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《南京农业大学》 2007年
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高粱与苏丹草的遗传及其杂种优势利用的研究

詹秋文  
【摘要】: 高粱[Sorghum bicolor(L.)Moench和苏丹草[Sorghum sudanense(Piper)Stapf]均属于禾本科高粱属,普遍被认为起源于热带非洲,二者在亲缘关系上有一定距离,但无生殖隔离。高粱的分类问题,在几百年来一直被众多植物学家探索着。目前,苏丹草与高粱是否属于同一个种至今存在争议,亟待澄清两物种分类学上混乱。 高粱与苏丹草没有生殖隔离,这就使利用高粱与苏丹草的杂种优势成为可能。开展高粱-苏丹草杂种优势利用及其指纹图谱和分子标记研究,对饲用高粱和苏丹草遗传育种具有重要的理论和实际意义。 本研究旨在通过数值分类学、细胞遗传学、生理生物化学和分子生物学等方法,探讨苏丹草与高粱形态学与分子性状的遗传亲缘关系,开展高粱与苏丹草杂交优势利用研究,建立高粱与苏丹草及其杂交种DNA指纹图谱,进行高粱/苏丹草褐色中脉基因的遗传分析和SSR标记定位,为进一步选育更加高产优质品种创造前提和条件。本研究获得的主要结论如下: 1.高粱与苏丹草生物学特性的数值分析 选取高梁属不同来源和类型高粱品种6个,苏丹草品种4个,另加1份与苏丹草和高粱染色体数相同的饲用墨西哥玉米(Zea Mexicana)作为参照物种开展数值分析。在植物营养生长阶段和生殖生长阶段观测高粱、苏丹草生物学性状共64个。对苏丹草与高粱10个品种共300个个体的两组判别分析表明,苏丹草与高粱品种间F测验达极显著水平。因此,苏丹草与高粱类间差异明显。至于苏丹草类内和高粱类内部分品种间F测验显著,说明苏丹草与高粱类内又存在分化现象。对苏丹草与高粱的10个品种各30株共300个个体进行判别分析,结果每品种的30个个体都能回判到各自品种中,表明参试的30个个体是合理的。用观测的64个性状指标对苏丹草和高粱共10个品种进行分层聚类,结果苏丹草和高粱明显被分成两大类。 与此同时,本研究还系统分析了苏丹草和高粱64个生物学性状的分类学意义;利用主成分分析法确定出6个主分量,在特定生态条件和栽培模式下,主成分Ⅰ、Ⅱ值的大小决定着苏丹草和高粱共同祖先向各自发展方向进行演化,以6个主成分的回归因子得分值进行10个品种的快速聚类,结果苏丹草和高粱被分成2大类。进一步扩大参试品种的数量,对48个苏丹草和高粱及其近缘种进行数量分类研究,结果基本支持原10个品种的结论,但全部苏丹草和高梁两类群不能被完全分离开来。 2.高粱与苏丹草及其杂种的细胞遗传学研究 采用去壁低渗火焰干燥法对4个苏丹草和6个高粱品种的核型进行比较研究,结果表明苏丹草和高粱体细胞染色体数均为20(2n=20)。苏丹草品种均为1A核型,并具有1对随体染色体,其中1、2号品种的第2对染色体为近中间着丝点染色体,3、4号品种为中间着丝点染色体;高粱品种除5号为1A核型、中间着丝点染色体外,其余的5个品种为2A或2B核型,且都有1或2对近中间着丝点染色体,9号品种还出现1对近端着丝点染色体;高粱8、9号品种各观察到1对随体染色体。染色体数量分析表明,第1到第10对染色体长短臂的绝对长度、相对长度以及绝对全长在苏丹草和高粱两类间的差异均不显著(P>0.05)。因此,苏丹草和高粱的遗传差异不在染色体长度上。 进一步观察了3个杂种F_1减数分裂染色体行为和2个杂种F_2体细胞中染色体数目。结果杂种F_1花粉母细胞减数分裂过程中,中期Ⅰ染色体核型和数目清晰可见(2n=2x=20),配对行为规则;棒状和环状二价体的频率因组合不同而有差异,Tx623A×S722 F_1、3042A×Sa F_1和Tx623A×Sa F_1棒状二价体频率分别为4.887,5.710和5.126,环状二价体频率分别为5.113,4.290和4.874;在后期Ⅰ,配对的染色体能够正常分离。杂种F_2体细胞中染色体数目为20(2n=20)。说明苏丹草与高粱染色体具有很高的同源性,能够正常配对并稳定传递,二者亲缘关系非常近。 3.高粱与苏丹草同工酶以及光合特性的比较研究 采用聚丙烯酰胺电泳法,对4个苏丹草和6个高粱品种进行过氧化物酶同工酶的分析比较,结果表明苏丹草和高粱各品种的酶带不完全相同,但却未能找到苏丹草和高粱两类的特异带谱。进一步对以上材料进行酯酶同工酶分析,结果苏丹草被聚为一类,高粱被聚为另一类,因此,酯酶同工酶谱可以作为鉴别苏丹草和高粱的有效生化标记。 采用CI-310便携式光合测定系统,对32份高粱和10份苏丹草品种进行强弱光下光合特性的比较研究。结果表明:高粱和苏丹草的各项光合指标除后者的胞间CO_2浓度外,在强弱两种光照条件下均有显著或极显著差异。在弱光条件下,各项光合指标在高粱和苏丹草间均没有显著差异;但在强光条件下,高粱的蒸腾速率和胞间CO_2浓度极显著或显著超过苏丹草。在弱光条件下,无论高粱或苏丹草,其净光合速率、蒸腾速率和气孔导度三者间均呈显著或极显著正相关;但在强光条件下,苏丹草的各项指标无显著相关,而高粱大部分指标间相关极显著。 4.应用RAPD和SSR分子标记对高粱和苏丹草遗传多态性的研究 选用了32份高粱品种、10份苏丹草品种及2份高粱近缘种拟高粱和假高粱进行了RAPD分析。结果表明:12对RAPD引物产生的68条DNA扩增片段中,52条(76.5%)具有多态性。高粱之间的相似系数从55%到95%;苏丹草之间的相似系数从52%到84%,因此选择的品种之间的多态性高,具有代表意义。高粱不育系和保持系之间的相似度很大为89%以上。以0.66为阈值将44个品种分为十个类群。第1类群为4份苏丹草品种;在2、3、4群中既有苏丹草也有高粱;5、6、7、8群中则全部为高粱。因此,从RAPD分子标记聚类结果看,高粱和苏丹草遗传差异较小,难以完全分开。 用SSR标记分析了48份高粱、苏丹草及其近缘植物拟高粱、假高粱、墨西哥玉米、玉米的多态性及其亲缘关系。91对SSR引物在48个品种中扩增得到723个等位基因,平均每个位点有7.945个等位基因,多态性率达98.480%,多态性信息含量PIC为0.783。其中,在高粱品种内扩增出669个等位基因,平均每个位点有7.352个,多态性率为84.530%,多态性信息含量PIC为0.774;在苏丹草品种内扩增出649个等位基因,平均每个位点有7.132个,多态性率为78.483%,多态性信息含量PIC为0.770。通过对高粱与苏丹草多态性信息含量PIC值差异性t检验表明,二类群间无显著差异(p>0.05)。高粱和苏丹草两类间平均遗传距离仅0.035。全部48份材料间的遗传相似系数最小为0.217,最大为0.975,据此进行聚类分析,结果显示:以相似系数0.766作为分类临界值,可以将48份材料分成5类,即全部高粱和苏丹草品种聚为1类,拟高梁(S.propinquum)1类,假高粱(S.halepense)1类,墨西哥玉米(Zeamexicana)1类,玉米(Zea mays)1类。因此,将苏丹草作为1个独立的植物分类种并不合适,建议将其划归双色高粱种(S.bicolor)。 5.高粱与苏丹草杂种优势利用的研究 苏丹草(S.sudanense)与高粱(S.bicolor)均为禾本科高粱属植物,二者的杂种优势明显。20世纪80年代,作者首次在我国开展高粱与苏丹草杂种优势利用的研究,研究结果表明:F_1单株生物产量性状高于双亲平均值,甚至超过或接近高亲。影响高粱-苏丹草杂交种单株茎叶鲜重的主要因素是主茎粗、叶长;决定单位面积鲜草产量的主要是密度、叶长和单株茎叶鲜重,其中在一定范围内密度对单位面积产量的直接通径系数最大,为1.0299~(**)。多年随机区组试验结果表明,杂交种单位面积鲜草产量显著超过苏丹草,并以30万株/hm~2为最适种植密度。杂交种营养品质与苏丹草相近,氰化物含量低,在孕穗后期含糖量达到最大值,为10.0%(Bx)。 6.高粱与苏丹草及杂交种DNA指纹图谱构建和褐色中脉基因的定位 从100个RAPD引物中筛选到9个多态性高、重复性好的引物,多态性条带比率为64.06%,利用4个核心RAPD引物可以为42份高粱与苏丹草品种资源中的每份品种构建一张特定的数字指纹,并通过其中1个引物F-01构建了一张能鉴别2份国审品种皖草2号和皖草3号高粱-苏丹草杂交种的RAPD指纹图谱,不过该图谱不能区别皖草3号与其父本Sa。从95对SSR引物中筛选出多态性丰富的引物73对,多态性条带比率为86.06%,通过3对核心SSR引物就可以构建42份高粱和苏丹草的SSR数字指纹,同时利用其中1对SSR引物txp18,寻找到两个杂交种的互补带,从而构建了两个高粱-苏丹草杂交种的SSR指纹图谱,这张SSR指纹图谱不仅能鉴别皖草2号和皖草3号,还可以把杂交种与其亲本区别开来。 高粱/苏丹草褐色中脉品种的叶片中脉和茎杆髓部是褐色的,茎杆的表皮呈深褐色。此类品种能使难以消化的木质素含量降低40%-60%,从而大幅度地提高消化率。利用高粱经典材料Tx623A的褐色中脉突变体(bmr-6类型)与白色中脉苏丹草(Sa-line)进行杂交,构建F_2分离群体,F_1表现为白色中脉,F_2白褐分离比符合3:1。这说明褐色中脉基因受一对等位基因控制,表现为隐性遗传。用已知定位到连锁群上的SSR标记和分离群体分析法,对褐色中脉bmr-6基因进行了连锁分析,发现1个与褐色中脉bmr-6基因连锁的微卫星标记,连锁距离为4.2cM,并将该基因初步定位于第7连锁群上。
【学位授予单位】:南京农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:S514

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5 黄朝晖;高粱原花青素提取纯化及生物活性研究[D];沈阳农业大学;2008年
6 邵艳军;高粱、玉米苗期抗旱生理与分子机制的比较研究[D];西北农林科技大学;2005年
7 张美善;高梁叶片和胚乳DNA甲基化水平和模式的遗传与变异研究[D];东北师范大学;2007年
8 常金华;高粱品种“河农16”抗蚜的理化特性及抗性基因定位[D];河北农业大学;2005年
9 仪治本;高粱、玉米基因组甲基化水平变化与杂种优势关系的初步探讨及高梁异胞质雄性不育性的遗传分析[D];山西农业大学;2004年
10 李晓宇;利用SSR分子标记选育低氰含量高丹草新品系的研究[D];内蒙古农业大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 徐文华;杂交高粱-苏丹草产量与品质形成机理及其对氮素水平的响应[D];山东农业大学;2005年
2 Murekatete Nicole;高粱、大豆、玉米混合粉的营养、功能性质的改善及其作为营养食品的应用[D];江南大学;2010年
3 王鑫;盐胁迫下高粱新生叶片结构和光合特性的系统调控研究[D];山东农业大学;2010年
4 Rebecca Simisola Agboola;硼(B)和氯化钠胁迫处理诱导高粱(Sorghum bicolor)自交系发生形态和DNA甲基化的变异[D];东北师范大学;2010年
5 蔡世嘉;苏丹草叶斑病原平脐蠕孢菌的研究[D];南京农业大学;2011年
6 刘龙龙;高粱杂种优势与其基因组甲基化水平变化关系的初步探讨[D];山西农业大学;2005年
7 闫心柏;旱地高粱渗水地膜覆盖增产机理研究[D];山西农业大学;2004年
8 韩永亮;同源四倍体高粱与约翰逊草SSR分析及杂种优势多代利用研究[D];河北农业大学;2006年
9 晏和平;酶制剂对青贮高粱品质的影响[D];湖南农业大学;2005年
10 赵茜;高粱与约翰逊草细胞遗传学及杂种优势利用研究[D];河北农业大学;2006年
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