海拔和籼粳细胞质背景对水稻F2代群体杂种优势和自交衰退的影响

【目的】分析海拔引起的环境温度变化对籼粳稻细胞质背景下的F1代配子基因型的选择效应及其对后代分离群体优势和衰退的影响,为水稻育种及全球气温变化对水稻遗传变异的效应研究提供理论参考。【方法】以具有籼稻细胞质背景的改良粳稻品种南34与耐冷性极强的粳稻老品种小麻谷为亲本,将正反交F1代种植在3个海拔条件下产生6个F2代群体,对其11个生物学性状的杂种优势及自交衰退进行分析。【结果】株高、剑叶长、剑叶宽、有效穗数、主穗长、穗颈长、实粒数和结实率8个性状的自交衰退在6个F2代群体中均达显著(P<0.05,下同)或极显著(P<0.01,下同)水平,播始历期、1~2穗节长和着粒密度等3个性状的自交衰退在部分F2代群体中达显著或极显著水平。正反交组合F2代群体中播始历期、株高、剑叶宽、有效穗数、实粒数和结实率6个性状的杂种优势和自交衰退均随海拔的升高而减小,剑叶长、主穗长、1~2穗节长、穗颈长和着粒密度5个性状的杂种优势和自交衰退在正反交组合中具有明显的差异。F2代群体生物学性状的中亲优势率、超亲优势率和自交衰退率明显受到产生F2群体的海拔和细胞质背景的影响。【结论】海拔和细胞质背景对水稻F2代群体杂种优势及自交衰退产生的效应,分别是由于海拔导致的环境温度变化对杂种F1代的雄配子选择以及不同细胞质背景下由雄配子和雌配子共同选择造成。此外,海拔对F2代群体当代的孢子体同样具有非常明显的效应。

落叶松种间交配结实力变异和自交衰退的研究

落叶松种间杂交的结实率普遍较高 ,但不同种之间有一定差异 ,其中日本落叶松与兴安落叶松交配结实率最低。种内自由授粉和自交的对比试验显示 ,空粒种子产生的主要原因是自交。本文讨论了自交不孕无性系的可能利用途径。在不同交配组合下研究了华北落叶松捕捉花粉的过程 ,确定在传粉期花粉和雌性生殖器官存在一定的相互作用 ,但无特异性。传粉后约 4周 ,珠心顶端破裂 ,分泌物进入珠孔道 ,并与珠被分泌物共同作用于花粉 ,使花粉向珠心移动。组织化学分析表明 ,从传粉到受精期间 ,蛋白质的分布发生区域性变化 ,传粉期蛋白质几乎分布于整个胚珠 ,而在受精期则主要集中在颈卵器之上的珠心组织中。初步确定在花粉萌发和受精期 ,华北落叶松中存在花粉识别与选择系统。

菊花自交衰退现象初步研究

为揭示菊花的自交衰退现象,对菊花品种'rm1-3'(Dendranthema morifolium'rm1-3')和'02-42-6'(D.morifolium'02-42-6')亲本及其自交后代(I1代、I2代和I3代)的生长性状及部分表型性状进行了比较分析。结果表明,品种'rm1-3'I1代和I2代的单花结实数分别比亲本减少89.5%和97.2%,品种'02-42-6'I1代和I2代的单花结实数分别比亲本减少91.2%和92.0%,差异极显著(P<0.01)。2个品种自交后代的平均出苗率呈现随自交世代的增加逐渐降低的趋势,其中品种'rm1-3'自交后代各世代间的平均出苗率均有极显著差异(P<0.01);品种'02-42-6'的I3代平均出苗率极显著低于I1代和I2代(P<0.01)。2个品种亲本与其自交后代间叶片长度没有显著差异,但亲本的存活率、株高、开花率和花径均显著高于自交后代,且在自交后代中,I1代的存活率、株高、开花率和花径均高于I2代和I3代。2个品种自交后代的冠幅和单株花数也低于各自的亲本,但I1代的冠幅和单株花数与亲本无显著差异。品种'rm1-3'的I1代、I2代、I3代和品种'02-42-6'的I1代、I2代的开花时间较亲本分别推迟了9.4、8.9、5.9、11.9和7.6d,且随自交世代的增加逐渐缩短;但品种'02-42-6'的I3代开花时间却较亲本提前了10.7d。研究结果说明菊花自交后代存在严重的衰退现象。

南方白菜型油菜自交衰退和杂种优势利用方式的研究

以连续自交三代的南方白菜型油菜品种为材料进行自交、兄妹交、姐妹系间交和开放授粉，观察自交后代衰退程度及杂交后代优势程度。结果表明南方白菜型油菜自交严重衰退、连续自交四代，其主要农艺性状与开放授粉或与姐妹系间的后代差异达显著或极显著水平。自交后代纯合性越好，则杂交Ｆ１优势率越大。同一种繁殖方式，杂交Ｆ１优势率与亲本的一般配合力有关。

杂种棉“苏杂16”的杂种优势及F_2自交衰退

以陆地棉品种间杂交种“苏杂 16”为材料 ,连续两年测定其F1、F2 的 14个性状的杂种优势和自交衰退率。结果表明 :①苏杂 16F1皮棉产量及其构成因素 (衣分除外 )的中亲优势与竞争优势均达极显著水平 ,其中铃重优势大于结铃数优势 ;铃重构成因素中单铃种子数和结籽效率的杂种优势极显著 ;纤维品质性状中 ,比强度中亲优势显著 ,竞争优势极显著。②苏杂 16F2 皮棉产量及其构成因素 (衣分除外 )的杂种优势虽存在衰退现象 ,但中亲优势与竞争优势仍达显著或极显著水平 ,其中铃数优势大于铃重优势 ;铃重构成因素中以子指的优势为主。③苏杂16F1、F2 的衣分均具微小中亲优势 ,而竞争优势显著低于对照“泗棉 3号” ;纤维整齐度均与亲本及对照接近 ,麦克隆值的竞争优势均显著 ;F1、F2 的株高杂种优势分别达极显著和显著水平。④F1杂种优势大的性状 ,其F2 自交衰退率一般也较大。⑤只要亲本选配得当 ,F2 是可以利用的。

鹅掌楸属树种自交衰退的SSR分析

以鹅掌楸属树种5个自交组合子代为材料,以4个种内杂交子代及8个种间杂交子代为参照,以存活率、生长量等表型性状为评价指标,结合SSR分子标记信息分析鹅掌楸属树种自交衰退程度,并试图从SSR分子标记角度探究其遗传机制。结果表明,鹅掌楸属树种自交衰退明显。与种内异交及种间杂交子代相比,自交子代胸径、树高及存活率的衰退程度δ分别为:0.46,0.45;0.32,0.35;0.25,0.30。SSR检测结果显示,不同交配类型子代的纯合子比率由高到低趋势为:自交、种内交配、种间交配。同时,初步筛选出2个可能与鹅掌楸属隐性致死基因相关联的SSR位点。

不同海拔产生的水稻F_2群体杂种优势及自交衰退研究

以耐冷性极强的粳稻老品种小麻谷与具有籼稻细胞质背景的改良粳稻品种南34为亲本,将正反交杂合体在3个不同海拔试验点产生的F2群体种植在海拔2200 m试验点对其生物学性状的杂种优势及自交衰退进行分析。结果表明,海拔和籼粳细胞质背景以及两者的互作均明显影响着F2群体生物学性状的杂种优势表现和自交衰退。在不同海拔产生的F2群体生物学性状的杂种优势表现和自交衰退差异,主要是由于海拔导致的环境温度变化对杂种F1的雄配子选择造成,而不存在明显的雌配子选择。然而,正反交F2群体间生物学性状的杂种优势表现和自交衰退差异除由雄配子选择引起外,可能还由雌配子选择造成。

青海大黄油菜自交衰退性的研究

对青海大黄油菜自交后代每花结籽数、株高、单株产量、千粒重和含油量等进行了测定。研究结果表明:青海大黄油菜与青油241相比,其自交衰退缓慢。

自交衰退新解

本文在综合基因组学、系统生物学、现代分子生物学最新发展的基础上,提出了遗传物质缺失致使自交衰退新假说。遗传物质缺失致使自交衰退假说认为:由于同源染色体遗传物质存在差异,存在差异的遗传物质在自交后有不存在于自交子代的可能,从而造成自交子代相对于亲本的遗传物质缺失,致使自交子代衰退。本文通过一个实例论证这一假说,并运用这一假说解释三个遗传学现象。最后,比较隐性有害基因纯合致使自交衰退和多基因平衡破坏致使自交衰退学说的错误,并从遗传物质缺失致使自交衰退的角度解析了杂种优势。

隐性核不育油菜的杂种优势及自交衰退研究

对 4个甘蓝型油菜隐性核不育杂交种的杂种优势及自交衰退的测定结果表明 :F1代籽粒产量有显著或极显著的平均优势和竞争优势 ;F2 代籽粒产量优势严重衰退 ,其原因在于不育株和农艺性状的遗传分离 ,导致整齐度差 ,主花序和分枝上有效角果数减少 ,阴花阴角数增加等。但F2 代籽粒产量仍具有一定的剩余优势 ,其大小取决于F1的优势 ,两者呈显著的正相关 (r=0 .832 )

马铃薯自交衰退的遗传基础取得了重大理论突破

2019年1月14日,《Nature Genetics(自然·遗传)》杂志在线发表了中国农业科学院(深圳)农业基因组研究所黄三文团队在马铃薯自交衰退遗传机制解析方面的研究成果,这是'优薯计划'实施以来取得的又一重大理论突破。马铃薯主粮化主食化战略是推动我国农业供给侧改革、保障国家粮食安全的重要举措。

多个有害突变导致马铃薯自交衰退

自交衰退在异花授粉植物中是一种普遍存在的现象:在连续多代自交后,植物会出现生理机能的衰退,表现为生长势减弱、产量降低。1月14日,《自然·遗传学》杂志在线刊发了云南师范大学马铃薯科学研究院与中国农业科学院农业基因组研究所(以下简称基因组所)共同完成的马铃薯自交衰退遗传机制解析成果。

遗传物质淘汰、优胜、组成规律,自交衰退、生物濒危、杂种优势新解

本研究先论证了"隐性有害"基因纯合致使自交衰退的本质是有利遗传物质缺失,定义了有利遗传物质、有害遗传物质、偏中性遗传物质。提出了物质淘汰定律和遗传物质优胜定律,遗传物质淘汰定律认为:一般来说,在一定的环境标准下,越有害的遗传物质淘汰可能性越高,越有利的遗传物质淘汰可能性越低,越有害的遗传物质淘汰速度越快的可能性越高。遗传物质优胜定律认为:一般来说,在一定的环境标准下,越有害的遗传物质遗传给后代或者扩散到群体的机会越少,越有利的遗传物质遗传给后代或者扩散到群体的机会越多,越有利的遗传物质扩散到群体速度越快的可能性越高。基于遗传物质淘汰定律、遗传物质优胜定律及生物体内除害系统推导出遗传物质组成定理,遗传物质组成定理为:在一个长期稳定的外在环境下,在此外在环境下长期进化或者生存的生物,以此外在环境和生物体内环境为标准,其体内遗传物质组成成份为:有利遗传物质占大多数或者绝大多数,偏中性遗传物质占少数或者极少数,有害遗传物质能够存在的概率极小,即使存在有害遗传物质也只有一个或者少数几个。基于遗传物质组成定理和异交生物同源染色体上遗传物质存在差异的基础上提出异交生物自交衰退新假说,该假说认为:在长期稳定的一定环境下,一般来说,由于异交生物同源染色体上遗传物质存在差异,存在差异的遗传物质或者说不同时存在于同源染色体的遗传物质在自交后有不存在于自交子代的可能,造成自交子代相对于亲本有利遗传物质缺失,导致出现2种结果:第一种有利遗传物质缺失不影响其它遗传物质致使有利遗传物质相对应的有利性状消失;第二种由于有利遗传物质缺失导致一些相关的有利遗传物质部分或者全部失去有利性,并导致后续的生理生化向全部失去或者部分失去其有利性的方向发展,致使相关有利性状消失或者向衰退的方向发展;最终致使自交子代相对于亲本衰退。基于有利遗传物质缺失致使自交衰退假说,提出内外协同物种濒危假说或者灭绝假说。该假说认为:由于有害外在因素(或者说有害外在环境)使生物大群体消亡变成或者分割变成小群体,小群体内生物容易发生近交,致使后代有利遗传物质缺失并导致一些相关的有利遗传物质部分或者全部失去其有利性,其后代适应外在环境的能力更差,更加容易死亡,导致群体数量进一步减少,进一步提升近交的概率,如此内因、外因协同恶性循环作用最终致使生物灭绝。提出了拯救濒危物种的技术方案。指出了杂种优势是一个相对性的概念,提出了研究杂种优势的简化方法,基于研究杂种优势的简化方法提出了研究杂种优势的最佳技术之一-基因编辑技术。基于研究杂种优势的简化方法和从有利遗传物质缺失致使自交衰退假说推导出进化意义上(以自然环境为标准)的杂种优势机理和育种上的杂种优势机理,最后归纳出杂种优势形成的一般或者通用规律,其内容是:在一定的生长环境下,依据一定的标准,(1)获得有利遗传物质不影响其它遗传物质致使杂交子代获得有利遗传物质相对应的有利性状;(2)除去有害遗传物质不影响其它遗传物质致使杂交子代相对应的有害性状消失;(3)获得有利遗传物质导致杂交子代体内一些相关的遗传物质获得有利性或者增加有利性或者减轻有害性或者除去有害性或者有害性转变为有利性,并导致后续的生理生化获得有利性或者增加有利性或者减轻有害性或者除去有害性或者有害性转变为有利性,致使获得相关的有利性状或者相关有利性状向获得优势方向发展或者相关有害性状向减轻有害性的方向发展或者除去相关有害性状或者相关的有害性状转变为有利性状;(4)除去有害遗传物质导致杂交子代后续可能发生一些的过程及结果同上。(5)获得父本、母本中一些相对比较好的遗传物质,替换或者除掉一些不如这些遗传物质的遗传物质,导致杂交子代后续可能发生一些的过程及结果同上。

海湾扇贝自交家系的建立和自交效应

以1992年12月从加拿大引种到中国、以群体交配的方式在中国繁养了7代的海湾扇贝(Argopectenirradians)为材料,随机选取15个性腺发育成熟的个体,分为A、B、C3组,分别通过自体受精建立15个自交家系,每组设各自混群对照。结果表明,海湾扇贝自体交配家系的受精率较高,并与对照组相近;但孵化率变化较大,15个自交系的孵化率变化范围为1.35%～68.23%,平均为31.44%。自交家系F1面盘幼虫的生长速率明显低于对照组,附着变态时间也迟于对照。在15个自交家系中有14个获得成体子代,共1311个个体,但各家系间差异很大,从13个到186个不等。自交家系子代个体可以发育到性成熟并可繁殖F2,证明通过自交培育海湾扇贝家系在技术上可行。方差分析表明,除A组自交家系体重与其对照差异不显著(P≥0.05)外,其余绝大多数自交家系和对照组相比,在壳长、壳高和体重方面的差异显著(P≤0.05)或极显著(P≤0.01)。本研究还表明,海湾扇贝的自交可导致自交衰退,表现为发育迟缓和个体小型化。在面盘幼虫阶段自交衰退率为25.9%,成体阶段平均为12.7%。

3个菊属与近缘属属间杂种自交特性研究

对菊属菊花脑(Chrysanthemum nankingense)×菊蒿属菊蒿(Tanacetum vulgare)(JJ),菊属大岛野路菊(Chrysanthemum crassum)×亚菊属多花亚菊(Ajania myriantha)(DD),菊属大岛野路菊(C.crassum)×芙蓉菊属芙蓉菊(Crossostephium chinense)(DF)3个属间杂种的自交特性进行了研究。结果表明:JJ自交不结实,未获得种子。DD自交获得种子8粒,出苗3株,成苗1株,结实率、出苗率和成活率分别为0.11、37.50%和33.33%;自交一代未能获得后代。DF自交获得种子52粒,出苗16株,成活10株,结实率、出苗率和成活率分别为0.48、30.77%和62.50%;DF自交一代株系2自交,获得75粒种子,出苗46株,成活38株,结实率、出苗率和成活率分别为0.94、61.33%和82.60%。DD自交后代的染色体数目为54,DF 3个自交后代的染色体数目均大于54,为非整倍体。DD和DF 2个属间杂种的自交后代部分性状出现不同程度的衰退现象,尤其是花序直径、花心直径、管状花数;叶长/叶宽在各自交后代中差异不显著,表现稳定自交遗传。DD F1自交后代花色及管状花类型均未出现分离;DF F1自交一代中仅1株花色出现了非白色,而自交二代花色出现较大分离。

二倍体杂种优势马铃薯育种的展望

马铃薯育种进程缓慢主要是由马铃薯四倍体遗传特性决定的。高度杂合的四倍体马铃薯中隐性基因表现频率低,使得很多有害的等位基因被隐藏在四倍体中,而有利等位基因很难重组到一个四倍体品种中,这是造成马铃薯杂交育种周期长的一个重要原因。马铃薯无性繁殖有利于保持原品种的优良性,生育期短;但储运成本高、容易退化。实生籽利用的优点是储运简便、基本不传播病虫害,且有利于知识产权保护。与四倍体实生种相比,二倍体F1育种可以通过不断自交将有害基因剔除掉,从而获得优良自交系用于F1实生籽生产。随着马铃薯研究的不断发展和马铃薯全基因组测序的基本完成,近几年二倍体F1实生籽育种成为了国际马铃薯研究的热点。然而,要实现二倍体实生籽生产,自交不亲和及其自交衰退是培育自交系的绊脚石。我们正在克隆自交不亲和抑制基因Sli,并且通过杂交将该基因整合到优良栽培品种中,为下一步培育出优良二倍体自交系奠定基础。同时我们也正在全基因组水平上挖掘马铃薯自交衰退相关基因区域,希望能进一步了解自交衰退的遗传机理,探索一条快速克服自交衰退的分子育种路径。这些工作将有助于建立马铃薯二倍体F1育种体系,带动马铃薯产业进入新的"绿色革命"。

大豆杂种产量和品质性状早世代优势和亲本配合力分析

【目的】研究黄淮地区一组优良大豆亲本早世代(F1～F3)产量与品质性状的杂种优势和自交衰退表现,分析杂种早世代亲本产量与品质性状配合力的变化特点,为大豆杂种品种和家系品种选育的亲本选配和后代选择提供依据。【方法】以来自黄淮地区及美国的8个大豆重要亲本及其组配的28个双列杂交组合为材料,以中亲优势率、超亲优势率作为杂种优势的指标,以自交衰退率作为自交衰退的指标,采用DIALLEL-SAS05软件进行多世代数据的联合方差分析和配合力分析。【结果】(1)黄淮地区大豆亲本间产量性状普遍存在杂种优势和自交衰退现象,产量优势最大,单株荚数和单株粒数次之,百粒重无优势。F1杂种优势大的性状,其F2、F3自交衰退率一般也较大。生育期及品质性状(蛋白质和脂肪含量)杂种优势不明显,自交衰退也不明显。(2)大豆产量存在显著的一般配合力×世代和特殊配合力×世代的互作,杂种F1表现配合力高的亲本不一定在后代表现出高配合力。亲本品质性状的一般配合力×世代和特殊配合力×世代的互作效应不显著,由杂种一代的配合力预测杂种后代的可靠性较高。(3)亲本本身产量性状的的高低不能估计其一般配合力效应。但亲本本身蛋白质、脂肪含量的高低是估计其一般配合力效应的重要指标。【结论】黄淮地区大豆亲本间各性状中以产量的杂种优势最大,自交衰退率也较大,不宜直接利用杂种二代。杂种优势利用和杂种后代家系选育可能有不同的最佳亲本和组合。杂种早世代开始对籽粒蛋白质与脂肪含量进行定向选择,有利于及早提高后代的含量。

大白菜核基因雄性不育系杂交制种技术

大白菜杂种优势显著，利用核基因雄性不育系（简称“核不育系”）配制杂交种，不但可以克服利用自交不亲和系制种亲本繁殖困难、多代自交衰退、杂交率难以达到100％等缺点，而且还能有效防止亲本流失，日益受到人们的关注。利用核不育系进行杂交制种主要包括亲本繁殖和杂交种生产。

不同繁育机制对异翅独尾草与粗柄独尾草种子活力的影响

本文以沙生短命植物异翅独尾草与粗柄独尾草自交与异交植株的种子为实验材料,测定了种子千粒重,种子萌发时间及种子萌发率等指标,结果显示:自交株种子的萌发时间推迟,萌发率显著降低,但自交株种子的重量却明显地高于异交株。这一方面体现了自交衰退对两种独尾草繁殖能力的影响;另一方面,也反映出两种独尾草的自交繁育机制有助于增加单粒种子的重量,提高了种子发芽及幼苗成活的潜力,这可能是独尾草对自交衰退机制的一种有效补偿,在保证物种的种族繁衍方面具有重要的现实意义。

玉米初级作图群体的籽粒性状遗传效应分析

以玉米自交系综3和衡白522的F2∶3家系为材料,通过一年两点的田间试验,研究了6个籽粒产量相关性状的遗传特点。结果表明,所调查的6个性状中,广义遗传力在两点最高的为穗行数和穗粗,其次为行粒数、穗粒重、穗重、穗长。F1代中亲优势和超亲优势的强弱依次为穗粒重、穗重、行粒数、穗长、穗行数和穗粗。F2∶3家系表现出明显的自交衰退现象。穗粒重的变异系数最高,其次分别为穗重、行粒数、穗长、穗行数和穗粗。穗粒重与穗长、穗粗、穗行数和行粒数均存在极显著正相关关系;行粒数对穗粒重的促进作用更明显。利用籽粒各性状之间的相关关系,可以为正确估算靶基因表型值、精细定位和克隆基因提供参考。