玉米两个相关F_(2:3)群体秸秆产量和品质性状QTL分析及遗传相关研究

【摘要】： 玉米秸秆具有丰富的粗纤维,能值高,是我国北方反刍动物的主要粗饲料。我国每年生产玉米秸秆副产品1 500亿公斤,改良秸秆产量和品质对提高玉米生产的综合经济和社会效益,具有重要的现实和长远意义。高油玉米双重的优良籽粒和秸秆品质,使其具有更高的利用价值和更广阔的市场发展前景。以往利用普通玉米种质对部分秸秆产量和品质性状开展了QTL定位研究,利用高油玉米种质进行的相关研究局限于籽粒品质和穗粒性状。本研究选用具有ASK种质背景的高油玉米自交系GY220为父本,同时与两个普通玉米自交系8984和8622杂交构建了分别包含284个(P1F_(2:3))和265个(P2F_(2:3))F_(2:3)家系的两个相关群体,同时在两种环境条件下进行田间试验,利用SSR分子标记构建高密度遗传图谱,采用复合区间作图法(CIM)对13个秸秆产量和品质性状进行单个性状的QTL定位和效应分析;利用多区间作图法(MIM)分析定位QTL间的上位效应;对秸秆及其相关籽粒和植株性状进行多性状联合QTL分析;利用BioMercator 2.1软件整合遗传图谱,并采用元分析方法进行“一致性”QTL分析,以探讨秸秆产量和品质性状的分子遗传基础及其与籽粒产量、籽粒品质和植株性状间的遗传关系,同时筛选控制主要秸秆性状的稳定主效QTL及其有效的分子标记,为改良秸秆产量和品质性状的杂交种选育、MAS和关键QTL的精细定位及克隆提供理论依据和材料平台。 主要实验和研究结论如下: 1.两个F_(2:3)家系群体13个秸秆性状均存在超双亲分离;P1F_(2:3)群体3个性状和P2F_(2:3)群体6个性状呈偏态分布,其余性状均呈连续正态分布;联合方差分析结果表明,大多数秸秆性状的家系间、环境间及家系与环境互作显著或极显著;鲜秸秆产量(FSY)、秸秆粗蛋白含量(CPC)、体外干物质消化率(IVDMD)和中性洗涤纤维含量(NDF)的遗传力较高,为0.781~0.917,而半纤维素含量(HCC)和体外细胞壁消化率(IVNDFD)的遗传力较低,为0.046~0.427。 2.两个F_(2:3)家系群体在两种环境条件下及两种环境合并分析共检测到144个与13个秸秆性状相关的QTL,P1F_(2:3)和P2F_(2:3)群体分别检测到70个和74个QTL,位于全部10条染色体上,单个QTL贡献率分别为4.8%~20.1%和5.1%~20.4%;定位QTL间互作较少,而且效应较小;表现为加性、部分显性、显性和超显性的QTL为10个、41个、20个和73个,超显性和部分显性效应在玉米秸秆性状的遗传中起着重要作用;高油玉米亲本自交系GY220提供了54.2% IVDMD和IVNDFD QTL的增效基因和64.0% ADF和NDF QTL的减效基因,两个普通玉米亲本自交系提供了77.8% FSY和57.1% DMY QTL的增效基因。 3.秸秆产量和品质性状QTL的遗传背景和环境稳定性较低。两个群体没有在相同标记区间检测到控制同一性状的共同QTL,仅在相邻标记区间检测到与FSY、CPC(3个)和IVNDFD相关的QTL,分别位于3.06-3.07,2.04、7.04、7.04-7.05和4.08-4.09 bin位点,在相同bin位点9.03和5.03检测到控制粗脂肪含量(EEC)和粗蛋白产量(CPY)的QTL;86个QTL仅在一种环境条件下被检测到,占75.4%;26个QTL在两种环境条件下或一种环境条件下及合并分析同时被检测到,占22.8%;仅2个QTL在两种环境条件下及合并分析同时被检测到,占1.8%。在49个贡献率大于10%的QTL中,qlFSY1-5-1/qFSY1-5-1、qlDMC2-3-1/qDMC2-3-1、qlCPC1-7-1/qCPC1-7-2、qlCPC1-7-2/qCPC1-7-3、qlCPC2-5-1/ qxCPC2-5-1/qCPC2-5-1、qxCPC2-5-2/qCPC2-5-2和qlIVNDFD2-1-2/qxIVNDFD2-1-1/ qIVNDFD2-1-1具有环境稳定性,可以作为进一步研究和应用于MAS的主要目标QTL。 4.两个群体在不同环境条件下3组秸秆产量性状间、13组秸秆品质性状间、6组秸秆产量与品质性状间,以及秸秆CPC与籽粒蛋白质含量、株高(PH)和穗位高(EH),FSY和秸秆干物质产量(DMY)与PH和EH呈比较一致的显著相关关系。其中ADF与NDF和IVDMD与IVNDFD呈极显著正相关,IVDMD和IVNDFD与ADF和NDF呈极显著负相关;FSY和秸秆干物质含量(DMC)与ADF和NDF呈极显著负相关。 5.多性状联合QTL分析可以明显提高相关性状的QTL检测功效,对18组显著正相关性状和12组显著负相关性状进行联合QTL分析,涉及3个秸秆产量、7个秸秆品质、1个籽粒品质和3个植株性状共15个性状,共检测到1004个多性状QTL,其中新检测到674个QTL。位于多条染色体上控制相关性状的QTL存在紧密连锁或/一因多效。 6.两个群体的整合遗传图谱总长度2 388.67 cM,包括274个SSR标记,平均间距8.72 cM。13个秸秆性状的144个QTL和32个秸秆、植株、籽粒品质和穗粒性状的465个QTL分别检测到13个和42个“一致性”QTL,控制相关性状的QTL在染色体上多成簇分布,植株与秸秆产量性状、秸秆品质与籽粒品质和穗粒性状QTL多位于同一“一致性”QTL区段。第7、3和5染色体是秸秆性状QTL分布热点染色体,第5染色体98.85 cM、第3染色体197.03 cM和第7染色体114.33 cM可能存在控制秸秆性状的关键真实QTL。 7.秸秆CPC是最主要的秸秆品质性状,与多个主要秸秆产量和品质及籽粒品质和植株性状显著相关,其中与FSY、IVDMD、IVNDFDD和籽粒蛋白质含量呈显著正相关,与DMC、ADF、NDF、PH和EH呈显著负相关。多性状联合QTL分析结果表明,位于多条染色体上控制这些相关性状的QTL存在紧密连锁或/一因多效。综合考虑秸秆性状育种目标和各性状间的遗传关系,在显著提高秸秆产量的同时难以改良秸秆品质,可以对籽粒蛋白质含量或秸秆CPC实施正向MAS改善秸秆品质,通过种植大群体提高秸秆产量。 【关键词】：高油玉米 秸秆产量性状 秸秆品质性状 F_(2:3)群体 QTL分析 遗传背景 遗传相关
【学位授予单位】：河南农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：S513
【目录】：

• 致谢4-10
• 摘要10-12
• 第一章 文献综述12-29
• 1.1 QTL 定位方法及其应用概况12-18
• 1.1.1 单个性状QTL 分析12-18
• 1.1.2 条件QTL 分析18
• 1.1.3 多性状联合QTL 分析18
• 1.2 QTL 克隆及功能分析研究进展18-21
• 1.2.1 QTL 克隆方法及其应用概况18-20
• 1.2.2 作物QTL 功能分析方法20-21
• 1.3 QTL 与分子标记辅助选择和育种21-23
• 1.3.1 分子标记辅助选择的原理和方法21-22
• 1.3.2 MAS 应用概况22-23
• 1.4 玉米秸秆性状及其研究概况23-27
• 1.4.1 玉米秸秆的组分构成23
• 1.4.2 现代近红外光谱分析技术及应用23-25
• 1.4.3 国内外饲用玉米研究和发展趋势25-26
• 1.4.4 玉米秸秆相关性状的遗传研究进展26-27
• 1.5 本研究的目的和意义27-29
• 第二章 两个相关群体秸秆性状表型及单性状QTL 分析29-56
• 2.1 材料与方法29-33
• 2.1.1 材料29
• 2.1.2 田间试验和秸秆品质性状考查29
• 2.1.3 群体基因型分析29-32
• 2.1.4 性状表型数据分析及遗传力估算32
• 2.1.5 QTL 定位及效应分析32-33
• 2.1.6 上位性效应分析33
• 2.2 结果与分析33-56
• 2.2.1 两个群体秸秆性状的表现及遗传力33-39
• 2.2.2 各秸秆性状QTL 定位及效应分析39-53
• 2.2.3 上位性效应分析53-56
• 第三章 两个群体秸秆多性状联合QTL 分析56-125
• 3.1 材料与方法56
• 3.1.1 材料和遗传图谱56
• 3.1.2 田间试验及性状测定和相关分析方法56
• 3.1.3 多性状联合QTL 分析56
• 3.2 结果与分析56-125
• 3.2.1 两个群体秸秆性状间的表型和遗传相关56-63
• 3.2.2 秸秆产量多性状联合QTL 分析63-70
• 3.2.3 秸秆品质多性状联合QTL 分析70-108
• 3.2.4 相关秸秆产量与品质多性状联合QTL 分析108-125
• 第四章 秸秆与其它性状的遗传相关分析125-155
• 4.1 材料与方法125
• 4.1.1 材料和遗传图谱125
• 4.1.2 田间试验及性状测定和相关分析方法125
• 4.1.3 多性状联合QTL 分析125
• 4.2 结果与分析125-155
• 4.2.1 秸秆与籽粒品质和产量性状的分子遗传相关分析125-130
• 4.2.2 秸秆与主要植株性状的分子遗传相关分析130-155
• 第五章 两个群体QTL 整合图谱构建及“一致性”QTL 分析155-170
• 5.1 材料与方法155-156
• 5.1.1 材料和遗传图谱155
• 5.1.2 遗传图谱和QTL 的整合分析方法155-156
• 5.1.3 “一致性”QTL 分析方法156
• 5.2 结果与分析156-170
• 5.2.1 两个群体整合遗传图谱的构建156-159
• 5.2.2 玉米秸秆性状“一致性”QTL 分析159-162
• 5.2.3 秸秆与植株、籽粒品质和穗粒性状“一致性”QTL 分析162-165
• 5.2.4 秸秆、植株、籽粒品质和穗粒性状“一致性”QTL 分析165-170
• 第六章 讨论170-187
• 6.1 QTL 的遗传背景及环境稳定性170-175
• 6.1.1 QTL 的遗传背景稳定性170-174
• 6.1.2 QTL 的环境稳定性174-175
• 6.2 本研究与以往秸秆性状QTL 定位结果的比较175-180
• 6.3 “一致性”QTL 的确定及应用180-181
• 6.4 秸秆消化率性状和细胞壁组分QTL 与纤维素或木质素合成候选基因181-182
• 6.5 秸秆产量与品质性状间的遗传相关及其同步改良182-183
• 6.6 秸秆与主要籽粒和植株性状间的遗传相关与育种应用183-184
• 6.7 本研究定位QTL 的利用及进一步研究设想184-187
• 6.7.1 定位主效QTL 在MAS 中的应用184-185
• 6.7.2 其它研究设想185-187
• 参考文献187-202
• ABSTRACT202-205

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