玉米穗行数分子遗传研究进展

玉米作为全球重要的粮食作物之一,其产量高低直接关系到全球粮食安全和农业经济发展。在玉米产量构成因素中,穗行数是一个至关重要的因素,直接影响玉米的籽粒数量和单产水平,因此,对玉米穗行数的研究具有重要的理论价值和实践意义。从玉米雌穗的发育进程、穗行数与产量及驯化的关系、QTL定位、基因克隆及基因编辑技术在玉米穗行数遗传改良中的应用5个方面对玉米穗行数遗传基础进行了综述,同时结合现在的研究现状和存在问题,对未来研究方向进行展望,以期为玉米高产分子育种和生产提供理论参考。

玉米穗行数全基因组关联分析

穗行数是玉米产量的重要组成性状,其遗传解析对高产育种具有指导意义。本文以203份主要玉米自交系为材料,2007年在新疆乌鲁木齐、吉林公主岭和海南三亚进行穗行数测定;采用分布于玉米基因组的41 101个单核苷酸多态性(SNP)标记对穗行数进行关联分析。共鉴定出9个与穗行数显著关联(P<0.0001)的SNP,分别位于染色体框1.02、1.10、7.03、8.02、9.06和10.03。8个SNP位于已定位的数量性状座位(QTL)区间内。在显著SNP位点LD区域内发掘出4个候选基因,分别编码含F-box结构域的生长素受体蛋白、玉米kn1蛋白、AP2结构域蛋白和富亮氨酸重复的跨膜蛋白激酶。采用全基因组关联分析策略发掘穗行数基因位点及候选基因,将为克隆控制玉米产量性状基因奠定基础。

玉米新选自交系2个组合6个世代穗行数和行粒数的遗传分析

江苏省沿江地区农科所新选玉米自交系间穗行数和行粒数一般配合力差异较大,分析这些自交系间有利等位基因的分布,有助于自交系的持续改良。本研究选用其中3个自交系组配成2个组合的P1、P2、F1、B1、B2、F26个世代,运用主基因+多基因混合遗传模型和6个世代联合分析的方法,对穗行数和行粒数2个性状进行了遗传分析。玉米穗行数性状在S1×S3组合中表现为1对加性-显性主基因+加性-显性-上位性多基因遗传,以多基因遗传为主;在S3×S7组合中表现为2对加性-显性-上位性主基因+加性-显性-上位性多基因混合遗传,以主基因遗传为主。行粒数性状在2个组合中均表现为1对加性主基因+加性-显性多基因混合遗传,主基因遗传为主;多基因位点显性总效应大于加性总效应。研究结果暗示通过有利等位基因聚合改良这些自交系的穗行数比行粒数更有效。

玉米穗行数主效位点qKRN5.04精细定位与遗传效应解析

穗行数是影响玉米产量的重要因素之一,其遗传机制解析和关键基因精细定位对开展分子育种具有重要的意义。本研究以穗行数仅有4行的"四路糯系选"和多穗行自交系"农531"(18~22行)为亲本,构建了高代回交群体和次级定位群体(四路糯选系为供体亲本,农531为轮回亲本)。通过对不同类型试验群体的多环境表型鉴定和基因型鉴定,利用完备区间作图法(ICIM)进行穗行数主效QTL定位分析,将穗行数主效位点q KRN5.04定位到第5染色体136.3~140.0 Mb的区间之内;遗传效应分析发现,该位点在不同环境条件下最大可解释的表型变异为21.76%,效应值为0.80~1.76行。通过次级分离群体重组事件分析可将其进一步定位到~300 kb区间内。本研究结果不仅为分子标记辅助选择提供了实用的In Del标记,而且为玉米穗行数主效位点q KRN5.04的图位克隆和候选基因挖掘奠定了重要的基础。

玉米穗行数QTL及其互作分析

利用与穗行数有关的5个导入系及轮回亲本综3进行GriffingⅣ双列杂交发展分离群体,结合SSR标记和田间表型鉴定,分析玉米穗行数QTL及其相互作用。在导入系×综3所发展的5个F2群体中,仅在一个群体中检测到1个穗行数QTL,所解释的表型变异为10.68%。在导入系间杂交所发展的F2群体中检测到9个QTLs,分别位于第13、、8染色体上,所解释的表型变异在4.53%～6.52%之间。另外,检测到2对QTL间互作,10对QTL与未检测到QTL的导入片段间的互作,单个F2群体中各类互作所解释的表型变异显著大于QTL所解释的表型变异。这些结果表明,基因互作在玉米穗行数形成中起着重要的作用。

玉米穗行数基因的QTL定位与分析

对玉米中控制穗行数的QTL进行定位和分析,为分子标记辅助选择育种提供理论基础。在一套以综3为遗传背景携带衡白522置换片段的染色体片段置换系群体进行QTL初步定位的基础上,以穗行数明显减少的置换系SIL8为材料,构建置换片段内的F2次级分离群体和跨叠系进行了穗行数基因的QTL定位。在1.02~1.04 bin区段存在控制玉米穗行数的QTL,命名为q KRN1。2年的QTL定位及跨叠系分析结果将q KRN1锁定在分子标记HND9-umc1297之间,遗传距离为2.7c M,该穗行数QTL的鉴定,为进一步精细定位或克隆相应基因奠定了基础。

玉米穗行数的遗传研究

利用PH4CV、A6及PH4CV×A6的326份DH系穗行数,根据主、多基因遗传模型进行分析,运算结果为:穗行数为1对主基因混合加、加上模型,主基因遗传力为54.35%,多基因遗传力为39.56%。

特异玉米种质四路糯的穗行数遗传解析

【目的】玉米穗行数与产量密切相关,剖析其遗传基础对指导玉米育种实践具有重要意义。【方法】以只有4行籽粒的中国特异地方品种四路糯选系和多穗行数的自交系农531为亲本,采取单粒传法(single seed descend method,SSD)构建正反交F_(2:3)分离群体。在北京昌平和河南新乡采用随机区组试验设计进行分离群体家系的穗行数表型鉴定。与此同时,根据玉米基因组数据库上公布的标记信息,在全基因组范围内筛选获得173个具有多态性的SSR标记,用于群体基因型鉴定及遗传图谱构建。采用完备区间作图法(ICIM)和复合区间作图法(CIM)进行玉米穗行数QTL定位和遗传效应分析,利用SAS软件GLM程序估计主效QTL对分离群体穗行数遗传变异的贡献率。【结果】表型鉴定结果表明,亲本四路糯选系与农531的穗行数平均值分别为4.0行与19.2行,F_(2:3)家系穗行数变化范围为4.0—17.4行。利用完备区间作图法,分别对北京昌平、河南新乡的正交F_(2:3)群体进行穗行数QTL定位,2个环境下共检测到12个穗行数QTL,分布于除第1、7染色体外的其他8条染色体上。等位变异来源分析表明,本研究定位的QTL减效等位变异全部来自少穗行数亲本四路糯选系。共有5个主效QTL在2个环境下均被检测到,其中,位于bin2.04区间内的主效位点qKRN2-1在单环境下最大可解释群体穗行数变异的18.48%,其余4个主效位点及其单环境下解释的最大表型变异分别为qKRN4-2(11.5 8%)、qKRN5-1(13.55%)、qKRN8-2(16.91%)和qKRN9-1(9.66%)。利用复合区间作图法,在联合环境条件下共检测到5个穗行数QTL,分布在第2、4、5、8、9染色体上,每个QTL解释的表型变异范围为6.13%-10.05%,除位于第5染色体的QTL以外,其余4个位点与完备区间作图法定位到的主效QTL区间一致。一般线性模型分析显示,在2个环境下,5个主效QTL可分别解释正交F_(2:3)群体51.5%(北京昌平)和54.0%(河南新乡)的表型变异。还定位到2对穗行数上位性QTL位点,分布于第2,、4、9染色体上,但表型贡献率分别仅为2.90%和1.80%。【结论】穗行数减效等位变异全部来自四路糯选系,鉴定出5个玉米穗行数主效QTL,分别位于bin2.04、bin4.09、bin5.04、bin8.05和bin9.03。表明该四路糯选系可作为重要的穗行数遗传研究材料,而定位到的主效QTL可作为玉米穗行数候选基因图位克隆和玉米遗传基础研究的重要候选区段。

玉米DH系D969超多穗行数遗传初步研究

利用A6×PHB1M基础材料进行单倍体育种意外获得了穗行数为30的DH系15D969,通过分析种植2代、3代穗行数变化,得知其平均值为26行,最高值为32行,是新发掘的基因型,由更大的主、多基因群控制,环境条件不利其充分表达。通过杂交、回交试验表明,表现穗行数主、多基因群加性和部分显性效应。

玉米穗行数相关基因GRMZM2G398848的生物信息学分析

研究采用生物信息学的方法,对一个玉米穗行数相关基因GRMZM2G398848的理化性质、跨膜结构域、功能域、二级结构、三级结构等方面进行了预测和分析。结果表明:该基因编码蛋白由9 195个原子构成,其相对分子质量为65.681 1kDa,是一个不稳定亲水性蛋白,包含1个F-box超亲家族和2个AMN1超亲家族,无跨膜结构域,无信号肽,由α螺旋、无规则卷曲、延伸链和β折叠构成。

玉米穗行数遗传基础的研究进展

从分子生物学机制和主效QTL定位两个方面阐述了玉米穗行数的遗传基础,旨在为玉米分子育种提供理论参考。

玉米超多穗行数基因型通15D969的单倍体育种效应

利用超多穗行数基因型15D969组配1份杂交组合材料、3份回交组合材料进行单倍体育种,针对单倍体自交结实率和超多穗行数基因型DH系概率进行研究。结果表明:杂交组合材料单倍体自交结实率高于回交组合材料;超多穗行数基因型在杂交组合材料DH系群中占0.45%,在高穗行数回交组合材料DH系群中占7.2%。

玉米超多穗行数DH系15D969的发现

利用A6×PHB1M基础材料进行单倍体育种,意外获得了30穗行数DH系15D969,通过对种植2代、3代的穗行数变化进行分析,其平均值为26行,最高值为32行,是新发掘的基因型。

基于RIL群体的玉米穗行数相关QTLs定位与分析

定位不同环境下影响玉米穗行数的稳定表达的QTLs是玉米分子标记辅助选择的基础和前提。本研究以X 178和农系531为亲本构建的283份重组自交系(RIL)为实验材料,利用SSR分子标记技术和复合区间作图法(ICIM-ADD)分别对辛集、保定的玉米穗行数进行QTL的定位与分析。结果表明,共检测到19个与玉米穗行数有关的QTLs,分布在1、2、4、6、7、9号染色体上。单个QTL表型贡献率为3.4%~9.1%;辛集检测到8个,单个QTL表型贡献率为3.9%~11.77%。其中有两个位点分别在保定和辛集同时被检测到:qKRE 1-B-1和qKRE 3-X-9,其平均贡献率分别为5.21%和9.16%。保定检测到11个,这些在不同环境下检测到的QTLs为玉米穗行数的QTL精细定位提供了理论依据。

计数玉米穗行数的机器视觉研究

评价通过机器视觉的方法进行穗行数自动检测的可行性,提出一种基于边界标记和离散曲率的边缘算法确定行数,建立了检测模型。在扫描78幅不同玉米品种的果穗横断面图像的基础上进行检验。结果表明:试样玉米的穗行数为12～18行,检测的绝对误差为0.103行,相对误差率为0.66%,零误差率达到90%以上。实验证明检测算法真实可靠,机器视觉具有成本和速度上的优势,能够用于玉米穗行数的自动检测。

玉米DH系15D969超多穗行数的遗传分析

以超多穗行数DH系15D969和低穗行数自交系PH6WC、X901m组建的2个6世代群体(P1、P2、F1、B1、B2和F2)为材料,运用主-多基因混合模型遗传分析方法对穗行数进行遗传分析。结果表明:材料Ⅰ的F1穗行数平均优势为-1.11%,为2对主基因加、显、上+多基因加、显混合模型,主基因遗传率为12.22%~96.37%,多基因遗传率为0~61.16%;材料Ⅱ的F1穗行数平均优势为1.16%,为2对主基因加+多基因加、显混合模型,主基因遗传率为6.48%~54.18%,多基因遗传率为4.77%~67.23%。说明,穗行数由主基因和多基因共同主导,DH系15D969的超多穗行数由不完全显性多基因控制。

基于机器视觉的玉米果穗性状参数测量方法研究

在玉米育种、田间测产和提高玉米产量的过程中,均需要对玉米果穗考种,即需要对玉米果穗的穗长、穗粗、穗行数、行粒数和穗粒数等性状参数进行测量。人工考种不仅花费大量的人力物力,而且在考种过程中普遍存在人工劳动强度大、观测效率低、人为干扰导致测试结果不客观及不准确等问题,在很大程度上限制了考种的速度与精度。针对上述问题,利用所研制的自动考种设备和机器视觉方法,通过USB工业相机获取玉米果穗单面性状彩色图像,利用|B-R|模型、(G+B)/2模型将彩色图像分别进行灰度化,利用改进后的一维最大熵阈值分割方法对灰度图像进行二值化,分别得到果穗轮廓二值图像和果穗特征二值图像;通过轮廓二值图像计算果穗放置后的倾斜角,实现果穗轮廓二值图像和特征二值图像的自动纠偏;通过相机标定,得到单位像素对应的实际值,进而得到穗长及穗粗;通过提取局部籽粒特征二值图像,利用水平黑背景点扫描及对扫描曲线的修正获取穗行宽度,通过穗行数修正模型得到果穗的穗行数;通过提取局部单行籽粒特征二值图像,利用垂直黑背景点扫描及对扫描曲线的修正得到行粒数;根据行粒数和穗行数得到穗粒数。试验结果表明,穗长和穗粗平均测量精度分别为98.05%和97.99%,穗行数测量正确率为95%,行粒数平均测量精度为96.29%,穗粒数平均测量精度为95.67%,和实际值相比,穗粗、穗长、行粒数及穗粒数的测量值差异无显著性。单穗玉米果穗机器视觉平均测量速度为600 ms/穗,考种设备测量速度为6 s/穗,能够满足自动考种设备的使用需求。

基于多相机成像的玉米果穗考种参数高通量自动提取方法

实现玉米果穗考种性状的准确、快速获取是提高玉米育种效率的关键环节。该文在前期设计的玉米高通量自动化考种装置基础上,提出了一种基于多相机的玉米果穗考种参数提取方法,通过4个等间隔均匀分布的摄像头同时获取果穗4个方向图像,针对每副图像分别经过背景去除、投影模型构建、籽粒跟踪、考种参数提取等处理,最后根据4副图像的处理结果,综合计算穗长、穗粗、平均粒厚、穗行数、行粒数、穗粒数等考种参数。在玉米高通量自动化考种装置的果穗考种模块上进行试验,结果表明,该文所提方法测得的穗长、穗粗、平均粒厚与人工方法测量值之间的决定系数R2分别为0.997 3、0.984和0.941 5,对穗行数、行粒数的测量精度分别为98.63%、95.35%,为玉米果穗考种参数提取提供了一种新思路,为高通量自动考种装置的实现奠定了基础。

基于机器视觉的玉米果穗产量组分性状测量方法

玉米果穗的穗长、穗粗、穗行数、行粒数等性状是制约玉米产量的重要组分性状,目前主要采用人工测量方式,或通过截取果穗横断面图像自动计算穗行数等参数,操作复杂、测量效率低、主观误差大,且无法保留完整的原始考种材料。针对上述问题,该文基于机器视觉技术,通过可见光二维成像获取果穗三维表型性状参数,结合果穗颜色特征及果穗的生物学规律,分别建立投影修正模型、穗行数快速估算模型、行粒数计算模型等,精确计算穗长、穗粗、穗行数以及行粒数等性状参数。试验结果表明,该方法适用于粘连果穗处理,秃尖的识别率高,且对光照环境要求低,穗行数及行粒数的零误差率在93%以上,测量速度可达30穗/min以上,能够满足高通量考种的需求,特别是保留了原始果穗考种材料实现无损测量,对于实现高通量考种及精细化育种有重要的参考价值。