高中生物-玉米遗传多样性与杂种优势素材.doc

玉米遗传多样性与杂种优势摘要 杂种优势利用是玉米育种研究的重要内容。通过分析玉米种质的遗传多样性可以划分杂种优势群，并在结合育种实践的基础上构建杂种优势模式。分子标记技术已成为分析遗传多样性的重要工具。对不同分子标记系统的比较分析表明，SSR标记最适合种质的遗传多样性分析。系谱分析方法、数量遗传学方法和分子标记技术是分析玉米杂种优势群的常用方法。利用分子标记技术并结合双列杂交和NC-II方法对中国玉米种质进行了有效划分。文章最后探讨了利用分子标记遗传距离预测杂种优势的可能性。关键词：玉米 遗传多样性 杂种优势 分子标记杂种优势利用是玉米育种研究的重要内容，其理论基础是杂种优势群和杂种优势模式。合理准确地划分杂种优势群，建立相应的杂种优势模式，才能有效地选配杂交组合。同时，玉米种质的扩增、改良与创新也必须遵循杂种优势群和杂种优势模式的原理，才能避免资源浪费，提高育种效率。杂种优势理论建立在遗传差异之上，因而种质的遗传多样性研究是利用杂种优势的前提，有助于这些种质在育种实践中的有效利用。以往形态标记、系谱分析、配合力表现以及同工酶等方法相继被用于遗传多样性研究，但都表现出一定的局限性。近年来，建立在以DNA结构多态性基础上的分子标记技术克服了传统标记的许多缺点，已发展成为遗传多样性研究的重要工具。本文结合我们AMBIONET中国实验室近年来的研究结果，探讨了利用分子标记进行遗传多样性分析，划分杂种优势群，以及预测杂种优势的可能性。1 利用分子标记研究遗传多样性1.1 DNA分子标记与传统的形态标记、细胞标记、生化标记相比，分子标记直接以DNA的形式表现，在植物的各个组织，各个发育时期均可以检测到，不受季节，环境的限制；数量极多，覆盖整个基因组；多态性丰富，自然存在许多变异；一些标记表现为共显性，能够鉴别出纯合和杂合基因型，从而提供较完整的遗传信息；并且几种主要作物都已建立了高密度的分子标记遗传图谱。当前已发展的分子标记可以分为基于DNA分子杂交技术的标记（如RFLP标记）和基于PCR技术的标记（如SSR、AFLP和RAPD标记）。1.2 遗传多样性分析在遗传多样性研究中，各种类型的分子标记最终结果都表现为一定的条带形式，即相同大小片段位置上条带的“有”和“无”。对于共显性标记（RFLPs和SSRs），每个条带代表一个位点的一个等位基因，因此可以通过这些条带确定的等位基因频率差异来测算遗传距离（GD），如罗杰斯距离（RD）和改良的罗杰斯距离（MRD）。前者在分析相关种质的亲缘关系时非常有用；而后者还适用于杂种优势的研究。对于显性标记（AFLPs和RAPDs），条带与标记位点的等位基因间的对应关系不明确，因而可以通过材料间不相配的条带比例来确定遗传距离，如Nei-Li遗传距离（NLD）或者Jaccard遗传距离（JD）。另外，无论共显性或显性标记，都可以通过简单相配（SM）方法测算遗传相似性（GS），进而得到遗传距离。供试材料的多样性程度、所用标记的数目及在染色体上的覆盖程度决定了遗传多样性分析的精度。由于分子标记分析费用昂贵，估算达到一定分析精度所需的最少标记数量非常重要。通过Jackknife和Bootstrap方法测算遗传距离的标准误可以估计遗传距离的置信区间和达到一定分析精度要求的最少标记数。此外，多态性位点百分率、每个位点的平均等位基因数、多态性信息量（PIC）、多态性检测效率（Ai）和群体的遗传多样性比率(Gst)等遗传参数也被用于种质的遗传多样性评价以及不同标记类型的比较研究。1.3 不同分子标记系统的比较随着分子标记技术的发展，怎样选择合适的分子标记系统用于遗传多样性研究这一问题也随之而来。我们通过利用RFLP、SSR、AFLP和RAPD标记比较分析玉米种质遗传多样性的研究认为，四种标记都可用于玉米种质的遗传多样性研究，结果与系谱分析基本一致。但是，SSR标记因具有最高的多态性信息量，标记位点已定位在遗传图谱上，以及基于PCR技术的快速方便性等优点，最适用于种质的遗传多样性分析。RFLP标记所需DNA量大并且技术操作复杂及成本高，难以用于大量样本的遗传多样性分析。AFLP标记尽管多态性信息量不高，但具有最高的多态性检测效率，能够在一次PCR扩增反应中检测到DNA水平上的微小差异，因而适合构建指纹图谱用于种质的鉴定与产权保护。与其它标记相比，RAPD标记的重复性较差，不能获得精确的遗传多样性分析。总之，SSR标记在结果的可信度、重复性、标准性以及费用上都优于其它分子标记，本实验室已将其作为种质遗传多样性分析的主要手段（袁力行等，2000a）。2 划分杂种优势群的方法和技术路线2.1 划分杂种优势群的常用方法2.1.1系谱分析法美国根据长期的育种经验和系谱来源把玉米带种质分成Reid和Lancaster两个杂种优势群，在此基础上构建了第一个杂种优势模式。以后选育出的新自交系都根据系谱来源划入Reid群或非Reid群，从而提高了杂交种选育和种质改良的效率与目的性。吴景锋（1983）根据系谱将我国玉米种质划分为国内系和国外系，王懿波(1997)则分为5大群和9个亚群。但是由于我国许多自交系没有可靠的系谱记载，因而此方法基本上不适用于我国玉米种质的类群划分。2.1.2 数量遗传学方法根据种质杂交后代的杂种优势表现和变异程度可以进行杂种优势群划分。杂交种的表现可以分解为亲本的一般配合力和特殊配合力；亲本自交系间的特殊配合力有一定规律可循，可以作为类群划分的依据。通过双列杂交方法可以分析自交系间的特殊配合力而用于类群划分，并且非常有效，其可靠性取决于参试自交系的数量与遗传基础的广泛性。我们通过双列杂交分析将15个骨干自交系划分为5个杂种优势群（彭泽斌等，1998）。然而对于大量自交系的分析，巨大的工作量使其在实际操作中缺少可行性。NC-II设计降低了种质分析所需的工作量，但它必须先通过已有的杂种优势群筛选出一套标准测验种。对于一定数量的种质资源，并已经建立了一定的杂种优势群或标准测验种，NC-II设计将非常适合划分种质类群。如Vassal等（1992）根据2个马齿型和2个硬粒型测验种对92个CIMMYT热带玉米自交系进行了有效的类群划分。供试材料的多样性程度、所用标记的数目及在染色体上的覆盖程度决定了遗传多样性分析的精度。由于分子标记分析费用昂贵，估算达到一定分析精度所需的最少标记数量非常重要。通过Jackknife和Bootstrap方法测算遗传距离的标准误可以估计遗传距离的置信区间和达到一定分析精度要求的最少标记数。此外，多态性位点百分率、每个位点的平均等位基因数、多态性信息量（PIC）、多态性检测效率（Ai）和群体的遗传多样性比率(Gst)等遗传参数也被用于种质的遗传多样性评价以及不同标记类型的比较研究。1.3 不同分子标记系统的比较随着分子标记技术的发展，怎样选择合适的分子标记系统用于遗传多样性研究这一问题也随之而来。我们通过利用RFLP、SSR、AFLP和RAPD标记比较分析玉米种质遗传多样性的研究认为，四种标记都可用于玉米种质的遗传多样性研究，结果与系谱分析基本一致。但是，SSR标记因具有最高的多态性信息量，标记位点已定位在遗传图谱上，以及基于PCR技术的快速方便性等优点，最适用于种质的遗传多样性分析。RFLP标记所需DNA量大并且技术操作复杂及成本高，难以用于大量样本的遗传多样性分析。AFLP标记尽管多态性信息量不高，但具有最高的多态性检测效率，能够在一次PCR扩增反应中检测到DNA水平上的微小差异，因而适合构建指纹图谱用于种质的鉴定与产权保护。与其它标记相比，RAPD标记的重复性较差，不能获得精确的遗传多样性分析。总之，SSR标记在结果的可信度、重复性、标准性以及费用上都优于其它分子标记，本实验室已将其作为种质遗传多样性分析的主要手段（袁力行等，2000a）。2 划分杂种优势群的方法和技术路线2.1 划分杂种优势群的常用方法2.1.1系谱分析法美国根据长期的育种经验和系谱来源把玉米带种质分成Reid和Lancaster两个杂种优势群，在此基础上构建了第一个杂种优势模式。以后选育出的新自交系都根据系谱来源划入Reid群或非Reid群，从而提高了杂交种选育和种质改良的效率与目的性。吴景锋（1983）根据系谱将我国玉米种质划分为国内系和国外系，王懿波(1997)则分为5大群和9个亚群。但是由于我国许多自交系没有可靠的系谱记载，因而此方法基本上不适用于我国玉米种质的类群划分。2.1.2 数量遗传学方法根据种质杂交后代的杂种优势表现和变异程度可以进行杂种优势群划分。杂交种的表现可以分解为亲本的一般配合力和特殊配合力；亲本自交系间的特殊配合力有一定规律可循，可以作为类群划分的依据。通过双列杂交方法可以分析自交系间的特殊配合力而用于类群划分，并且非常有效，其可靠性取决于参试自交系的数量与遗传基础的广泛性。我们通过双列杂交分析将15个骨干自交系划分为5个杂种优势群（彭泽斌等，1998）。然而对于大量自交系的分析，巨大的工作量使其在实际操作中缺少可行性。NC-II设计降低了种质分析所需的工作量，但它必须先通过已有的杂种优势群筛选出一套标准测验种。对于一定数量的种质资源，并已经建立了一定的杂种优势群或标准测验种，NC-II设计将非常适合划分种质类群。如Vassal等（1992）根据2个马齿型和2个硬粒型测验种对92个CIMMYT热带玉米自交系进行了有效的类群划分。3 预测杂种优势的研究经济有效地预测杂种优势一直是玉米育种工作者关心的重要课题。尽管通过配制杂交组合进行田间评价直接有效，但费时费力，并易受环境影响。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为预测杂种优势提供了新的方法。Lee等(1989)，Smith等(1990)和Melchinger等(1992)研究发现RFLP遗传距离与F1杂种优势表现存在高度的相关性，可用于杂种优势预测。然而Godshalk等(1990)，Melchinger等(1990) 和Boppenmaier等(1992)的研究得到较低的相关性，无预测价值。我们在利用四种分子标记对15个自交系进行遗传多样性分析的基础上也研究这种相关性，结果呈显著正相关，但相关程度还不足以预测杂种优势（袁力行等，2000b）。众多玉米研究表明，这种相关性普遍存在，但相关程度却从高到低都有分布，其影响因素是多方面的。供试材料的变异程度可能影响分子标记遗传距离与F1杂种优势表现的相关程度。Melchinger(1998)将以往研究的供试材料分为三类：(1)近缘系之间的杂交组合；(2)来自相同杂种优势群的非近缘系之间的杂交组合；(3)不同杂种优势群之间的杂交组合。然后再次对数据进行分析，结果表明这种相关性在(1)类和(2)类材料中显著，在(1)类中还能达到高度相关；而在(3)类中则相关性不显著；我们的研究结果与之完全一致。但在实际育种过程中，杂交种通常来源于不同杂种优势群间的杂交组合，即第(3)种类型，其间不显著的相关性显然不能用于杂种优势预测。然而，影响分子标记遗传距离与F1杂种优势间的相关性的决定因素还是所用标记与杂种优势有关的QTL的连锁程度。Beppenmaien等(1992)和Charcosset等(1991)分别从理论和计算机模型的分析得出，要获得较高的相关性，必须增加与杂种优势有关的QTL连锁的标记位点的绝对数目，并减少无关的标记位点数目以提高相关位点的相对数目。在我们的研究中只是利用了一套较好地覆盖基因组的随机标记来测算遗传距离，是否与杂种优势QTL连锁并不清楚，因而所得相关程度不高。此外，研究中用所有的标记位点进行分析较单一标记类型分析得到的相关程度并未提高，说明无选择地增加标记位点的密度不能提高预测杂种优势的能力。尽管用四种标记类型进行研究得到的相关性基本一致，但是RFLP和SSR标记因共显性和位点可知等优点适用于QTL定位，因此在杂种优势预测方面相对其它标记类型有较好的应用前景。利用与杂种优势有关的QTL连锁的标记位点能够提高相关性，但是怎样通过合理的实验去鉴定这些连锁关系还有待于进一步研究。利用多元回归分析法可以鉴定与QTL连锁的标记，但是最终被选择的变量可能多于甚至远远超过所观察的表型数目；并且在不同群体QTL比较作图研究中发现，这种连锁关系并不能在广泛的种质杂交中一直存在。显性假说和超显性假说都是建立在遗传差异的基础之上，利用遗传距离预测杂种优势正是遵循这一思路。然而杂种优势是一个非常复杂的生物学现象，涉及大量相关基因间的相互组合与互作，并且受到遗传背景的影响，因而简单地根据标记位点的差异来精确预测杂种优势是不够的。利用分子标记遗传距离预测杂种优势尚处于探索阶段，理论和方法均未成熟，离育种实践还有一定差距。预测杂种优势最终将依赖于杂种优势遗传机理的阐明。4用心 爱心 专心