玉米抗南方锈病种质遗传多样性及抗性基因定位研究

发布时间：2020-08-01 09:32

【摘要】：玉米(Zea mays L.)是我国种植面积最大、总产量最高的农作物。玉米南方锈病是由多堆柄锈菌(Puccinia polysora Underw.)引起的世界性气流传播病害,其发生与气候条件紧密相关,尤其与台风的活动路径关系较为密切,具有一定的突发性和爆发性,在生产实践中很难进行有效防控。种植和利用抗病品种是控制南方锈病最安全、经济有效的措施,但目前生产上绝大数的主栽品种感南方锈病,因此选育抗性品种或对现有优良品种进行抗性改良,是玉米育种的一个重要目标。优异的抗性种质资源是进行抗病育种的重要物质基础。为避免抗源单一而造成未来抗性丧失的风险,需筛选不同背景来源且具有稳定抗性的优异种质资源,并进行抗病基因挖掘与定位。本课题主要研究结果如下:第一,抗南方锈病种质资源的筛选。2013~2015年间,在广西南宁和北京昌平对903份玉米种质资源进行了抗南方锈病的鉴定与评价,并利用SSR标记对筛选出的部分具有稳定抗性的材料进行了遗传多样性分析。结果表明,在903份种质中,8份自交系在广西南宁和北京昌平均对南方锈病表现高抗(HR),占总鉴定种质的0.88%;29份材料表现为抗病(R),占比3.2%,包括27份自交系和2份农家种;中抗种质(MR)100份,占比11.1%;感病(S)和高感(HS)种质分别为181和585份,占鉴定材料的20.0%和64.8%。由此可见,玉米资源中高抗南方锈病的种质较为匮乏,在不同地点均表现高抗的材料是难得的抗源。不同地理来源的玉米种质对南方锈病的抗性水平存在较大差异,其中抗性资源较为丰富的是源自内蒙古和山西的种质。第二,南方锈病抗性种质进行遗传多样性分析。42对多态性SSR引物在50份抗锈病材料中,共扩增出141条带,多态性条带139个,多态位点百分率(PPB)为98.58%。平均等位基因数(Na)1.98,平均有效等位基因数(Ne)1.59,平均Nei's基因多样性(H)0.34,平均多态性信息含量(PIC)0.78,平均Shannon's信息指数(I)0.51;通过UPGMA聚类分析,50份抗病材料被划分到2大类群中,其中第1类群包含5个亚群,表现出较高的遗传多样性,为抗病育种中抗源的选择和利用提供参考信息。第三,玉米抗南方锈病QTL定位。以感病自交系黄早四为母本,抗病自交系W456为父本,构建F_2群体。采用人工接种鉴定的方法对两个亲本、F_1、F_2群体及对照品种进行表型鉴定和遗传分析,推断W456对南方锈病的抗性是由隐性基因控制。利用218个SSR标记,分析240个F_2单株的基因型,构建含有200个SSR位点的遗传连锁图,形成10个连锁群,连锁图总长度3331cM,标记间平均距离16.6cM。使用QTL IciMapping V4.1软件中的完备区间作图法对玉米南方锈病抗病QTL进行分析。结果检测到6个控制南方锈病的QTL位点:qSCR3、qSCR7、qSCR8-1、qSCR8-2、qSCR9和qSCR10,分别位于3、7、8、9和10号染色体上,其中8号染色体上有两个位点,邻近标记分别为umc2105和umc1729、umc1066和bnlg2271、umc1904和umc1984、umc1984和bnlg1651、umc1957和bnlg1401、umc2034和umc1291,标记区间在5~19 cM之间。单个QTL的表型贡献率在2.61%~24.19%之间,共可以解释表型变异的62.3%,其中3个QTL贡献率大于10%,位于10号染色体上的QTL贡献率最大,可解释表型变异的24.19%,并将其定位区间进一步缩小到2.51 cM内,与两侧标记的距离分别是2.15cM和0.36cM。初步定位得到10号染色体上存在抗南方锈病的主效QTL位点,可为抗病品种的培育提供参考。第四,玉米抗南方锈病基因定位。本研究利用全基因组重测序分析黄早四×5364 F_2群体中抗南方锈病相关遗传变异,结果共得到2个与抗病性状相关的侯选区域,总长度为14.96 Mb,关联区域内共注释到抗性相关基因1,415个,其中非同义突变SNP位点基因395个,移码突变基因114个,位于4号和10号染色体上。功能富集分析发现,与细胞进程相关的基因有145个,占总注释基因数的42.27%,推断其中可能存在抗病相关遗传变异。本研究通过全基因组重测序直接筛选与抗病相关的遗传变异,并对关联基因进行生物学分析,对揭示南方锈病抗性遗传机制具有重要意义。
【学位授予单位】：河南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S435.13
【图文】：

夏孢子,锈病,病原菌,玉米

图 2-1 玉米南方锈病病原菌夏孢子 Pathogen summer spores of southern广西南宁和北京昌平试验基地排列，采用单行种植的方法。0～25 株左右，每 50 行设自交系行正常田间管理。期进行人工接种鉴定。接种采用×104个孢子/mL 的悬浮液，加宜的傍晚时分进行喷雾接种。

锈病,玉米,孢子堆,叶面积

Tab. 2-1 Evaluation standard of the resistance to southern corn rust病情级别抗性症状描述1 HR 叶片上无病斑或仅有无孢子堆的过敏性反应3 R 叶片上有少量孢子堆，占叶面积少于 25%5 MR 叶片上有中量孢子堆，占叶面积 26～50%7 S 叶片上有大量孢子堆，占叶面积 51～75%9 HS 叶片上有大量孢子堆，占叶面积 76～100%，叶片枯死从 903 份被鉴定的玉米资源中共筛选出丹 3130、164、冀 186 等 8 份在广西南宁京昌平两地均是高抗南方锈病的种质，占鉴定数的 0.9%，均为自交系；29 份种质（16 H7、赤 H16 等）表现抗病，占总鉴定材料数的 3.2%，包括 27 份自交系和 2 份农（表 2-2）；100 份种质表现中抗、181 和 585 份资源分别表现为感病和高感，占鉴料的 11.1%、20.0% 和 64.8%。

锈病,玉米,聚类分析,遗传相似系数

遗传相似系数Genetic similarity coefficient图 3-2 基于 SSR 标记的抗南方锈病玉米材料的聚类分析2 Dendrogram of maize germplasm with resistance to southern rust clusteredusing UPGMASSR markes

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