关于林木无性系育种策略的思考

林木无性系育种随着森林工业的兴起而诞生并取得快速发展,在世界林业产业中占具越来越重要的地位。其始终围绕高产、优质的育种目标,通过选择和利用天然群体或人工创制的育种后代群体中遗传增益最为突出的个体,经无性繁殖实现规模生产并适时采收,以满足社会对木材、果实、药物等林产品的巨大需求。由于受树体高大、多为异花授粉,性成熟较晚,生长周期和测试时间长且占地多等限制,决定大多数林木必然在相当长的时期内选择与作物不同的育种策略。现代生物科学和育种技术进步为突破基于传统交配设计杂交育种的遗传改良策略提供了可能。基于种间杂交或异花授粉树种的种内杂交育种时,可采取在毛白杨中成功应用的综合SSR遗传距离和优良单株父本鉴定构建育种亲本群体,并与配子染色体加倍选育三倍体相结合的育种策略,即首先通过SSR分子标记分析林木种质资源库亲本遗传距离,同时采用SSR分子标记对种质资源库自由授粉半同胞家系优株进行父本鉴定,在此基础上通过亲本遗传距离以及半同胞家系优株父本鉴定双重筛选构建育种亲本群体,进而利用高配合力育种亲本开展基于有性多倍化的多倍体育种,并通过无性繁殖实现倍性优势和杂交优势最大限度的利用,经济而高效地推进林木无性系育种进程。

关于林木育种策略的思考

我国人工林培育水平较低,其原因与林木育种领域投入的人力和财力不足、对育种策略的重视和执行力不够等原因有关,导致树种遗传改良最基本的育种循环难以维持,无法支撑树种遗传改良水平持续提升和人工林生产力的提高。本文综合分析国内外林木育种发展经验以及理论和技术成果,提出林木育种策略制定和执行需重视的几点问题:品种具有地域性和时间性以及经济属性,生态价值则属于种植改良品种所产生的附属效益,要制定科学、具体且有一定市场竞争优势的育种目标和育种周期;在此基础上强化树种基本群体、选择群体和育种群体建设与管理,采用科学的试验设计及分析方法保证准确而高效地开展遗传测定和选择,持续推进高轮次育种群体构建,并合理采用促进开花结实、相关选择或分子标记辅助选择等技术加快交配和选择进程,不断提高基本群体和选择群体遗传品质,甚至实现强优势远缘杂交品种的生产应用。对于能够无性繁殖的树种,可在一定的遗传改良阶段施加理化诱变、染色体加倍处理,进一步增加有益变异积累和利用。而对于已应用于生产却仍有不足的优良品种,可以采用遗传转化和基因编辑等分子育种进一步优化等。其中交配、遗传测定和选择是育种循环的核心以及进一步实施其他育种技术的基础,需要给予足够的重视和持续的坚持。

林木遗传育种学科研究生培养模式改革及思考

深化研究生培养模式改革,提高研究生创新能力是林木遗传育种学科建设的重点任务。本文分析了现代林木种业以及国家林业发展和农林教育综合改革对林木遗传育种学科研究生培养的整体需求,初步总结了北京林业大学林木遗传育种学科开展的研究生教育创新实践,从多个方面提出了深化林木遗传育种学科研究生培养模式的具体思考。

林木microRNA及其在遗传育种的应用研究进展

microRNAs是一类由特定RNA聚合酶Ⅱ转录本加工而来的长为20~24核苷酸的小分子,这类小分子在植物中的功能主要是通过降解靶标基因来调控其互补序列mRNA的稳定性。近年来高通量测序技术的飞速发展加速了microRNA研究的进展。为了对林木microRNA研究的最新进展和应用前景有更为全面的了解,本文从植物miRNA的发现,林木miRNA研究的发展以及amiRNA应用于林木的遗传操作等3个方面进行综述。特别阐述了杨属miRNA,果树miRNA,桉树、茶树、橡胶树和麻疯树miRNA,沙冬青miRNA,裸子植物miRNA等的研究进展。随着miRNA数量的增加,未来miRNA的研究将锁定到其功能的验证方面。因此,了解林木miRNA的发展现状及趋势非常重要。

林木遗传转化及其潜在生态风险研究进展

林木遗传转化技术近些年来得到了较大的发展,集中表现在转基因技术和目的基因两个方面。前者主要表现为多种措施联合使用,提高了遗传转化率;后者主要表现为应用于林木遗传转化的目的基因数量逐年增多,从原来的抗虫基因发展到现在的多个目的基因:木质素改良基因、花发育相关基因、生长相关基因及抗污染基因等;这些基因在不同的树种均有遗传转化成功的例子。转基因林木潜在生态风险研究主要集中在:基因的水平转移、基因的垂直流动及转基因对昆虫的影响等方面。初步的试验结果和理论分析认为,转基因林木的大田释放具有一定的生态潜在风险,需要对这种风险进行更深入、精确的评估。林木遗传工程及其生态安全性的研究需进一步努力解决的问题包括:1)林木遗传转化效率相对较低,特别是针叶树种,建立转基因体系还比较困难;2)林木树体高大,生长周期很长,外源基因在转基因植株中的时空表达特性还有待继续深入研究;3)比较系统的转基因林木田间释放和生态安全性试验数量还很少。

木本植物航天诱变育种研究进展

简要介绍了航天诱变育种的概念、特点、诱变效应以及国内外木本植物航天诱变育种的研究进展。与农作物相比,尽管我国木本植物航天诱变育种起步较晚,但是发展迅速,目前有大青杨等20多种林木、牡丹等50多种花卉进行了卫星或高空气球搭载试验,并取得了一定的成绩,对于航天育种技术在木本植物上的应用具有非常深远的意义。同时,文中从利用木本植物无性繁殖特点、加强航天诱变机理研究、加强航天诱变新品种筛选与培育和加强观赏特殊变异类型选择4个方面进行了前景展望,认为航天诱变育种有望成为木本植物遗传育种的一条有效途径。

河南野生国家保护植物区系

调查表明,河南省自然分布的国家保护植物有30科45属51种3变种,其中国家重点保护野生植物有13科21属25种1变种,包括一级保护植物3种和二级保护植物22种和1变种;野生珍稀濒危保护植物有26科36属40种3变种,包括二级保护植物11种1变种,三级保护植物29种2变种。初步确定,野生国家保护植物在河南境内进行迁地保护的种类有21科25属31种2变种。分析了河南野生国家保护植物的区系特征和生活型,探讨了河南国家保护植物的特点和迁地保护现状。

关于杨树多倍体育种的几点认识

诸多杨树多倍体实例表明,基于有性多倍化的多倍体育种,可以通过一轮次的育种过程实现杨树多目标性状综合改良,获得生长快、纤维长、木素低、纤维含量高以及抗逆性强等性状表现突出的杨树品种。在具体杨树多倍体育种工作中,掌握配子或合子染色体加倍有效处理时期的即时判别方法,有助于提高杨树多倍体育种效率和效果;而多倍体品种表现优劣与其杂合性密切相关,通过杂交亲本选配以及适宜的配子染色体加倍途径选择等,可以增进多倍体的杂合性,在利用基因剂量效应带来的倍性优势同时,充分利用异源配子结合产生的杂种优势,最大限度地发挥杨树多倍体育种的技术潜力。

基因组选择研究进展及其在林木中的发展趋势

随着新一代基因组测序技术的快速发展,基因组选择技术在促进优良基因型精准高效选育方面展现了前所未有的应用前景。近年来,基因组选择在动植物数量性状遗传育种领域的研究进展引起了广泛关注,关于其在林木改良驯化中的应用也逐渐被报道。本文通过综述基因组选择的基本概况、主要模型方法及其在动植物中的研究进展,进一步探讨了基因组选择在林木育种研究中的现状和发展趋势,强调了对预测模型优化与机器学习等新兴技术的引入与方法创新,提出了联合利用全基因组关联分析与基因组编辑技术的优化育种方案,为加快林木优良品种的精准选育提供了新思路。

浅谈林木体细胞融合技术

为了研究利用体细胞融合技术培育新型林木品种,综述了国内外近10多年的林木原生质体培养、体细胞融合技术以及其在林木育种工作中的应用研究,发现前人在原生质体的材料选择、解离和培养技术方法上获得了较大的进展,并在体细胞融合方法、方式和后期杂种细胞筛选方面取得了丰硕的成果,但相关研究还存在不足,今后还需在林木体细胞融合技术的可融合物种范围、影响因素和生理生化机制等方面开展更加深入的系统研究。

黑果枸杞抗逆性及栽培育种研究进展

黑果枸杞(Lycium ruthenicum Murr)是集盐碱地绿化价值、经济价值、药用价值等为一体的野生灌木树种,具有很强的抗干旱、盐碱能力,在生态建设和区域经济发展中有巨大的应用前景,也是研究抗逆机制的优良植物材料。对最近几年来黑果枸杞的抗逆性研究和育种基础研究进行了综述,旨在为黑果枸杞抗逆性评价及育种工作提供参考。

枣树杂交育种中提高坐果率和种子得率的措施

杂交育种是果树育种的重要途径,但枣树因其坐果率低、种子含仁率低等特性,限制了枣树杂交育种的进展。为了提高枣树杂交育种的效率,以‘冬枣’、‘早脆王’、‘蜂蜜罐’3个枣树品种为研究对象,对不同枣树品种的坐果规律进行调查,并对提高冬枣坐果率和种子含仁率的方法进行研究。结果表明：3个品种枣树均具有相似的坐果规律,坐果率由高到低依次为南部外围、南部内膛、北部外围和北部内膛;不同枝龄的坐果率由高到低依次为多年生、2-3年生和1年生;果实在枣吊上分布的位置主要集中在3-7节位;花序的1-2级花坐果率最高;盛花期是施肥以及环剥处理提高坐果率的关键时期;喷施2,4-D、赤霉素和硼酸均可提高坐果率,但喷施2,4-D和赤霉素会降低含仁率,而喷施硼酸可提高含仁率。

不同世代樟子松育种资源遗传评价

当前樟子松遗传改良正处于升级换代的关键时期,但是不同地区育种资源调拨与交换频繁,导致了育种资源信息模糊、亲缘关系混乱,增加了樟子松遗传改良工作中近交衰退的风险,因此开展育种资源评价研究是樟子松优良单株利用的重要基础。本文以樟子松1、1.5、2代种子园224个无性系为研究对象,开展了基于SSR的遗传多样性和单株亲缘关系分析以及遗传差异分析。结果表明:按育种资源的来源分析,良种基地、头道桥、榆林1.5和泰来4个群体的遗传多样性水平较高,宝根园和榆林群体相对较低;按育种资源的世代分析,不同世代樟子松育种资源维持着较高的遗传多样性水平,高世代种子园的遗传多样性水平有所下降,2、1.5代种子园的期望杂合度He较1代种子园分别下降4.13%、1.31%。2代种子园群体的近交系数F值(0.173)较高,纯合子较多,显著偏离了哈迪-温伯格平衡。同种源、不同生境的樟子松育种资源没有发生明显的变异,主要的遗传变异存在于个体之间(96%);随着种子园世代的提高,无性系之间的亲缘关系聚类现象逐渐明显,2代种子园内存在两组完全一致的无性系(CH3、CH10组和TL1417、TL1411组)。研究结果完善了樟子松育种资源评价体系,确定了不同世代育种资源的亲缘关系,为樟子松高级遗传改良工作提供了材料和信息基础。

实验田4年生转基因毛白杨嫁接苗和自根苗安全性研究

[目的]对种植于天津滨海的自根苗转AhDREB1基因毛白杨((Populus tomentosa×P.bolleana)×P.tomentosa)以及种植于沧州盐山的嫁接苗转基因株系进行安全性研究,评估转基因毛白杨对环境可能造成的影响。[方法]利用PCR扩增以及电泳技术,对种植在天津滨海和沧州盐山实验田的4年生转基因毛白杨基因组DNA、土壤DNA、沧州嫁接苗砧木DNA以及抗性微生物基因组DNA进行PCR特异性检测。对天津实验田土壤中根际微生物数量进行连续动态监测(3月、4月、5月)。分别在天津滨海和沧州盐山实验田模拟自然条件下转基因毛白杨植株枯落物掉落,检测不同生长阶段的不同器官(新生嫩芽、多年生枝条、新生根尖、多年生侧根、新生嫩叶、当年生老叶)的降解时间。通过化感实验,检测天津滨海和沧州盐山实验田转基因毛白杨植株叶片对白菜(Brassica pekinensis)种子的生长是否造成影响。[结果]电泳结果显示:外源基因稳定存在于转基因毛白杨基因组中,实验田土壤DNA、抗性微生物DNA样品以及沧州嫁接苗砧木DNA中均未出现目的基因片段;天津非转基因植株和转基因植株的根际土壤中可培养微生物数量没有显著差异;转基因毛白杨的枯落物,无论是飘落在杂草表面、土壤表面还是埋入土壤,2个月后外源基因均被降解。化感实验结果显示:非转基因植株以及转基因植株对白菜种子的胚轴和胚根生长的影响没有显著差异。[结论]未发现实验田种植4 a的转基因毛白杨对周围的环境造成影响。

枣树杂交育种中提高坐果率和种子得率的措施

杂交育种是果树育种的重要途径，但枣树因其坐果率低、种子含仁率低等特性，限制了枣树杂交育种的进展。为了提高枣树杂交育种的效率，以‘冬枣’、‘早脆王’、‘蜂蜜罐’3个枣树品种为研究对象，对不同枣树品种的坐果规律进行调查，并对提高冬枣坐果率和种子含仁率的方法进行研究。结果表明：

利用异速生长模型和博弈论解析藏川杨主干动态生长的遗传调控机制

【目的】高度与直径是树木生命历程中的2个重要生长性状,本文通过量化藏川杨主干高度和直径之间的相互作用,探究这2个性状的生长过程和生长模式,揭示藏川杨主干动态生长的遗传调控机制。【方法】基于异速生长模型和博弈论构建藏川杨高度与直径性状的动态生长互作微分方程,利用系统作图构建藏川杨主干生长遗传解析的统计模型。进一步以藏川杨自然群体作为研究材料,调查其在温室内的生长动态数据,结合本群体的高通量分子标记数据,开展藏川杨的全基因组基因定位工作。【结果】藏川杨主干高度和直径的整体生长曲线符合Logistic生长曲线,拆分整体生长曲线发现,藏川杨主干的直径生长对高度生长具有抑制作用,而高度生长对直径生长具有促进作用。所有藏川杨高度和直径的个体拟合优度> 0.90,且2个性状拟合的残差均服从随机分布,说明使用广义Lotka-Volterra微分方程来拟合藏川杨高度和直径效果很好。基于功能作图方法共定位到78个显著位点,可注释到52个候选基因。以2号染色体上最显著的SNP为例,对藏川杨高度和直径进行遗传解析,发现该SNP的3种基因型(AA、AC、CC)具有相似的高度–直径相互作用模式。该SNP对整体生长、独立生长和依赖生长发挥了不同方式的遗传效应。对定位到的显著位点进行功能注释,可将这些位点所在的基因分为:与木质素/细胞壁合成相关基因、与生长发育相关基因、与抗病抗逆性相关基因、与光合作用相关基因这4类。【结论】结合异速生长模型和博弈理论的基因定位模型,可检测基因如何通过合作或竞争策略来调控藏川杨主干的大小,识别树干动态生长的过程和模式,相关模型也可为其他物种重要性状之间的深层次遗传解析提供借鉴。

山杏种子PsMATE40基因启动子的克隆及驱动表达分析

【目的】转运蛋白PsMATE40在山杏种子苦杏仁苷转运中起到重要作用。克隆PsMATE40基因特异启动子并分析其驱动基因表达活性,为PsMATE40基因及其启动子的应用奠定基础。【方法】依据前期克隆得到的PsMATE40基因,以山杏种子基因组DNA为模板,通过染色体步移克隆得到PsMATE40基因特异启动子全长序列(命名为ProPsMATE40),预测分析其顺式调控元件,采用GUS组织化学染色分析检测启动子活性;利用无缝克隆方法分别构建组成型启动子CaMV35S和特异启动子ProPsMATE40驱动的PsMATE40基因的植物表达载体,开展农杆菌介导的烟草瞬时转化,利用RT-qPCR技术比较分析它们驱动PsMATE40基因的转录表达。【结果】山杏种子PsMATE40基因启动子全长序列为1964 bp,含有2种启动子核心元件(CAAT-box和TATA-box)、多种激素信号(生长素、茉莉酸和水杨酸等)响应元件和胁迫(光、干旱和损伤等)响应元件以及种子发育调控元件等,自身特异启动子ProPsMATE40驱动的PsMATE40基因表达水平明显高于CaMV35S。【结论】山杏种子PsMATE4基因表达可能受植物激素以及生物与非生物胁迫等多种因素的复杂调控,而自身启动子可有效促进PsMATE40基因的转录表达。

刺槐未成熟合子胚的体细胞胚胎发生和植株再生

以刺槐不同胚龄的未成熟合子胚为外植体,采用混合正交试验设计,研究幼胚胚龄和不同外源激素种类及质量浓度对刺槐胚性愈伤组织的诱导和体细胞胚分化、萌发的影响。结果表明:开花后8周(55天左右)是胚性愈伤组织和体胚诱导的最佳外植体取材时期;MS+2,4-D5.0mg·L-1+BA0.5mg·L-1是诱导胚性愈伤组织的最佳培养基,出愈率最高为95.42%±0.02%;MS+NAA0.5mg·L-1+BA0.5mg·L-1+谷氨酰胺250mg·L-1+水解酪蛋白500mg·L-1是体细胞胚诱导和分化的最佳培养基,直接体细胞胚发生率最高为92.40%±0.12%,通过愈伤组织诱导体细胞胚发生的频率最高为90.73%±0.49%。一旦形成球形胚,将培养物转接到不含任何生长调节剂的MS培养基上,体细胞胚经成熟萌发可进一步形成完整小植株。

腾冲红花油茶自然和人工种群种实性状变异研究

为了选择改良腾冲红花油茶的种实经济性状,对面积较大的3个天然种群和6个人工种群样株的12个种实性状和指标的变异进行了分析。结果显示:除果径在起源间无显著差异外,其余性状在起源间、起源内种群间及种群内单株间的变异均达到极显著水平,其方差分量为单株间>起源内种源间>起源间,不同性状相对变异程度有所不同。果实性状中果型与种子性状、产量性状呈显著或极显著负相关,其他性状与种子性状、产量性状呈显著或极显著正相关;种子性状与产量性状呈极显著正相关;果型、单果籽质量、出籽率、仁油率、籽油率及果油量是主要的遗传变异性状;果型、海拔与单位面积产油量呈显著负相关。提出了腾冲红花油茶群体和优株选择的主要指标和策略,为其可持续改良提供了科学依据。

盐胁迫对诱变小麦种子萌发及幼苗生理特性的影响

本研究以化学诱变获得的小麦突变体为材料,研究了盐胁迫对小麦发芽及幼苗生长的影响。结果表明,随着NaCl浓度(0、100 mmol.L 1、200 mmol.L 1、300 mmol.L 1、400 mmol.L 1)的增加,小麦的发芽率、发芽指数、活力指数、芽长、根长、芽鲜重和干重、根鲜重和干重均呈下降趋势,300 mmol.L 1NaCl为4种小麦(3个突变体、1个对照CAO811CK)发芽能力的临界盐浓度,其中突变体CAO8113K优于其他小麦材料。在300 mmol.L 1NaCl胁迫下,随着时间延长(12 h、24 h、48 h、96 h、192 h),4种小麦材料幼苗可溶性蛋白含量、丙二醛(MDA)含量逐渐增加,超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性呈上升趋势。采用模糊数学隶属函数法对可溶性蛋白、MDA、SOD、POD、CAT 5项生理指标进行综合评价,4种小麦材料耐盐潜力由强到弱依次为CAO8113K>CAO811CK>CAO8114K>CAO8112K,CAO8113K突变体小麦材料表现出较强抗盐性,与发芽指标检测结果基本一致。