玉米产量相关性状的全基因组选择

发布时间：2020-07-07 23:04

【摘要】：玉米(Zea mays L.)属于禾本科玉蜀黍族玉蜀黍属,其起源于中美洲,并通过驯化和人工选育而逐渐适应温带环境条件。玉米作为食品、饲料、生物能源和酿酒等的重要来源之一,在国民经济发展和国家粮食安全方面具有不可估量的作用。为此利用分子育种手段提高玉米产量及加快育种进程对粮食安全和农业生产具有重要意义。全基因组选择(genomic selection,GS)作为一种有效的分子育种手段已经广泛地应用于植物育种中,且具有提高遗传增益、缩短育种时间和加快育种进程的优势。本研究中利用自然群体和多个双亲群体进行GS研究,通过分析其预测准确度影响因素,从而为育种工作提供相应的参考建议;而通过应用全基因组关联分析(genome-wide associtation study,GWAS)和QTL定位分析方法检测与目标性状相关的分子标记,并将其应用于GS育种中可以有效地提高模型的预测能力;利用由共同亲本衍生的不同世代双亲群体进行产量相关性状GS研究,发现在群体间亲缘关系较近的情况下可以获得良好的预测效果,从而为实际育种工作提供一些参考。1.全基因组选择影响因素研究及其在育种中的应用本研究通过对分子标记密度、群体大小、遗传率、统计模型、群体间亲缘关系以及训练集与测试集间群体大小比例进行GS研究。结果表明,预测准确度会随着标记密度和群体大小的不断增加而提高,直至接近峰值,且其与遗传率成高度的正相关;然而当训练集的群体大小是测试集的3倍时,预测准确度达到最大值,随着相对群体大小倍数的增加预测准确度增长幅度降低;由于训练群体中亲缘关系较远个体的加入以及群体间等位基因频率的差异而导致预测准确度较低,随着与预测群体相关个体不断加入到训练群体,预测准确度呈上升趋势;不同模型间的预测准确度不具有显著的差异,当群体中包含大量杂合基因型时考虑非加性效应的模型可获得良好的预测表现。2.基于性状相关标记的全基因组选择通过对自然群体和双亲群体分别应用GWAS和QTL定位方法对产量相关性状进行遗传解析,将检测到的性状相关位点用于全基因组选择研究。结果显示利用性状相关位点可以有效地提高GS预测准确度。此外在模型中将性状相关位点作为固定效应考虑时,提高了大多数产量相关性状的预测准确度。因此,在实际的育种过程中将遗传研究中获得的性状相关位点应用于全基因组选择可以提高其预测准确度并提升育种效率。3.基于一般配合力相关标记的全基因组选择通过对自然群体和不同双亲群体产量相关性状一般配合力进行GWAS和QTL定位研究,并利用GCA相关标记与随机选择的分子标记进行交叉验证比较。结果表明,应用GCA相关位点时可以有效地提高GS预测准确度。其中该方法对于GCA遗传率较低的性状可以较大程度地提高预测准确度,且其增长的幅度要明显大于GCA遗传率较高的性状。4.不同世代双亲群体间的全基因组选择利用共同亲本衍生的不同世代双亲群体分别针对产量相关性状的表型和一般配合力效应进行GS研究,无论是利用F_(2:3)群体估算RILDH或F_5群体内各家系的表现,还是应用F_5群体预测RILDH群体的表现,大多数性状均获得较高的预测准确度。而通过利用不同测交群体进行全基因组选择具有较好的预测效果。因此通过构建相应的训练群体及其测交群体,可以选育与相应测验种具有杂种优势的候选育种材料,并能够提高育种效率和加快育种进程。
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S513
【图文】：

曲线,产量变化,世界,年份

米（Zea mays L.）是属于禾本科玉蜀黍族玉蜀黍属的一年生草本植物，其起源于泛的变异而适应多种气候及自然条件（Camus-Kulandaivelu et al., 2006）。而考古关研究表明，大约 9000 年前，在墨西哥西南部河谷地区，现代玉米由野生种大刍p parviglumis）驯化而来（Matsuoka et al., 2002; Piperno et al., 2009; Van Heerwaar然而在其驯化的过程中，许多基因经过自然选择和人工选择后而被淘汰，从而巨大的改变（Hufford et al., 2012）。早期玉米主要通过两条路线向美洲南部进行是大约在 6000 年之前传播至南美洲安第斯山脉区域，另一条是在大约 6700 年前（Tenaillon et al., 2011）。除此之外，在大约 4100 年前传播至美洲西部，之后的洲的北部和加拿大地区。在公元 800 至 1100 年，通过将美洲亚热带南方 Dent 材料进行杂交以选育其开花习性（Tenaillon et al., 2011）。玉米的地方品种在南纬 40间均有种植，并且其种植的海拔高度范围从 0 至 3400 米，表明对于不同的地域泛的适应性。自从 1493 年玉米开始向世界范围内传播，1493 年传播至欧洲，149洲和亚洲（Mir et al., 2013），并于 16 世纪初被传入中国。玉米本身具有优良的耐，最初传入我国时将其作为一种“救荒作物”，大部分被种植在山地丘陵等土壤，直到 17 世纪后期才被传播至我国平原及沿海地区。玉米作为世界范围内重要的

表型相关分析,群体,性状,穗粗

19 2.1 测试群体各性状表型相关分析。（a）自然群体；（b）重组自交系群体；（c）DH 群体；（d）F2:3群（e）F5群体；PH：株高；EH：穗位；EL：穗长；ED：穗粗；GYP：单株产量；HKW：百粒重Figure 2.1 Correlation of agronomic traits for tested populations. (a) Natural population; (b) A population containincombinant inbred lines; (c) A population contianing doubled haploid lines; (d) F3families derived from F2plants; (efamilies; PH: plant height; EH: ear height; EL: ear length; ED: ear diameter; GYP: grain yield per plant; HKW:hundred-kernel weight

性状遗传,群体,相关分析,性状

20.2 测试群体各性状遗传相关分析。（a）自然群体；（b）重组自交系群体；（c）DH 群体；（d）F2:3（e）F5群体。PH：株高；EH：穗位；EL：穗长；ED：穗粗；GYP：单株产量；HKW：百粒重Figure 2.2 Genetic correlation of agronomic traits for tested populations. (a) Natural population; (b) A populationtaining recombinant inbred lines; (c) A population contianing doubled haploid lines; (d) F3families derived froants; (e) F5families; PH: plant height; EH: ear height; EL: ear length; ED: ear diameter; GYP: grain yield per plHKW: hundred-kernel weight状之间呈近似的线性相关。且各性状在不同群体间均呈正态分布。由各性状的遗传相关

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