（作物遗传育种专业论文）杂交水稻株高的动态遗传分析及分子预测.pdf

摘要 杂交水稻株高的动态遗传分析及分子预测 作物遗传育种专业硕士研究生彭涛 指导老师何光华教授 摘要 水稻是重要的粮食作物，株高作为水稻重要农艺性状之一，直接影响水稻的丰产潜力和 抗倒性能。了解水稻株高的遗传规律并对其进行有效选择是水稻遗传育种研究的重要目标 前人对杂交水稻株高的遗传分析主要集中在对最终株高的分析上。得出的结论也随供试材料， 环境条件等的不同出现差异 杂种优势利用作为水稻增产的重要途径之一，已得到人们的广泛认可但传统的亲本选 配方法人力、物力消耗大，周期长，效率低，易受环境的影响，这给杂种优势利用提出了新 的挑战。早期人们尝试利用形态指标、生化标记等方法来预测杂种优势，这些方法有一定的 参考价值，但预测准确性不高2 0 世纪8 0 年代，分子标记技术的出现为杂种优势预测开辟了 新的途径，但也出现不同研究者因使用不同材料，不同标记类型。在不同试验环境下得出结 论差异较大的情况 本研究利用两套不完全双列杂交组合分别在重庆北碚和四川泸州种植，通过测定不同时 期f l 及亲本株高，对不同发育时期的杂交水稻株高遗传效应进行分析。此外，通过对3 2 个杂 交水稻亲本d n a 分子标记遗传差异和不同时期f i 株高的分析，探讨亲本分子标记遗传距离与 不同时期f l 株高的关系，以期为株高育种的亲本选配提供依据。主要研究结果如下： 1 、杂交水稻株高的遗传分析 ( 1 ) 两套材料两地点的f l 株高平均值及1 0 日株高平均增量在各调查时期均高于相应的亲 本，供试材料和环境条件均会对其产生影响。 ( 2 ) 杂交水稻株高主要受加性效应( v d 和显性效应( v d ) 基因控制但v 和v b 的影 响程度会随供试材料的改变而有所不同；基因型与环境互作效应亦会对株高产生一定影响， 该影响随生育进程的推进而逐渐降低；加性效应基因和显性效应基因在各发育时期均有新的 表现，其中以加性效应基因的表达为主。 ( 3 ) 两套材料的株高在各调查时期均存在显著或极显著的正向群体平均优势( i n 舻) 和群 体超亲优势( i i b p ) ，其大小总体上随发育进程的推进而逐渐增加：在各发育时期段内。群体 西南大学硕士学位论文 平均优势和群体超亲优势均有新的表现但其大小和方向随供试材料和种植地点的改变而有 所不同。 2 、杂交水稻f l 株高的分子标记遗传距离预测 ( 1 ) f 1 抹高相关分子位点筛选 阳性，增效、减效位点筛选：在众多的亲本差异位点中，与株高相关的位点( 即阳性 位点) 仅占1 5 左右，其中增效位点仅占阳性位点的1 2 左右；供试材料会显著影响增效位 点筛出率，而环境对其无显著影响。 非环境型位点筛选：非环境型共同阳性位点，在两个环境中作用方向绝大多数保持一 致；非环境型共同增效位点率较大，在两套材料7 个时期的变化范围为：4 0 7 2 9 卜- 7 9 5 7 5 ， 说明不同环境下同套材料问的相同增效位点较多。 非材料型位点筛选：同一地点两套材料筛选到的共同阳性、增效和减效位点均较少， 其合计增效位点共同位点率在1 4 1 一1 1 7 1 之间；在两个地点，反效位点占共同阳性位点的 比例在4 5 4 5 _ - 9 3 9 3 之间，均值7 4 6 1 。 非时间型位点筛选：各套材料筛选到阳性、增效和减效位点在时间上有一定的连贯性， 在4 个及4 个以上时期均筛选到的合计增效位点占7 个时期筛选的总增效位点的百分比范围 为6 7 5 8 - 8 9 1 3 ( 2 ) 分子标记遗传距离与f l 株高相关系数 一般遗传距离与f i 株高相关系数较小，多数未达显著水平；阳性遗传距离与p i 株高 相关系数较一般遗传距离有较大增加，在多数时期达到显著水平，但绝对值仍较小，其大小 和性质受不同材料、不同环境和不同标记类型的影响较大；增效遗传距离与f i 株高相关系数 均高于阳性遗传距离相关系数，且均达到正向极显著水平在分子标记类型，环境间和材料 间均不存在差异，在各套材料7 时期的变化范围为0 6 5 0 1 m 8 6 8 7 ，均值0 7 6 6 4 。其大小受 供试材料影响明显，但对环境影响不敏感。 非环境型增效遗传距离与f l 株高相关系数较大( 各套材料7 时期的变化范围为0 5 4 7 2 - - - 0 8 4 0 1 ，均值0 6 9 4 5 ) ，且均达到正向极显著水平，但其普遍低于利用环境型和非环境型增 效位点计算的遗传距离与f 株高的相关系数，环境型增效位点对f l 株高的影响也较大 非材料型增效遗传距离与f i 株高相关系数较大( 各套材料7 时期的变化范围为0 2 9 7 2 o 7 8 6 7 ，均值0 5 9 1 0 ) ，且均达到正向显著或极显著水平，但其普遍低于利用材料型和非材 料型增效位点计算的遗传距离与f l 株高的相关系数，材料型增效位点对f i 株高的影响也较大 非时间型增效遗传距离与f l 株高相关系数较大( 各套材料7 时期的变化范围为0 3 7 7 5 o 8 3 6 8 。均值0 6 1 2 0 ) ，且均达到正向极显著水平，但其普遍低于利用所有增效位点计算的 遗传距离与f 1 株高的相关系数，仅在某些时期表达的q t l 也会对f l 株高产生一定影响 摘要 i i _ 量_ 曼皇_ l 詈| 一 ( 3 ) 增效遗传距离预测f l 株高的相关系数 不同环境、相同材料间预测( 环境闻预测) ：环境间预测相关系数较大( 两套材料两 地点的预测相关系数均值为0 5 6 5 1 ) ，且均达到正向极显著水平，其大小受供试材料和环境条 件的双重影响；该相关系数普遍低于非环境型增效遗传距离与f i 株高的相关系数。 相同环境、不同材料问预溯( 材料问预测) ：材料间预测相关系数大小和方向因供试 材料、标记类型、环境的不同而出现较大差异，总体而言相关系数绝对值较小，预测效果不 佳；该相关系数普遍低于非材料型增效位点计算的增效遗传距离与f l 株高的相关系数。 关键词：杂交水稻栋高动态遗传分子预测 i l l a b s t r a c t k i n e t i cg e n e t i ca n a l y s i sa n dp r e d i c t i o nu s i n gm o l e c u l a r m a r k e r so fp l a n th e i g h ti nh y b r i dr i c e m a s t e rd e g r e ec a n d i d a t e ：t a op e n g s u p e r v i s o r s ：p r o f g u a n g h u ah e a b s t r a c t r i c ei so o ft h em o s ti m p o r t a a tf o o d s t u f fc r o p s i t sh e i g h ti sc o n s i d e r e da s 锄i m p o r t a n t 矩x o n o m i ct r a i t s , a f f e c t i n gb o t ht h ep 毗训a iy i e l da r i dt h el o d g i n gr e s i s t a n c e i ti si m p o r t a n tf o r r i c e b r e e d i n gt or e s e a r c ht h eh c r i t a l l c eo fr i c eh e i g h ta n dt op r e d i c th y b r i dr i c eh e i g h te f f e c t i v e l y o n l y r i c eh e i g h ti nm a t u r i t yw 罄c o n d u e t 基lo i lb e r i t a n c ea n a l y s i si nm o s tp r o , v i o t l sr e s e a r c h e s , a n dt h e r e s u l t sw m u c h d i s c r e p a n c yf o rd i f f e r e n tm a t e r i a l so re n v i r o n m e n t s i ti s 锄eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e a 羽麟t oi n o r e a s er i c ey i e l db yu t i l i z a t i o no fb e t e r o s i s h o w e v e r , s e l e c t i o no fp a r e n t si nt r a d i t i o n a lb r e e d i n gw a sm u c hm a a p o w e r - c o m s u m i n g , t i m e - c o m s u m i i l g ，h a v i n gal o we f f i c i e n c ya n db e i n ga f f e c t e db ye n v i r o n m e n tt h i sw a st h ec h a l l e n g el b r e f f e c t i v e l ym i n $ b e r e r o s i s i ne a r l i e rm g e , m a n y m e t h o d ss u c ha sm o r p h o l o g i c a li n d e x , b i o c h e m i c a l i n d e xa n ds oo n , w e l ep u tf o r w a r da n da p p l i e di nb e t e r o s i sp r e d i c t i n g a l t h o u g ht h e s em e a s u r e sh a d f l o m ei n s i g h t f u ls u g g e s t i o n , t h e yc o u l dn o tb ea p p l i e dt ob r e e d i n gp r a c t i s ef o rl o w 邮a l 娜 m o l e c u l a rm a r k e rt e c h n o l o g yw a si n v e n t e di n1 9 8 0 s ，i tw a sag r e a tm i l e s t o n ef o rb e t e m s i s p r e d i c t i o n u n f o r t t m a t e l y , t h e r ea r ea l s om a n yd i s c r e p a n c i e si nc o n c l u s i o mf o rd i f f e r e n tm a t e r i a l s , m a r k e rt y p e sa n de n v i r e n m e n t s 1 h e r i t a n c ea n a l y s i so nd e eh e i g h ta td i f f e r e n ts t a g e s i nt h ep r e s e n tr a s e a r c h , t w oh a l f - d i a l l e ls e t sc u l t i v a t e di nb e i b e io fc h o n g i n ga n dl u z i m uo f s i c h u nr e s p e c t i v e l y , h a db e e nc o n d u c t e dh e r i t s n c ea n a l y z eo fr i c eh e i g h ta td i f f e r e n ts t a g e s t h e r e s u l t sw o r ea sf o l l o w s nb o t hm e a l lo f f th e i g h ta n da c c u m u l a t i o nh e i g h tf o r1 0d a y s 撕h i g h e rt h a nt h o s eo f t b e 2 r p a r e n t sf o rt w o d i e l l e ls e t si nt w ol o c a t i o n t h er e s u l t sw e c h a n g a b l ef o rd i f f e r e n tp a r e n tm a t e r i a l s a n de n v i r o n m e n t s 2 ) r i c eh e i g h tw a sa t t r i b u t e dt og e n e sw h i c hh a v ea d d i c t i v ee f f e c t ( v oa n dd o m i n a n te f f e c t c v d ) b u tt h ei n f l u e n t i a ld e g r e eo ft h e mv a r i e da m o n gm a t e r i a l s , a n da m o n ge n v i r o n m e n t t h e i n t e r a c t i o no f e n v i r o n m e n th a v eac e r t a i ni n f l u e n c eo i lp l a n th e i g h t , a n dg r a d u a l l yd e c r e a s e dw i n lt h e v 西南大学硕士学位论文 h e i g h td e v e l o p m e n t t h eg e n ei na d d i c t i v ee f f e c ta n dt h eg e n ei nd o m i n a n te f f e c tb o t hh a v es o m e n e wp e r f o r m a n c e sa td i f f e r e n td e v e l o p m e n t , e s p e c i a l l ym a i n l yi ne x p r e s s i o no fg e n ei na d d i c t i v e e f f e c t 3 1s i g n i f i c a n tp o s i t i v eh m 咿a n dh b po f f i c eh e i g h ti nt w os e tw e r es h o w e da td i f f e r e n tp e r i o d s , a n dt h ev a l u ei n c r e a s e dg r a d u a l l yw i t ht h ed e v e l o p m e n tp r o g r e s s i nd i f f e r e n td e v e l o p m e n ts t a g e s , b o t ht h eh 衅a n dt h eh b ph a ds o m en e wp e r f o r m a n c e s , a n dt h e i rv a l u e sa n dd i r e c t i o n sv a r i e dw i t h c u l t i v a t el o c ia n dm a t e r i a l s 2 p r e d i c t i o no f f lh e i g h to f h y b r i dr i c eb yg db a s e do nm o l e c u l a rm a r k e r t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np a r e n t a lg e n e t i cd i s t a n c eb a s e do rm o l e c u l a rm a r k e re n df ip l a n t h e i g h tw a sa n a l y s i s e df o rp r o v i d i n gan o v e l t ym e t h o dt op r e d i c t i o nh e t e r o s i s t h er e s u l t sw c a s f o l l o w s 1 ) p o s i t i v el o c i 口l ) a c c o u n t e df o r1 5i nt o t a ll o c i ，a n de 眠t i l l i 搬a s i l l gl o c i0 l ) a c c o u n t e df o r 1 2i np l t h er a t eo fp le n di lw e r ed i f f e r e n tf o rv a r i n gm a l c f i a l s b u te n v i r o n m e n ts h o w e dn o s i g n i f i c a n te f f e c t 2 ) t h em t e ( ) o fn o n - 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i n c r e a s i n gl o c io fn o n - e n v i r e n m e n t , n o n - m a t e r i a l sa n dn o n - t i m ew e r er e s p e c t i n e l y0 5 4 7 2 - 0 8 4 0 1 ，0 2 9 7 2 - 0 7 8 6 7 ，0 3 7 7 5 - 0 8 3 6 8 ，a n da l l w a sl o w e rt h a nc o r r e l a t i o nb e t w e e nf ih e i g h ta n dg db a s e do na i li l 5 ) p r e d i c t i o no ff ih e i g h ti nd i f f e r e n te n v i r o n m e n tb yi lw 勰h i g h , w i t ham e a no f0 5 6 5 1 ， b o m gl o w e rt h a nc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e nf ih e i g h ta n dg db a s e do nn o n - e n v i r o n m e n ti l , w h i c ha l s or e a c h e dp o s i t i v ee x t r e m es i g n i f i c a n tl e v e l t h e p r e d i c t i o ne f f e c t sw 哦a f f e c t e db y d i f f e r e n tm a t e r i a l sa n dg e o g r a p h i c a le n v i r o n m e n t s 们p r e d i c t i o n sb e t w e f nt w os e t sh a dg r e a tv a r i a t i o n si nt h ev a l u ea n dd i r e c t i o no f c o r r e l a t i o n s h i pa m o n gt w os e t si nt w oe n v i r o n m e n t s ，a n da b s o l u t ev a l u eo ft h e mw a sl o w e rt h a n c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e nf lh e i g h ta n dg db a s e do nn o n - m a t e r i a l si l k e yw o r d s ：h y b r i dr i c e p l a n t h e i g h td y n a m i ch e r i t a n c e m o l e c u l a rp r e d i c t i o n v i 独创性声明 学位论文题目：壅銮盔塑挂盎鲮盈蠢显佳金堑厘金歪瑟型 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得西南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者：彭涛签字日期：捌7 年j - 月爿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口不保密， 口保密期限至年月止) o 学位论文作者签名：彭待导师签名：彳劭乒斧 签字日期： 力穸年歹月留日 签字日期：知唧年f 月背日 第l 章文献综述 第1 章文献综述 1 1 株高的遗传效应及杂种优势研究进展 株高的发育是一个动态累积的过程，直接影响作物的丰产潜力和抗倒性能，历来倍受遗 传学家和育种学家重视l l j 以往有关株高的研究多以最终形成性状为基础，利用最终株高估算 的遗传效应值来反映众多基因在不同时期表达的综合效应，而对于发育过程的遗传效应变化 涉及较少现代发育遗传学与生态环境结合已经探明在生物个体的不同发育阶段，基因是按 一定的时空秩序有选择的表达的，控制复杂性状的机制在个体发育中会发生显著的变化口栅。 近年来，发育遗传模型己逐渐应用于棉花删、水稻 9 - ”、红麻心、烟草f j 4 l 、大豆删等作物的 数量性状发育遗传研究 1 1 株离遗传效应研究进展 前人的研究大多集中在对最终株高的考察上。得出的结论也各有不同彭忠华掣1 1 对玉 米的研究以及王毅等h7 l 对白肋烟的研究，均认为株高由加性和非加性基因共同决定；而番兴 明等0 8 1 同样以玉米为研究材料。得出玉米株高表现主要受加性效应控制姚金保等”屿阮仁 武等 2 0 i 对小麦的研究均发现，小麦株高由加性基因和非加性基因共同作用，但以加性效应为 主宁海龙等i z i j h t 大豆株高的遗传分析结果表明；其株高仅受显性效应基因的影响；卢秀萍 等【i j 对烤烟株高进行发育遗传研究。发现株高在不同发育时期的表现均受加性效应和显性效 应基因共同控制，且以加性效应基因为主l 在条件方差分析中，条件加性方差和条件显性方 差均表现出一定的波动性，表明控制株高性状的基因在整个发育时期并非持续，稳定表达。 陈幼玉l l 习等对红麻株高的动态发育遗传分析发现：株高在不同生长发育时期的非条件、条件 遗传效应两者基本一致，均以显性效应为主，加性效应较弱，但条件遗传效应的分析与实际 更为相符 在水稻株高的遗传研究方面。多数研究者认为最终株高主要受加性效应控制 2 2 - 2 t i 沈圣 泉等【卿对籼粳杂种株高的研究，则认为株高主要由显性效应控制。且基因型与环境互作对株 高有显著影响。余守武等1 2 9 1 对三交中晚稻的研究得出，株高以非加性效应为主。王雪仁等1 3 0 i 分析了两套籼型三系杂交水稻不同发育时期的株高，得出株高在不同发育阶段均受加性效应 和显形效应的共同控制分蘖期以加性效应为主，抽穗期以显性效应为主，另外，株高在整 个发育时期易受基因型与环境互作效应的影响。该效应在一定程度上影响株高性状的表现 1 1 2 株高杂种优势研究进展 在株高杂种优势研究方面，前人也是重点考察的最终株高，得出的结论各有不同。阮仁 武等 2 0 i 对小麦研究的结果显示：f l 株高有显著的群体平均优势，但群体超亲优势不显著；戚 廷香等3 1 i 和王婷等p 2 对玉米的研究结果显示：玉米f i 株高有极显著的群体平均优势和群体超 亲优势；许如根等1 3 3 1 的研究认为，大麦杂种f l 株高有超高亲优势 西南大学硕士学位论文 在水稻方面，李伟等【、肖国樱等1 3 5 j 、周国峰等”1 分别对籼粳型品系、籼爪交和粳爪交、 籼型两系杂交稻最终株高进行了研究，皆认为水稻株高有较大的超亲优势。王雪仁等【圳利用 发育遗传模型分析了水稻不同发育时期的株高，发现随着发育进程的推进群体优势增加，至 抽穗期杂种优势最强。在大多数发育阶段，条件群体平均优势为正值，且达到显著或极显著， 而条件群体超亲优势在大部分发育时期则达到负向显著或极显著水平。 1 2 杂种优势遗传机理 两个遗传组成不同的亲本杂交才能产生杂种优势，说明形成杂种优势的根本原因是杂种 本身在遗传上的异质性，也就是说，杂种同源染色体上存在一定数量的不同等位基因，是产 生杂种优势的根本原因这种基因异质性的作用方式至今没有定论。早在2 0 世纪初，人类就 对产生杂种优势的遗传学基础提出了各种假说，基于单基因遗传效应的显性假说和超显性假 说一直是两种最令人信服的假说。然而杂种优势是一种非常复杂的遗传现象，众多的研究者 们的研究手段和研究角度又各不相同，因此产生出其它诸多假说。 1 2 1 显性假说 显性假说首先由d a v e n p o 脚b r u c ep ”提出，经j o n e s 鲫进一步补充形成该假说认为， 多数显性基因是有利基因，而隐性基因是不利基因，当两个遗传组成不同的亲本交配时，来 自一个亲本的显性有利基因就会将来自另一个亲本的隐性有害基因遮盖住，从而使杂种个体 表现出优势。显性假说只考虑等位基因的显性作用，没有考虑非等位基因的相互作用，也没 有考虑杂种优势的性状大多属于数量性状，其控制基因并不表现典型的显隐性关系。 k e e b l e 和p e l l e w 的豌豆杂交试验证明了这一学说删；b 砌粕p ”和s p r ；l g i j 习等的研究结 果显示，玉米籽粒产量受显性基因影响；x i a o 等 4 3 1 利用籼粳杂交组合的重组自交系分别与双 亲回交并对其q t l 进行研究，认为水稻杂种优势产生源于显性基因互补，为显性假说提供了 有力的证据。 1 2 2 超显性假说 超显性假说首先由s h u l l 【“l 和e a s t 4 5 斯】于1 9 0 8 年分别提出。根据这一假说，两个自交系 基因型差异程度越大，杂种优势就越大。杂种的这种差异发生于同一基因位点上，这一位点 具有众多的复等位微效基因，它们有着不同的遗传组成和不同的生理功能。复等位微效基因 间并没有显隐性关系，但它们集合在一起时却能相互作用显示出超出显性基因的效果。这一 假说很好地解释了杂种表现远远大于最优亲本的现象。但这一假说也存在片面性，它完全捧 除了事实上存在的、决定性状表现的等位基因之间的差别，不承认显性效应在杂种优势中的 作用。而且在白花授粉植物中，一些杂种并不一定比其亲本表现优势，也就是异质结合不一 定就有优势，这种现象与超显性假说是背离的。 s t u b e r 等4 7 , 4 8 1 利用r f l p 分子标记进行玉米杂种优势产生的遗传机制研究。发现决定产量 2 第1 章文献综述 性状的q t l s 位点杂合性与杂种优势呈正相关，随着性状涉及位点数的增加，表型与位点杂合 性的相关系数也增加，且玉米中大多数q t l 杂合子表型值均高于任何纯合子，认为超显性效 应是产生杂种优势的重要遗传基础。孙其信等h 9 l 研究冬小麦部分基因杂合性与杂种优势表达 的关系，发现q t l 杂合时可以表现杂种优势，而且随着杂合q t l 位点的增加，杂种优势有进 一步提高的趋势这说明杂种优势的形成与q t l 的杂合性有关。 1 2 3 上位性互作假说 。 显性假说和超显性假说都是基于单一位点等位基因的作用。但是对a r l 间的互作未做考 虑上位性是非等位基因的相互作用，该假说认为控制数量性状的多基因在作物生长发育的 相同或不同时期发生作用，基因作用的结果必然存在相互联系和相互影响，使两对基因的效 应值偏离两者相加之值，即为上位性基因的作用 p o w e r s o o 的研究最早证明产生杂种优势的上位性理论。他分析了他所研究的群体的杂种 优势，认为存在非等位基因间的相互作用。y u 等p ”利用r f l p 和s s r 分子标记研究水稻l 间的互作效应对杂种优势形成的影响，结果表明上位性效应是水稻产量杂种优势的重要遗传 组分l i 等i s 2 、y a m a m o t o 等例、华金平【、熊立仲5 5 】等的研究也证明了上位性效应在形成 杂种优势中的重要性。 1 2 4 其他假说 杂种优势是一种复杂的生物学现象，是生物体内各种作用乃至生物个体间相互平衡以及 环境作用的综合体现，因而上述基因学说还难以完整解释作物杂种优势产生的原因在对杂 种优势机理的研究中，研究者分别提出了活性基因效应假说、遗传平衡假说、基因网络系统 假说、基因组互补假说、d n a 甲基化假说、基因差异表达假说等等 活性基因效应假说【”】认为当等位基因纯合时，只有一个具有活性，对表型的形成产生作 用；但基因杂合时，异质基因都具有活性，这些活基因闻的相互作用，使杂种产生优势。并 将杂种优势剖分为一般杂种优势和特殊杂种优势。 遗传平衡假说【邶町是显性假说和超显性假说的综合该学说认为，杂种优势是各种遗传过 程作用的总效应。在这种总效应中，源于各种非等位基因间的效应占主导地位，等位基因问 的超显性效应只占少部分。一个性状往往受许多基因控制，杂合子由于具有比亲本更多的基 因类型，在遗传平衡上要比亲本具有更多的基因间作用方式，由此产生了杂种优势 基因网络系统假说”1 认为，不同的生物都具有一整套保证其正常生长发育的遗传信息 包括全部编码基因、控制基因表达的调控序列，以及协调不同基因间相互作用的组分这些 信息组成了基因有序表达的网络，彼此互相联系，互相影响杂种代是两个不同基因群组 合在一起形成的一个新的网络系统，在这个新组建的网络系统中，等位基因成员处在最好的 工作状态，使整个遗传体系发挥最佳效率时，即可形成杂种优势 基因组互补假说 c o l 认为，作物杂种优势的产生不仅涉及核基因组，而且包含有细胞质基 3 西南大学硕士学位论文 因组以及质、核基因组互作的贡献。杂种优势的产生不仅是由于遗传信息量和核搪体r n a 重 复数的增加，还由于f l 代d n a 复制、r n a 转录、蛋白质翻译上量的增加以及细胞中各种酶 和调控元件工作效率的提高。 d n a 甲基化假说( m c c l i n t o k1 9 7 5 ) 认为：d n a 甲基化在发育中发挥重要基因调节功能， 同时它能在杂合体形成过程中发挥重要作用。t s a f i m - i s l 6 q 对玉米自交系、改良系和杂交种的基 因组d n a 甲基化程度与分布与基因表达的关系进行分析表明：杂交种d n a 甲基化程度低于 自交系；改良系d n a 甲基化程度低于自交系；在密植条件下自交系d n a 甲基化状态的改变 较杂交种更明显。但x i o l i g 【6 2 1 等对水稻杂交种及双亲的d n a 甲基化的研究结论却与t s a f i a r i s 相反，结果表明，两个亲本具有相同的d n a 甲基化( 均为1 6 3 ) ，而在杂交种中，d n a 甲 基化比例为1 8 。仪治本1 6 3 等对高粱的研究也发现杂种优势的产生与杂交种f l 代基因组甲基 化模式的改变和重新调整有关。 基因差异表达假说。双亲的染色体和主要来自母本的细胞质构成了杂合子全新的胞内环 境与核质关系。杂合子就是在新的调控系统控制下形成的。杂种优势现象实际上是杂合子内 基因表达调控的外在表现形式。对杂交种和亲本的基因差异表达进行比较分析，可在一定程 度上反映其与杂种优势形成的关系。r o m a g n o l i l 6 4 等首先提出并研究了基因表达与玉米杂种优 势的关系，得出杂种优势的产生与杂交种中许多基因的差异表达有关。x i o n g 等 6 5 1 以水稻的一 套双列杂交组合为材料，对叶片的基因表达与杂种优势分析后认为：杂种优势与显性类型的 基因表达无关，而与亲本基因在杂种中抑制表达有关。田曾元等惭】为探讨杂种优势的分子机 理，用c d n - f l ，p 技术对l o 个玉米自交系及其组配的3 5 个杂交组合基因差异表达进行研究， 表明：单亲沉默类型是玉米基因差异表达的主要类型，与杂种优势表现相关；而亲本显性表 达类型、f i 特异表达类型、杂种中特异或抑制表达类型与杂种优势关系不大。上述研究结果与 传统的认识特别是显性和超显性假说有较大差异。 1 3 分子标记预测杂种优势的研究进展 目前在杂种优势预测方面应用较多的是表型预测、生化预测和分子标记预测等方法。其 中d n a 分子标记预测方法是近几年才发展起来的新技术，它逶过测定两个亲本之间的遗传距离 来预测其杂种优势。s t u b e r 辐! ，x i a 0 1 4 3 1 ，y u 5 1 1 和孙其信 4 9 1 等分别对玉米、水稻和小麦等作物的 研究工作为超显性、显性和上位性假说提供了分子证据，从而使分子标记研究亲本遗传差异 与杂种优势的关系成为该领域的研究热点。 1 3 1 应用于杂种优势预测的分子标记主要类型 r f l p ( r e s t r i c t i o nf r a g m e n ti 舶g 出p o l y m o r p h i s m ，限制片段长度多态性) ：由g r o d z i c k o r 于1 9 7 4 年提出，其基本原理是检测d n a 在限制性内切酶酶切后形成的特定d n a 片段的大小， 包括基因组d n a 限制性酶切、电泳分离、s o u t h e r n 转移、特异性探针杂交检测等步骤。 r a p d ( r a n d o m l ya m p l i f i e dp o l y m o r p h i cd n a ，随机扩增多态性d n a ) z 是由w i l l i a m s 即1 4 第1 章文献综述 和w e l s h 【“l 领导的两个研究小组1 9 9 0 年分别发现的一种d n a 分子标记它以p c r 为基础， 利用人工合成的随机序列寡核苷酸作引物，以生物的基因组d n a 作为模板进行p c r 扩增反 应，产生不连续的d n a 产物，通过琼脂糖凝胶电泳来检测d n a 序列的多态性。 a f l p ( a m p l i f i e d f r a g m e n t l e n g t h p o l y m o r p h i s m ，扩增片断长度多态性) ：是由z e b e a u 等l 叫 发明的利用p c r 检测d n a 多态性的一项技术。其基本原理是基因组d n a 用限制性内切酶消 化产生大小不等的d n a 片段，经添加接头和p c r 选择扩增、电泳，形成丰富的d n a 标记。 a f l p 标记结合了r f l p 和r a id 的优点，它具有多态性丰富、所需d n a 量少、结果稳定可 靠、重复性好等特点。 s s r ( s i m p l es e q u e n r e p e a 扭，简单重复序列) ：是由l 9 个碱基对为重复单位组成的 高度重复序列，在染色体上呈随机分布由于重复次数和重复程度的不同，造成了每个基因 位点的多态性可以根据重复单元两端存在的保守序列设计引物。经p c r 扩增、电泳等技术 进行检测。 s r a p ( s e q u e n c e - r e l a t e d a m p l i f i e dp o l y m o r p h i s m ，相关序列扩增多态性) ；s r a p 是一种新 型的基于p c r 的标记系统，由美国加州大学蔬菜作物系l i 与q i d m s 博士于2 0 0 1 年提出引 物设计是s r a p 分析的核心，s r a p 标记分析共有两套引物。在一组正向s r a p 引物中使用 。删”序列，其目的是使之特异结合可译框( o r f s ) 区域中的外显子。由于外显子序列在不 同个体中通常是保守的，这种低水平多态性限制了将它们做为标记的来源，所以另一组反向 引物中使用“a a t t ”序列以便特异结合富含a t 的启动子和内含子区域，内含子、启动予在 不同物种甚至不同个体问变异很大，这就使得有可能扩增出基于内含予与外显子的s r a p 多 态性标记。 1 3 2 分子标记预测杂种优势研究进展 作物育种家一直期望能够找到经济有效的方法来预测杂种优势，弥补传统方法( 通过配制 杂交组合进行田问评价杂种优势) 费时费力、周期长、效率低，易受环境影响的缺陷。基于此 背景下。利用分子标记遗传距离与杂种产量及杂种优势表现之间存在的相关性预测作物杂种 优势，是育种专家研究的新方法分子标记预测杂种优势首先是在玉米【7 5 j l l 中展开的，进而扩 展到水稻 7 0 - ”，玉米h 辆7 ”1 “i 、小麦嗍，棉花一l 和大豆( 柳等作物，预测方法可分为一般遗 传距离预测和特殊遗传距离预测 ( 1 ) 一般遗传距离与杂种优势预测 前人在计算亲本遗传距离时大多都使用了全部的分子标记位点，这样得出的遗传距离称 为一般遗传距离。对于一般遗传距离与杂种优势的相关性，不同的研究者得出的结论各不相 同。s m i t h 等l l i l 。s t u b e r 等呻l 对玉米的研究结果表明杂种表现与亲本遗传距离( 基因型杂合程 度) 间存在高度相关性；但g o d s h a i k 等蜘和d u d l e 严3 1 等则正好观测到相反的结果，认为这种 相关性很低。m e l c h i n g e r l 7 5 l 和b o p p e n m a i e r 等【”1 通过对玉米的研究指出，在同一杂种优势群内 西南大学硕士学位论文 亲本间的遗传距离和f l 表现的相关性高；不周杂种优势群间相关性低；我国学者袁力行等唧】， 在利用4 种分子标记对1 5 个玉米自交系进行遗传多样性分析的基础上，研究这种相关性，结 果虽然呈显著正相关，但是相关程度并不足以预测杂种优势z h a n g 等嘲在小麦的研究中发现， 除穗粒重外，亲本问s s r 遗传距离与f i 各性状杂种优势间相关均不显著。张培江i ”7 4 l 利用 r f l p 、