普通菜豆种质资源遗传多样性研究进展

普通菜豆于15世纪从美洲直接引入中国,作为重要的食用豆类作物之一,在我国的许多地区广泛种植。本文对普通菜豆的起源、驯化、传播以及遗传多样性研究等方面的进展进行综述,并根据普通菜豆育种和生产中存在的问题及今后的研究方向提出一些建议,旨在为普通菜豆的种质收集保存以及合理利用提供参考。

国外大豆种质资源的基因挖掘利用现状与展望

中国已从美国和日本等22个国家引进大豆近等基因系、特殊遗传材料、大豆育成品种等2156份,经过评价已编入中国大豆品种资源目录。本文对国外引进大豆种质资源的特点及在中国研究与利用中所取得的成绩进行了总结,提出利用引进国外种质拓宽中国大豆品种遗传基础的表型和分子证据,回顾了国外种质在建立大豆抗胞囊线虫、抗疫霉根腐病、脂氧酶缺失、胰蛋白酶抑制剂缺失和抗草甘膦EPSP酶等特性的鉴定体系、标记和定位重要性状(耐盐性、抗大豆花叶病、无脂氧酶、无胰蛋白酶抑制剂)基因、开展分子标记辅助背景选择研究方面发挥的重要作用。我国大豆育种的实践证明,国外种质的利用促进了中国大豆新品种产量的增长、品质的改进和抗性的提高。因此,今后重视国外种质资源的有目的性的引进,加强对国外种质资源的深入研究,为国外种质资源在中国大豆遗传育种学、表型组学、基因组学、蛋白组学和酶学等领域的有效利用创造条件。

中国栽培大豆(Glycine max (L.) Merr.)微核心种质的群体结构与遗传多样性

【目的】评价中国栽培大豆微核心种质的群体结构和遗传多样性水平,为拓宽大豆遗传基础、发掘优异基因、改良大豆品种提供理论依据。【方法】利用大豆20个连锁群上的100个SSR位点,对来自全国28个省补充完善的248份栽培大豆微核心种质进行SSR遗传多样性及群体结构分析;采用PowerMarker Version 3.25软件统计等位变异数、平均等位变异数、多态性信息量(PIC值)及亚群特有等位变异数等参数;基于遗传距离建立了栽培大豆微核心种质的无根Neighbor-Joining树;用Structure2.2软件对微核心种质的群体结构进行评价。【结果】100个SSR位点在248份材料中共检测出等位变异1460个,每个位点变异范围为2—33个,平均为14.6个,每个位点PIC值变异范围为0.158—0.932,平均为0.743。基于模型的群体结构分析显示,依据LnP(D)无法判断最佳K值(群组数),但通过计算系数ΔK发现,K=3为微核心种质的最佳群体结构。结合种质的生态类型及品种类型分析发现,地理来源相同的种质具有聚在一起的倾向,但来源相同的种质也有分在不同组的情况。不同生态类型及品种类型间均存在较多的互补等位变异和特有等位变异。【结论】中国栽培大豆微核心种质具有丰富的遗传多样性,可以用来拓宽大豆品种遗传基础;不同生态类型及品种类型间存在较多的互补及特有等位变异,是种质创新及品种改良的物质基础;栽培大豆微核心种质存在明显的群体结构,为微核心种质在育种中的直接或间接利用提供了理论依据。

国外种质对中国大豆育成品种遗传贡献的分子证据

用SSR标记对32份中国大豆品种与40份国外引进大豆育成品种祖先亲本的遗传多样性进行分析,以明确引进国外大豆种质对中国大豆育种的遗传贡献。结果表明,在22个SSR位点共检测到170个等位变异,中国大豆和引进国外大豆平均等位变异数分别为6.0和6.9个,遗传多样性指数都为0.71,国外品种中检测到48个特有等位变异,而中国大豆中仅检测到22个,且共有等位变异在中外大豆中的分布频率差异较大。聚类分析也发现中国育成品种与国外引进大豆存在较大差异。遗传组成分析发现,Amsoy和十胜长叶2个国外种质的引入使5个中国大豆育成品种增加了23个国外种质特有等位变异;其在育成品种中的保留比例为29.13%,但不同遗传背景中保留的等位变异不同,说明国外种质在中国大豆育种中起着重要作用,而且仍有很多特有等位变异没有被利用,可以继续作为亲本在中国大豆改良中发挥作用。

植物安全转基因技术研究现状与展望

转基因技术是进行基因功能研究和作物遗传改良的重要工具。根癌农杆菌介导转化法和基因枪轰击法是两种主要的遗传转化方法。从1996年首例转基因作物商业化种植以来,2012年全球有28个国家和地区种植转基因作物,种植面积已达1.7亿公顷。随着全球转基因作物的大面积商业化种植,转基因植物的安全性越来越多地受到公众关注。安全转基因技术的研发对于转基因植物的商业化生产具有重要意义。文章详细介绍了目前已报道的安全转基因技术原理及其应用现状。按其作用原理和目的将其分为4类:安全选择标记、标记基因删除及基因叠加、基因漂移防控法和基因定点编辑整合技术。其中,安全选择标记按其筛选原理分为糖代谢相关标记、氨基酸代谢相关标记、激素相关标记和抗逆相关标记。与抗生素和除草剂抗性标记相比,这类标记基因及其表达产物对人和其他生物更安全。标记基因删除及基因叠加技术包括共转化法、位点特异性重组法、转座子法、同源重组法以及基于位点特异性重组的基因叠加技术,其中共转化法又包括农杆菌介导的共转化法和基因枪介导的表达盒共转化法。基因叠加技术为复合性状转基因植物研发奠定了基础,有望成为未来多性状转基因植物研发的重要技术之一。基因漂流防控法包括叶绿体转化法和基因拆分法。基因定点编辑和整合技术包括锌指核酸酶、TALEN和CRISPR/Cas9系统介导的基因定点编辑和整合技术。其中,TALEN和CRISPR/Cas9技术,设计简单,成本低,易操作,靶点分布广泛,有望成为安全转基因研发和应用的重要技术。文章对这些技术原理及其应用现状进行了综述,讨论了其优缺点,并展望了安全转基因技术研发重点和发展趋势。

玉米转基因技术研究及其应用

随着植物转基因技术的深入发展,大豆、玉米、油菜和棉花等转基因作物大面积商品化生产为全球的粮食安全做出了巨大贡献。玉米是全球第一大粮食作物,自1986年以来玉米的转基因技术发展较快,其主要的遗传转化方法包括农杆菌介导法、基因枪法和花粉管通道法等,农艺性状改良涉及抗除草剂、抗虫、抗病、抗旱、抗盐和品质改良等,其中抗除草剂和抗虫玉米已成为主要的商业化转基因作物。本文综述了玉米转基因技术的研究进展及应用,展望了玉米转基因研究的发展方向。

抗草甘膦转EPSPS大豆的基因漂移研究

以抗草甘膦转EPSPS基因大豆和不同生长类型的非转基因大豆为材料,通过表型筛选及PCR分子检测,分析不同方向和距离条件下转基因大豆中外源基因通过花粉向非转基因大豆的漂移率,为制定转基因大豆安全种植隔离措施提供依据。结果表明,不同生长类型大豆的基因漂移率明显不同,以育成品系ZZH015最高,在70 612株中的漂移率为0.45%;半蔓生地方品种DPZ722次之,164 449株中漂移率为0.01%,而195 088株野生大豆YDD080中没有检测到基因漂移。方差分析表明,漂移率在不同距离和方向条件下均有显著差异,随着距离的增加不断递减。在5 m处漂移率为0.03%,而在29 m处降至0.001%。基因漂移在下风口方向发生较多,表明风媒可能是影响基因漂移分布的重要因素。如果以1%基因漂移率为阈值,无论是自然条件下还是随机选取1 000粒检测,漂移率都低于阈值,表明转EPSPS基因大豆的基因漂移可以忽略不计。

大豆地方品种遗传结构及其保存研究

我国具有丰富的地方品种,但在大豆育种中利用率较低,这与对地方品种的保存和鉴定研究较少有关。通过利用全基因组SSR标记扫描的方法对地方品种羊眼豆和毛豆进行纯度鉴定,旨在为地方品种的纯化及遗传完整性的保存提供科学依据。结果表明:羊眼豆在502个SSR标记位点的多态性为44.8%,毛豆在405个SSR标记位点的多态性为41.2%;检测2个地方品种纯度所需的最少标记数和种子粒数分别为3个标记和4粒种子;根据遗传一致性分别对2个地方品种进行聚类,在相似系数为0.85时,均被分为3个组。因此,这2个地方品种纯度较低,根据遗传一致性分组情况,对两个地方品种的一组进行提纯后作为一个品种保存,而另外2个组则可分别作为2个不同的地方品种保存其遗传完整性。

病毒诱导的基因沉默(VIGS)技术及其在大豆基因功能研究和育种中的应用潜力

病毒诱导的基因沉默(virus-induced gene silencing,VIGS)是植物体抵抗病毒侵染的一种自然防御机制,近年来已发展成为一种基因功能研究的有效手段。与突变体筛选、转基因、基因敲除等技术相比,VIGS技术因具有周期短、成本低、可迅速观察表型等优点而被广泛应用于基因的功能鉴定。文章对VIGS技术的分子机理、病毒载体系统、稳定遗传VIGS植株的获得策略及其在大豆中的应用等内容进行了综述并对今后的发展趋势进行了讨论。

一种简便大豆原位转基因方法研究

以萌发大豆幼苗顶芽为外植体,经纵切及农杆菌侵染后种植到大田中,转化植株用除草剂进行表型鉴定,存活植株进行PCR验证,并分析目的基因EPSPS在T2代转基因植株中的遗传情况;总计获得草铵膦涂抹表型鉴定阳性T0植株75株,草甘膦喷雾鉴定阳性T1植株65个,PCR测序阳性T1植株6个,PCR测序检测转化效率为0.14%;获得T2代PCR阳性植株52个,初步证明目的基因EPSPS能在子代中遗传;该方法能有效解决基因型依赖及再生植株困难等问题,缩短转化周期,为根癌农杆菌阶段的大豆遗传转化体系的优化与改良提供了参考。

转CP4-EPSPs基因大豆杂交后代对草甘膦的抗性水平与遗传背景的相关性

第一代抗草甘膦转CP4-EPSPs基因大豆GTS40-3-2是国际上应用时间最长、种植面积最大的转基因作物。本文以6份GTS40-3-2衍生的抗草甘膦转基因大豆新品系为亲本,配制4个杂交组合,利用抗性分级法和相对株高法鉴定杂交亲本及其F_(2:3)子代对草甘膦的耐受性差异,分析其抗性水平与遗传背景的相关性。结果表明,以1230 g a.i.hm^(–2)草甘膦喷施处理时,转基因亲本及其F_(2:3)子代的苗期生长受草甘膦抑制不显著,而当喷施浓度提高至3690 g a.i.hm^(–2)和4920 g a.i.hm^(–2)时则抑制作用显著。供试的6个杂交亲本中以ZLHJ06-1568、ZLHJ10-713和ZLHJ06-698对草甘膦的耐受性相对较强,而4个F_(2:3)组合中以ZLHJ10-713×ZLHJ06-698后代在草甘膦喷施后株高受抑制最小,对草甘膦耐受性最强。不同组合后代对草甘膦的耐受性普遍优于其双亲,呈现出杂种优势。各组合后代与亲本之间对草甘膦的耐受性均呈正相关,但由于亲本间互作效应的不同,导致后代抗性水平产生差异。本研究表明草甘膦抗性基因CP4-EPSPs在大豆中的表达水平与其遗传背景相关联,为利用转基因大豆新种质培育转基因大豆新品种过程中目标基因的定向选择提供了参考依据。

过表达GmAP1.2转基因大豆的遗传转化及植株发育特性

为研究大豆GmAP1.2(Glyma.08G269800)的生物学功能,通过农杆菌介导的大豆子叶节遗传转化法将GmAP1.2基因遗传转化至大豆天隆1号,获得过表达GmAP1.2转基因植株;并对转基因大豆的株高、花器官、叶片等特性进行分析。结果表明,GmAP1.2过表达使转基因大豆比野生型(WT)早花31d,株高明显降低,且与野生型相比,GmAP1.2转基因大豆叶片变小,叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量分别增加了1.43、1.52和1.57倍,但未影响花器官结构。表明GmAP1.2不仅能够影响大豆的株型,还能影响叶片的大小和叶绿素的含量。本研究结果为进一步阐明大豆AP1基因在大豆中的功能与应用奠定了理论基础。

大豆分子育种研究进展

大豆分子育种代表了大豆育种的发展方向,主要包括分子标记育种、转基因育种和品种分子设计育种三个方面。通过综合利用基因组学、生物信息学、计算机模拟与遗传育种学等多个学科的理论和方法,大豆分子育种可对大豆从表型到分子等多个层次进行遗传操作,有助于大幅度提高育种效率,最终实现大豆品种的定向遗传改良。本文介绍了中国大豆分子标记育种、转基因育种和品种分子设计育种三个方面的开创者,将国内的主要研究进展与国外相关的最新研究成果进行了综述和比较,由于知识所限对未提及的做出重要贡献的科学家在此致歉。通过比较发现,中国大豆分子育种与国外相关研究的差距普遍存在,然而,有些分子育种相关研究如基因克隆及功能研究等方面则与国外的差距正在逐渐缩小。笔者认为,大豆分子育种正朝着遗传图谱信息多元化、基因发掘规模化、分子育种技术高效化、分子育种理论系统化的方向发展。

日本大豆种质十胜长叶对我国大豆育成品种的遗传贡献分析

日本大豆品种十胜长叶是引进种质在我国大豆育种中利用最多的品种之一。对2005年以前利用十胜长叶育成的195个大豆品种进行了系谱分析,旨在明确十胜长叶对各育成品种的遗传贡献率,总结其利用方式,为国外种质的利用提供依据。通过分析发现,利用十胜长叶衍生育成的品种分布在吉林、黑龙江、辽宁、北京4个省市,它所衍生的品种数分别为96个、89个、8个和2个;平均遗传贡献率分别为13.04%、14.99%、20.31%和7.81%。其中92.2%的品种是由杂交育成的。十胜长叶对这些品种的遗传贡献率范围为0.78%～50.00%,以遗传贡献率为12.50%、6.25%和25%的衍生品种数较多,占衍生品种总数的77.3%,说明十胜长叶的利用以至少三交效果比较好,通过复交有利于聚合国内外品种的优良特性。十胜长叶在我国大豆育种中的成功利用说明,通过与当地品种杂交选育创造优良中间材料是利用国外引进种质改良我国大豆品种的有效育种途径。

以湖南和湖北大豆[Glycine max(L.)Merr.]为例分析影响遗传多样性评价的因素

以不同来源大豆种质为材料进行基因组SSR分析,探讨大豆遗传多样性研究方法,旨在为科学评价大豆种质资源提供参考。当取样比例相同时,湖北大豆的遗传丰富度显著高于湖南大豆,但两省大豆遗传多样性指数之间没有显著差异。当取样量相同时,利用随机取样法比较,湖南大豆的遗传多样性显著高于湖北,而利用聚类取样比较,两省大豆的遗传多样性没有显著差异。在遗传多样性指数相同情况下,湖北大豆的遗传丰富度显著高于湖南大豆。取样数与三个遗传多样性评价参数(等位变异数、Shannon指数、He)之间均达到显著和极显著相关。以湖南大豆为例,估算出在大豆SSR遗传多样性分析中,至少需要50-60个样本,即占总体9.0%-10.8%的取样比例,才能代表总体的遗传变异。提出在评价大豆遗传多样性时,应用大豆样本数对其遗传多样性指数计算公式进行修正,建议将Shannon指数计算公式改为H=-lnN∑PilnPi(N为样本数)。根据修正公式分析,结果表明,湖北大豆的遗传多样性高于湖南大豆。

黑龙江省大豆种质遗传结构及遗传多样性分析

利用22个表型性状和60个微卫星(simple sequence repeat,SSR)位点对黑龙江省140份代表性种质(78份地方品种和62份育成品种)进行分析,根据UPGMA(unweighted pair group method with arithmetic mean)和Model-base对SSR数据进行遗传结构划分。结果表明,参试品种可分为2大类群,第Ⅱ类群的各项多样性指标均高于第I类群,2个类群遗传距离为0.2427;PCO结果显示这2个类群在不同区域,这与地理来源和育成年代密切相关。依据品种类型分为育成品种和地方品种两组,后者的各项多样性指标均高于前者,两组间的遗传距离为0.1131。依据表型数据的PCO分析表明,分布区域与品种类型有关,与SSR结构分类的结果吻合度低,两组品种主要在3个主成分的6个表型性状上有所不同。它们不是2个相对独立的遗传群体,根据分子标记和表型分类各有特点;建议在种质遗传多样性研究中将分子数据和表型数据结合起来。

不同光周期条件下大豆生育期主基因的效应

以大豆生育期近等基因系为材料,比较12h短日照(SD)及16h长日照(LD)条件下E1/e1、E2/e2、E3/e3、E4/e4、E5/e5、E7/e7等6对生育期相关主基因的效应。结果表明,在大多数生育期基因型中,显性位点延迟大豆的开花期和成熟期,隐性位点提早开花期和成熟期。同一基因在不同遗传背景下的效应值不同,显性位点可增强其他基因的效应,说明各基因间存在互作。生育期基因的效应受光周期影响很大,长日照可增强大豆生育期相关基因的效应,短日照则相反。此外,光周期对基因效应的影响因发育阶段不同而变化,其中,E1基因在大豆营养生长阶段、E4基因在生殖生长阶段受光周期影响较大,而E3基因在营养生长和生殖发育阶段均受光周期的严格调控。不同光照条件下生育期基因效应的分析结果,可为不同生态区大豆品种生育期性状的定量设计提供依据。

吉林省大豆育成品种的遗传多样性特点分析

利用SSR分子标记技术对吉林省近年来新育成的56份大豆品种进行遗传多样性分析,以来自其他14个省份的16份大豆育成品种为对照,结果表明,吉林省育成品种15个SSR位点的等位变异数和特异等位变异数(76,12)均低于省外品种(78,18)。吉林省育成品种的遗传多样性指数(0.63,1.23)均极显著低于省外品种(0.76,1.55)。聚类分析与主成分分析结果都表明,四川省、山西省和内蒙古自治区的育成品种与其他品种的遗传距离较远。通过对不同年份平均遗传相似系数的比较,明确大豆育成品种的遗传基础的发展趋势,表明吉林省育成品种的遗传基础与省外品种相比,遗传变异较少,遗传基础较狭窄,应不断引入外省遗传变异大且亲缘关系较远的品种以拓宽其遗传基础。

优良大豆品种合丰25的遗传组成

合丰25由合丰23和克4430-20杂交选育而成,是我国大豆生产上累计种植面积最大的品种。本研究利用463个SSR标记对合丰25及亲本进行检测,并分析其遗传组成及其与亲本的遗传关系。463个SSR位点中有177个位点在合丰25的两个亲本间无多态性,合丰23和克4430-20对合丰25的遗传贡献率分别为39.4%和48.3%。在G和E两个连锁群发现克4430-20有大片段传递给合丰25,特别是G连锁群没有发现来自合丰23的片段,而合丰23在L连锁群传递给合丰25的位点是克4430-20的2.3倍。不同连锁群亲本染色体片段的组成不同,可能与产量、抗病性等重要性状相关QTL的分布有关,从而使合丰25通过重组集合了两个亲本的优点。合丰25在57个位点出现新等位变异。为分析位点突变对合丰25纯度的影响,用包括57个位点在内的207个SSR标记对12个不同销售点的合丰25种子进行检测,207对SSR引物中有13对在4个大豆样本中检测到杂合条带,而8个样本的纯度均为100%。说明大部分突变位点已在品种利用过程中纯合,合丰25的优异基因型及其在推广20多年后仍保持的高纯度,是其在生产上利用经久不衰的主要原因之一。

用SSR分子标记解析大豆品种绥农14与系谱亲本间的遗传关系

【目的】绥农14是目前中国推广面积最大的大豆品种,该品种由17个亲本经5次杂交而成,其中包括5个祖先亲本和2个国外种质。对绥农14系谱亲本的遗传关系进行深入研究,为大豆育种的亲本选择提供理论依据。【方法】用分布于大豆基因组的550个SSR位点结合系谱分析的方法研究绥农14系谱亲本间的遗传关系。【结果】利用Treecon(Neighbour-joining方法)对绥农14系谱亲本进行聚类,发现绥农14系谱亲本随培育时期不同而聚在不同类别,与亲本来源及组合方式存在一定的关系。分析绥农14系谱中遗传物质的传递,发现在12.97%的位点上子代拥有与父母本均不相同的等位变异,品种育成年代越早这种现象越明显。47.72%的位点能够追溯到亲本来源,除绥农14接受父母本遗传物质相当外,其它4个品种均有偏亲现象,来自父本的遗传物质多于母本。经过5代的遗传重组,绥农14的遗传物质与祖先亲本相比已发生了很大的改变。【结论】绥农14及其系谱亲本的遗传关系反映了品种更新换代的特征及组合方式的变化,研究表明SSR不仅能用来分析系谱亲本间的遗传关系也可以有效地用来分析遗传物质在系谱中的传递。