全基因组关联分析在5种农作物中的应用及展望

农作物是人类赖以生存的基础。然而,随着全球极端天气的增加、耕地的减少、人口数量的增多以及人民生活需求的提高,培育具备多个优良性状的聚合品种已成为解决粮食安全问题和现代农业分子设计育种的核心任务。全基因组关联分析(GWAS)是挖掘农作物优异基因的有效方法,已广泛应用于各类农作物中。这种分析方法成功揭示了控制农作物产量、品质以及抗逆性等关键育种性状的基因。本文系统总结了GWAS在5种代表性农作物中的最新研究进展,同时深入剖析了GWAS的局限性及未来发展趋势,期望为未来农作物的遗传改良提供有益参考。

大豆种质资源苗期耐盐性鉴定评价与筛选

土壤盐渍化严重影响大豆品质与产量,筛选耐盐大豆资源对开展盐碱地综合利用意义重大。为建立大豆苗期耐盐鉴定评价体系,设置淡水和NaCl含量为0.9%~1.8%的10个等差梯度,以蛭石为培养基质,大豆2片真叶始现时开始盐处理。结果表明, 1.2%盐处理16 d时,不同大豆种质资源耐盐等级四分位差值最大,是大豆苗期耐盐鉴定评价的最适条件。利用大豆苗期耐盐鉴定评价体系对来自国内外的504份大豆种质资源进行苗期耐盐性鉴定评价,耐盐等级为1级、2级、3级、4级、5级的大豆资源依次为46份、146份、157份、79份、76份。利用GmSALT3基因的分子标记对1级耐盐资源进行检测,其中40份(86.96%)大豆材料扩增结果与GmSALT3基因的分子标记结果相符合。为分析大豆苗期鉴定过程中盐胁迫浓度的变化趋势,确立了土壤含盐量(Y,%)与电导率(X,mScm^(–1))的回归方程:Y=0.278X–0.0618,预测精准度在95%以上。测定统计了从盐处理开始至调查结束时的培养基质含盐量变化趋势,培养基质含盐量基本维持在13 mS cm^(–1)左右。本研究为大豆苗期规模化耐盐性鉴定和培育耐盐新种质提供了技术体系和基础材料。

苗草专用型大麦品种鉴定及全基因组关联分析

苗草工厂为实现草食动物的饲草周年供应提供了新的解决方案。针对苗草生产的品种需求,本研究对124份中国大麦育成品种(系)与种质开展了苗草转化率鉴定和生物量调控位点发掘。结果显示,大麦种子萌动后,水培条件下苗草生物量呈指数增长趋势并在7 d后进入平台期。在植物工厂条件下,鉴定出冬青16、扎青6号等10个高苗草转化率品种且分析发现苗草生物量与籽粒千粒重呈一定的负相关。进一步通过全基因组关联分析,共鉴定到12个苗草生物量相关QTL位点,从中预测出8个调控苗草生物量的候选基因。本研究不仅为大麦苗草工厂化生产筛选出高转化率品种,同时也为苗草专用型大麦品种的遗传改良奠定了基础。

中国大麦育成品种产量相关性状鉴定评价

提高产量是作物育种的最主要的目标之一。通过对不同时期大麦育成品种的产量相关性状进行鉴定评价,有助于提高大麦高产育种的针对性。本研究对我国155份青稞、啤酒和饲料大麦育成品种的8个产量相关性状,分别在两个环境进行了表型鉴定。结果显示,啤酒大麦的株高、穗长、穗节数三者之间均呈极显著正相关;青稞和啤酒大麦中,穗密度和千粒重呈负相关。总体来看,啤酒和饲料大麦育成品种的千粒重表现为逐渐上升趋势,而青稞和啤酒大麦的株高呈下降趋势。聚类分析发现,参试材料可划分为高秆多粒组、中矮秆组、长穗高千粒重组、长粒稀穗组4类,反映了不同大麦产区的主要品种特征。本研究通过分析不同时期大麦育成品种的产量相关性状变化规律及潜在利用途径,可为我国不同生态区的大麦高产育种提供参考。

苦荞耐盐基因FtGST2的克隆及功能初步分析

课题组前期通过全基因组关联分析获得1个苦荞耐盐相关基因FtGST2(FtPinG0707941400.01)。通过同源比对和保守序列分析发现,该基因属于谷胱甘肽-S-转移酶(glutathione-S-transferases)中的四氯代氢醌脱卤素酶亚族(TCHQD)。从中苦3号中克隆出FtGST2基因,对该基因上游2000 bp的启动子序列进行分析发现,34个元件中含有2个脱落酸响应元件与6个茉莉酸甲酯响应元件,而脱落酸与茉莉酸正是植物调控盐胁迫途径的重要激素。为进一步验证FtGST2的功能,对FtGST2在苦荞不同器官中的表达量和不同浓度NaCl处理下的表达量差异进行检测。结果显示,FtGST2在根中的表达量最高,并且FtGST2在100 mmol/L NaCl处理下的表达量最高。同时构建了FtGST2的过表达拟南芥与过表达毛状根,并检测过表达植株的种子发芽率、主根长、鲜重及其生理指标。结果显示,盐处理下FtGST2的过表达拟南芥发芽率和根长均高于野生型,盐处理下FtGST2的过表达毛状根鲜重显著高于对照组A4毛状根。此外,对毛状根的超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶及丙二醛4个生理指标进行检测后发现过表达FtGST2基因的确能有效提高苦荞毛状根过表达株系的耐盐性。以上试验对FtGST2基因的抗盐功能进行了初步验证,为后续苦荞耐盐品种的选育奠定了一定基础。

国内外啤酒大麦品种酿造品质比较分析

全球不同大麦产区的环境差异以及啤酒大麦育种方向的不同,导致了啤酒大麦酿造品质差异。为比较国内外啤酒大麦的品质差异,本研究对44个来自北美、欧洲、澳洲以及我国的常用啤酒大麦品种进行了酿造品质(包括麦芽品质和籽粒品质)的分析。主要研究结果表明,在麦芽品质方面,国内各大产区主栽品种均有可对标的国外啤酒大麦品种,即东北产区的龙啤麦14和龙啤麦18号的麦芽品质可对标欧洲进口啤酒大麦,南方产区的苏啤系列和西北产区的甘啤系列可对标澳洲进口啤酒大麦,西北产区的中啤麦1号和北方产区的蒙啤3号麦芽品质与北美进口啤酒大麦为同一类型;国外进口啤酒大麦麦芽品质性状较中国啤酒大麦主要表现为β-葡聚糖含量低,浸出率高;在国内种植的国外引进啤酒大麦较在原产区种植时,糖化力、库值和β-葡聚糖含量均受到影响,但北美产区的大部分品种较适应中国种植条件,麦芽品质性状较原产区未出现明显变化;麦芽品质的糖化力和浸出率指标与籽粒蛋白质含量和总淀粉含量以及支链淀粉含量显著相关,鉴于籽粒品质和麦芽品质性状相关性以及籽粒品质性状测定的易操作性,籽粒蛋白质含量和总淀粉含量可以作为啤酒大麦育种的初筛性状。本研究为国内不同产区内啤酒大麦的培育改良提供了品种参考和改良方向,对提高国内啤酒大麦的生产利用效率具有参考价值。

普通菜豆新品种中芸8号

中芸8号是中国农业科学院作物科学研究所2015年通过系统选育而成的普通菜豆新品种。该品种具有高产、抗病虫、适应性广、适宜机械化收获等特点,2020年9月通过中国作物学会鉴定,鉴定编号:国品鉴普通菜豆2020002。对中芸8号的特征特性、产量表现和栽培技术等进行介绍。

普通菜豆新品种中芸10号

中芸10号是中国农业科学院作物科学研究所2016年通过杂交、单粒传选育而成的普通菜豆新品种,具有高产、抗病、适应性广、适宜机械化收获等特点。2022年8月通过中国作物学会品种鉴定,鉴定编号:国品鉴普通菜豆2022002。2023年5月获得植物新品种权,品种权号:CNA20211006000。对中芸10号的特征特性、产量表现和栽培技术要点等进行了介绍。