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大豆苗期基因差异表达模式与杂种优势关系的研究

张君  
【摘要】: 本论文采用4×5的NCII设计杂交组合为材料,研究了大豆农艺和品质性状的杂种优势,分析了杂交种与亲本之间基因差异表达的类型、比例及其与杂种优势的关系。在此基础上,选用20个杂交组合中在产量上具有明显优势的一个杂交组合吉林38×EXP(代号为3×12),克隆了22个杂交种与亲本之间差异表达的cDNA片段,并对这些片段进行了同源性比较与功能推测。以期探讨大豆杂交种与亲本之间基因差异表达与性状杂种优势表现的关系。所得结果如下: 对20个杂交种和9个亲本进行随机区组设计种植,测定了大豆杂交种与亲本11个农艺和品质性状,亲本包括吉林30号(代号为2)、吉林38号(代号为3)、2002系选(代号为17)、吉林47(代号为19)、意3(代号为6)、PEMVy(代号为9)、EXP(代号为12)、ARIRA(代号13)和SAPPRO(代号为14)。测定的农艺性状有:株高、节数、分枝数、单株荚数、单株粒数、虫食粒率、茎粗、百粒重、单株粒重;品质性状有:粗蛋白质含量、粗脂肪含量。 计算了大豆不同组合的中亲优势(MPH)和超亲优势值(BPH)。结果表明,大豆存在明显的杂种优势,20个组合各个性状的MPH平均值株高为0.26%、节数为0.61%、分枝数为20.60%、单株荚数为28.78%、单株粒数为32.72%、虫食粒率为-15.68%、茎粗为12.99%、百粒重为7.75%、单株粒重为43.90%、脂肪为1.02%、蛋白质为-0.11%。其中茎粗、百粒重和单株粒重的绝大多数组合中亲优势为正优势,而株高、节数和虫食粒率的多数组合为负优势,没有任何一个性状在20个不同组合中均为正值或负值。大豆各性状最大中亲优势为单株粒重3×12组合,中亲优势值为139.73%。20个组合各个性状的超亲优势(BPH)平均值株高为-7.44%、节数为-4.14%、分枝数为-4.55%、单株荚数为14.67%、单株粒数为17.00%、虫食粒率15.14%、茎粗为7.28%、百粒重为3.42%、单株粒重为25.40%、脂肪为-3.64%、蛋白质为-2.98%。其中百粒重和单株粒重的绝大多数组合超亲优势为正优势,而株高、脂肪和蛋白质的绝大多数组合为负优势。大豆各性状最大超亲优势出现在单株粒重3×13组合上,超亲优势值为117.45%。 对大豆20个组合的农艺和品质性状进行配合力分析。从一般配合力的角度看,只有株高、百粒重和蛋白质三个性状父母本的一般配合力同时达到了0.1水平以上的差异显著性。在母本方面,单株粒数、单株粒重达到了0.01水平上的差异显著性,单株荚数、茎粗、百粒重达到了0.05水平上的差异显著性,株高、脂肪和蛋白质达到了0.10水平上的差异显著性;在父本方面,株高、节数、蛋白质达到了0.01水平上的差异显著性,百粒重达到了0.05水平上的差异显著性,分枝数达到了0.10水平上的差异显著性。从特殊配合的角度看,只有脂肪一个性状达到了0.01水平上的差异显著性,其它性状均不显著。 应用mRNA差异显示技术,以大豆苗期叶片为材料,分析了一套双列杂交组合的20个杂交种及其亲本之间的基因差异表达模式,并与11个农艺性状和品质性状杂种表现和杂种优势进行了相关分析。结果表明,杂交种和亲本之间都存在明显的基因差异表达,差异表达模式可概括为6种:1)单亲表达一致一型,即该条带仅在母本和杂种(F1)中出现,而在父本中不出现(110),2)单亲表达一致二型,即该条带仅在父本和杂种中出现,而在母本中不出现(011),3)双亲共沉默类型,即该条带在双亲中有,而杂种中没有(101),4)单亲表达沉默一型,即该条带仅出现在母本中,而在父本和杂种中没有出现(100),5)单亲表达沉默二型,即该条带仅出现在父本中,而在母本和杂种中没有出现(001),6)杂种特异表达类型,即该条带仅在杂种中出现,而在双亲中不出现(010)。相关分析结果表明:基因差异表达模式与杂种性状的表现及杂种优势有一定的相关性。对6种不同差异表达模式和11个性状的杂种表现进行相关分析发现,在66个相关系数中有4个相关显著:百粒重和单亲表达一致二型(011)呈显著负相关(相关系数为-0.54~*);百粒重和双亲共沉默型(101)呈显著正相关(相关系数为0.52~*);脂肪与单亲表达沉默一型(100)呈显著正相关(相关系数为0.47~*)。节数和单亲表达沉默一型(100)呈显著正相关(相关系数为0.51~*)。在大豆苗期,对6种不同差异表达模式和11个性状的中亲优势(MPH)进行相关分析,在66个相关系数中有4个达到显著或极显著水平。其中,分枝数、单株荚数、单株粒数中亲优势与单亲表达一致一型(110)呈显著负相关(相关系数分别为-0.44~*、-0.52~*、-0.54~*),单株粒重和单亲表达一致一型(110)呈极显著负相关(相关系数为-0.56~(**))。对6种不同差异表达模式和11个性状的超亲优势(BPH)进行相关分析,在66个相关系数中有4个达到显著或极显著水平。其中,单株荚数和单亲表达一致一型(110)呈显著负相关(相关系数为-0.51~*);单株粒数、单株粒重和单亲表达一致一型(110)呈极显著负相关(相关系数分别为-0.57~(**)、-0.61~(**));虫食粒率和双亲共沉默型(101)呈极显著负相关(相关系数为-0.59~(**))。说明基因的差异表达与杂种优势的形成有一定的关系。 本研究还克隆了22个在杂交种和亲本间差异表达的基因片段,进行了同源性比较与功能推测,这些差异表达基因包括:2个片段是钙调素结合蛋白,可能参与了信号转导;2个片段是18S核糖体体基因,1个片段是26S核糖体基因,可能参与了蛋白质的合成;1个片段是大豆卫星DNA;1个片段是大豆酸性磷酸酶,可能在大豆碳水化合物的转化及蛋白质的合成中起着重要的作用,与土壤有机磷的分解利用及植株体内磷的再利用有密切的关系;2个片段是大豆叶绿素a/b结合蛋白Ⅱ型(Cab-6)基因、1个片段是大豆叶绿体PI 437654基因,可能在光合作用中起重要作用;1个是大豆PPR蛋白,它可能通过与细胞器转录体的结合,在线粒体或叶绿体中起着至关重要的作用。其它11个是未知功能的基因片段。说明杂种优势的形成涉及多种基因的表达变化,是一个非常复杂的生物学过程。


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