耕层玉米根系构型遗传分析及其与氮效率性状的关系

发布时间：2020-02-29 23:35

【摘要】：根系是作物吸收养分和水分的主要器官,根系性状的遗传改良对实现作物高产、资源高效具有重要意义。然而在田间条件下,玉米种质资源根系构型的遗传变异情况及其与氮效率的关系尚不明确,并且根系构型建成的遗传机制也有待挖掘。本研究采用高通量田间根系测定系统DIRT (Digital Image of Root Traits),利用500余份拥有广泛变异的育种自交系组成的关联群体(AM)和159份引进的美国商业自交系为材料,在海南、北京、河南、河北4个环境下,对其吐丝期和成熟期耕层(0-20 cm)的根系构型进行了评价,并在正常供氮和低氮水平下,研究了引进的美国商业自交系根系构型与氮效率性状的关系；同时利用关联群体针对吐丝期和成熟期玉米根系构型进行了全基因组关联分析,剖析了遗传机制；研究结果表明：1、利用508份玉米自然材料(自交系)组成的关联群体,对吐丝期和成熟期玉米根系构型进行系统的研究,发现吐丝期和成熟期根系构型性状在遗传群体中存在广泛的遗传变异,其中吐丝期变异系数达3.7%-63.6%,相差1.9-4.2倍；且稳定遗传,遗传力在54.9%-83.0%；2、在吐丝期和成熟期,中国自交系的根系投影面积(RPA)、根系最大扩展宽度(RMAW)和根系底部夹角(RBA)均显著高于美国GEM种质扩增计划自交系；而根系平均密度(RAD)和根系顶部夹角(RTA)并无显著差异。中国自交系的根系平均扩展宽度(RMEW)在吐丝期时显著高于美国GEM自交系,而在成熟期时并无显著差异。通过对海南成熟期根系构型的评价,发现所引进的159份美国商业自交系与关联群体中的中国自交系相比,美国商业自交系的根系投影面积(RPA)比中国自交系高12.4%,但根系平均密度(RAD)、根系平均扩展宽度(RMEW)和根系顶部夹角(RTA)均小于中国自交系。3、中国自交系可以分成不同的杂种优势群。塘四平头杂种优势群在吐丝期的根系投影面积(RPA)显著小于瑞德和旅大红骨杂种优势群,小20%左右；根系最大扩展宽度(RMAW)和根系底部夹角(RBA)显著低于兰卡斯特杂种优势群,低19%左右；旅大红骨杂种优势群的根系平均密度(RAD)显著高于塘四平头杂种优势群和PB杂种优势群,而根系顶部夹角(RTA)在五个杂种优势群中没有显著差异。4、通过全基因组关联分析(GWAS),分别在吐丝期和成熟期中发现了11个和14个与根系构型显著相关的SNP位点,吐丝期关联分析发现,BIN5.03上有一个控制根系下扎和扩展范围的候选基因。通过表型相关、主成分分析和聚类分析发现根系的投影面积和根系的平均扩展宽度有很强的相关性(r=0.78),但根系的投影面积与根系密度无显著相关性,且根系的投影面积与根系密度性状无共同遗传位点,推测它们存在不同的遗传基础。5、在正常供氮和低氮水平条件下,吐丝期根系投影面积(RPA)与氮吸收效率(NupE)之间都存在显著的正相关,相关系数达到0.35-0.45；主成分分析表明,根系投影面积(RPA)与秸秆产量、氮吸收效率密切相关,而且根系顶部夹角(RTA)与低氮下的减产幅度密切相关。随着根系投影面积的增加,籽粒产量和秸秆产量也随之增加,在低氮条件下尤为突出；根系密度与产量也存在正相关,但达到一定的阈值后,对产量就不再有显著贡献。6、根据田间氮效率表现,159份美国商业自交系可分成四种类型。双高型(EE)和高氮高效型(HNE)玉米根系投影面积、根系平均密度和根系扩展宽度大。低氮下,高氮高效型(HNE)的根系顶部夹角降幅最大。综上所述,玉米种质资源的根系构型存在广泛的遗传变异。与中国自交系相比,引进的美国商业自交系根系大、扩展宽度小,更趋于下扎；玉米根系大小与氮吸收效率和氮效率密切相关；根系大小(投影面积)与根系密度可能存在不同的遗传机制；研究还发现的一些与根系构型显著相关的SNP位点。这些研究结果为遗传改良根系构型性状从而提高养分效率提供了重要的理论依据。
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S513

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