎn)水平統(tǒng)計(jì) 1980 米育種和生產(chǎn)中存在的問題 我國玉米育種研究經(jīng)歷幾個(gè)明顯的發(fā)展階段，已經(jīng)達(dá)到較高的技術(shù)水平，在發(fā)展中國家處于領(lǐng)先地位，玉米增產(chǎn)速度與美國相當(dāng)。現(xiàn)代技術(shù)在提高生產(chǎn)力的同時(shí)，也把農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)置于脆弱地位，因此要充分認(rèn)識(shí)到我國玉米育種和生產(chǎn)中仍存在明顯的薄弱環(huán)節(jié)（張世煌 等 ， 2000）。 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 碩 士學(xué)位論文 第一章 引 言 4 我國玉米生產(chǎn)和育種面臨的第一個(gè)限制因素是種質(zhì)基礎(chǔ)薄弱，造成雜交種產(chǎn)量水平提高緩慢，品種抗病性和抗逆性普遍下降（張世煌 等 ， 2000）。玉米種質(zhì)基礎(chǔ)的狹窄和種質(zhì)脆弱性，影響了我國玉米育種水平的繼續(xù)提高和 玉米生產(chǎn)的持續(xù)性發(fā)展（彭澤斌 等 ， 1997；史桂榮 等 ， 2002；陳彥惠 等 ， 2002；張世煌 等 ， 2000， 2006）。自上世紀(jì) 70 年代以來，優(yōu)質(zhì)、抗逆、高配合力和適應(yīng)性廣的新種質(zhì)匱乏，已經(jīng)成為影響玉米商業(yè)化育種進(jìn)一步發(fā)展的 瓶頸 （張世煌， 2006）。解決此問題的關(guān)鍵是優(yōu)化調(diào)整玉米育種研究方向，開展施行種質(zhì)擴(kuò)增、改良與創(chuàng)新研究，克服目前種質(zhì)的遺傳脆弱性、雜種優(yōu)勢(shì)的局限性（彭澤斌 等 ， 1997；戴景瑞， 1998；田志國 等 ， 2002）。解決種質(zhì)基礎(chǔ)狹窄問題的 重要 途徑是從玉米多樣性中心系統(tǒng)引進(jìn)優(yōu)良種質(zhì)，并根據(jù)雜種優(yōu)勢(shì)模 式進(jìn)行改良和利用（戴景瑞， 1998；張世煌 等 ， 1997， 2000， 2006），同時(shí)系統(tǒng)地整理、篩選和改良地方種質(zhì)資源（張世煌 等 ， 2000；田志國 等 ， 2000）。 種質(zhì)擴(kuò)增、改良與創(chuàng)新利用離不開雜種優(yōu)勢(shì)。自交系本身的改良在今后提高雜交種產(chǎn)量中將發(fā)揮越來越重要的作用，而影響產(chǎn)量穩(wěn)定性的非雜種優(yōu)勢(shì)性狀的改良將進(jìn)一步提高雜交種的產(chǎn)量，并改善雜交種的整體生長狀況。但雜種優(yōu)勢(shì)仍將繼續(xù)對(duì)雜交種的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)發(fā)揮重要作用（ et 1999）。自交系一般配合力的提高是玉米產(chǎn)量提高的基礎(chǔ)，特殊配合力對(duì)玉米產(chǎn)量的 貢獻(xiàn)越來越不重要，但仍是培育新的優(yōu)良雜交種和構(gòu)建雜種優(yōu)勢(shì)模式必不可少的條件（張世煌， 2006）。輪回選擇和自交系間選育二環(huán)系是玉米種質(zhì)改良創(chuàng)新的主要方法，它們的實(shí)踐基礎(chǔ)都是雜種優(yōu)勢(shì)模式（陳彥惠 等 ， 2002；張世煌， 2006）。今后要在分析特殊配合力的基礎(chǔ)上建立統(tǒng)一的雜種優(yōu)勢(shì)模式，然后在相對(duì)封閉的環(huán)境中開展商業(yè)育種（張世煌， 2006）。 此外，我國玉米商品質(zhì)量和營養(yǎng)品質(zhì)都存在較多的問題。改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)是當(dāng)前調(diào)整農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的重要方向，已經(jīng)引起社會(huì)關(guān)注。當(dāng)前，提高玉米的商品質(zhì)量和營養(yǎng)品質(zhì)需要優(yōu)先解決兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù) ，一是發(fā)掘和培育適當(dāng)?shù)姆N質(zhì)資源，二是建立相關(guān)的研究手段，以提高育種效率（張世煌 等 ， 2000）。 米種質(zhì)資源研究 玉米有豐富的遺傳基礎(chǔ)，在長期的進(jìn)化選擇中，形成了豐富的種質(zhì)資源。從全球范圍來說，大約有 300 個(gè)玉米地方種族，但廣泛開發(fā)利用的只有 5（ 1989）。玉米種質(zhì)資源是玉米生產(chǎn)、利用和新品種選育的遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)。玉米育種成效的大小取決于擁有優(yōu)異種質(zhì)資源的數(shù)量（張世煌 等 ， 1998；劉紀(jì)麟， 2002）。加強(qiáng)對(duì)種質(zhì)資源的研究對(duì)玉米育種 和 生產(chǎn)具有極其重要的意義。 史回顧 系統(tǒng)地分析和整理玉米的種質(zhì)資源始于 1899 年，大致分為 3 個(gè)階段。 （ 1）玉米多樣性中心的發(fā)現(xiàn)及早期分類 玉米種質(zhì)研究的第一階段從 1899 年到 1942 年，是科學(xué)家第一次有意識(shí)地對(duì)玉米種質(zhì)進(jìn)行分類的階段，這個(gè)階段只是對(duì)玉米進(jìn)行了基本形態(tài)學(xué)分類。 1899 年， 收集了大量不同地區(qū)的種質(zhì)資源進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)玉米多樣性中心在中美洲。同年 所了解的玉米種質(zhì) 分為 6 個(gè)主要類型，其中 5 個(gè)類型是根據(jù)胚乳特征來劃分的。在這種分類方法的啟發(fā)下， 士學(xué)位論文 第一章 引 言 5 （ 1933）把 人收集的 各類玉米種質(zhì)根據(jù)胚乳類型劃分成 8 個(gè)亞種 ： 硬粒型、粉質(zhì)型、馬齒型、爆裂玉米、甜玉米、有稃玉米、糯玉米和臘質(zhì)玉米。 這種方法只是對(duì)玉米種質(zhì)進(jìn)行了初級(jí)形態(tài)學(xué)歸類，不能反應(yīng)出玉米種質(zhì)內(nèi)存在的豐富變異和玉米種質(zhì)的起源與演化，對(duì)玉米育種研究缺少指導(dǎo)意義。將玉米劃分成 8 個(gè)亞種的分類方法一直沿用至 20 世紀(jì) 40 年代初。直到 1942 年， 次提出玉米種族（ 概念后，玉米種質(zhì)研究才上了一個(gè)新臺(tái)階。 （ 2）玉米種族的劃分 玉米種族這樣一個(gè)定義 ： 玉米種族是一個(gè)具 有很多共同特征特性的群體，這些特征特性包括表型和基因型，根據(jù)這些特征特性它們可以被識(shí)別為一個(gè)種族 。他們進(jìn)一步解釋說 在劃分種族時(shí)，基因型和表型性狀應(yīng)同時(shí)作為劃分的標(biāo)準(zhǔn)，從基因的角度說，一個(gè)種族就是一個(gè)具有一系列共有基因的群體 。 據(jù)種族對(duì)玉米種質(zhì)進(jìn)行了比 8個(gè)亞種更詳細(xì)的劃分，但他們沒有制定明確的劃分標(biāo)準(zhǔn)，所以這個(gè)概念在當(dāng)時(shí)是難以理解的，種族的真實(shí)性遭到質(zhì)疑。 （ 1952）和 （ 1958）對(duì)種族作了深入探討，一致認(rèn)為玉米種族是真實(shí)存在的，每一個(gè) 種族都具有很多特有的復(fù)雜性狀，不同種族所擁有的特有性狀的數(shù)量不同。 （ 1952）首次根據(jù)數(shù)量基因的差異提出劃分玉米種族的標(biāo)準(zhǔn)并對(duì)部分玉米種質(zhì)進(jìn)行劃分，劃分標(biāo)準(zhǔn)包括植株、雄穗、雌穗和生理、遺傳及細(xì)胞學(xué)等方面的性狀共 40余種。隨后不久，為了保護(hù)原始種質(zhì)資源不因雜交種的迅猛發(fā)展而丟失，西方許多國家根據(jù)出的分類方法對(duì)玉米種質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的收集和歸類分析，在包括玉米多樣性中心在內(nèi)的西半球共發(fā)現(xiàn) 285 個(gè)玉米種族，其中許多是重復(fù)的，經(jīng)重新分析歸類為 150 個(gè)。 玉米種族的研究對(duì)來源于 不同地區(qū)的玉米種質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)的性狀描述和劃分，為進(jìn)一步的研究奠定了基礎(chǔ)，玉米育種家可以根據(jù)這些信息引進(jìn)不同類型的種質(zhì)，避免了盲目性和重復(fù)引進(jìn)。 （ 3）雜種優(yōu)勢(shì)群和雜種優(yōu)勢(shì)模式的系統(tǒng)研究 對(duì)雜種優(yōu)勢(shì)群和模式的系統(tǒng)研究開始于 1947 年。 1