360度群体遗传变异扫描——大豆泛基因组研究

大豆(Glycine max)是重要的油料和蛋白作物, 其丰富的遗传变异为生物学性状挖掘和育种改良提供了重要的资源基础。然而, 单个基因组信息无法全面揭示种质资源的遗传变异, 泛基因组研究为解决这一不足提供了新方案。近日, 中国科学院遗传与发育生物学研究所田志喜和梁承志研究团队从2 898份大豆种质中选取26份代表性材料, 并整合已有的3个基因组, 构建了包含野生和栽培大豆的泛基因组和图基因组(graph-based genome), 鉴定了整个群体的绝大多数结构变异数据集, 确定了大豆种质的核心、非必需和个体特异的基因集。利用这些数据系统地揭示了生育期位点E3的等位基因变异和基因融合事件、种皮颜色基因I的单体型和演化关系以及结构变异对铁离子转运基因表达和地区适应性选择的影响。该研究为作物基因组学研究提供了一个新的模式, 同时将加速推动大豆遗传变异的鉴定、性状解析和种质创新。     

东北春大豆种质资源表型分析及综合评价

种质资源是大豆遗传育种和解析复杂数量性状的基础,通过对种质资源的评价,可指导育种实践中优异互补亲本的选择,提高优异基因交流累加和新品种培育的效率。本研究选用来自东北三省一区1923-2010年间选育的340份春大豆种质资源,通过在牡丹江地区对12个表型性状的2年综合鉴定,评价品种群体遗传变异特点和筛选优异种质资源,结果表明:(1)春大豆种质资源表型变异丰富。除生育期年份间差异不显著外,其他性状品种间和年份间均呈显著的差异,且2年变化趋势相同。有效分枝数变异幅度最大,其次是主茎荚数、单株粒重和株高,这些性状选择潜力较大,品质性状的变异幅度较小,选择潜力有限;(2)表型性状特征频率分布均符合正态分布。受育成单位纬度和育种目标的影响,生育期呈现北早南晚,北部育成品种营养体较小、植株矮小、节数相对较少、脂肪含量较高,南部育成品种营养体较大、植株高大、单株有效节数多且主茎单节最多荚数多,部分品种蛋白质含量相对较高;(3)采用主成分分析方法综合评价表明,吉育71的ZF值最高,综合性状表现最好,表型性状与ZF值相关分析结果显示,生育期、株高、主茎节数、地上部生物产量、收获指数、主茎荚数和主茎单节最多荚数等7个表型性状可作为春大豆种质资源综合评价指标。在大豆育种中应重视利用具有丰富遗传多样性的基因资源,在亲本选配时适当选择综合性状优良、育种性状优势互补的种质。     

作物种质资源品质性状鉴定评价现状与展望

作物种质资源品质性状鉴定评价是作物种质资源研究的重要方面,是深入挖掘、广泛利用作物种质资源的基础。本文对近年来作物种质资源品质性状鉴定评价情况进行了回顾,总结了鉴定评价工作取得的主要进展:完成了近20万份的作物种质资源(约占保存总数的50%)主要营养品质性状的初步鉴定评价;作物种质资源品质鉴定评价内容涉及面广、鉴定的品质性状变异性大、多样性丰富;提高了作物种质资源品质性状鉴定评价标准化程度。此外还介绍了国际上有关品质性状鉴定的发展趋势,并对未来国内作物种质资源品质性状鉴定评价提出了意见和建议。     

保存大豆种质遗传完整性的策略:Ⅰ细化表型分级标准精细整理大豆库存种质

以中国大豆种质资源在美国的种植调查数据为资料,并与中国的调查数据进行比较,旨在研究大豆种质的遗传完整性,为中国大豆资源的繁种保存策略提供参考。中国大豆种质资源2093份在美国利用不同的调查标准进行农艺性状重新鉴定评价,30%的中国大豆种质资源可进一步分为不同的纯系,使种质的数量增加到3062份。以纯化后种质份数增加到9份的资源ZDD4572为例,对其纯化过程进行了详细分析。研究表明,现有的大豆资源在纯合保存前提下,用更多的评价性状、每个性状划分更多的等级,将有助于大豆种质资源的纯化及其数量的增加,从而更方便繁种和实际利用。     

利用SSR分子标记检测黄淮夏大豆(Glycine max)初选核心样本的代表性

作物核心种质是用最小的样本代表其全部遗传资源的最大遗传多样性。为了检测大豆初选核心样本取样的代表性,本研究从黄淮夏大豆初选核心样本中,随机选取两个类群,其材料数分别为20份和14份;从保留种质的相应奥群中,分别随机选取6份和5份,共计45份材料,进行14个农艺性状和20对SSR引物的分析。对两组材料进行农艺性状聚类．保菌种质与初选核心种质聚在了一起;利用SSR分子标记数据聚类,也得到了相同的结果。初选核心样本两个类群材料的等位变异数分别为129个,136个;保留种质相应类群材料的等位变异分别为76个,71个;初选核心种质两个类群材料分别包合了整个资源86.00％和86．62％的遗传多样性。本研究为大豆核心种质构建及检测提供分子水平的依据。     

利用SCoT分析柳枝稷遗传资源的多样性

本研究利用SCoT标记对96份柳枝稷种质的亲缘关系和遗传变异进行了研究。筛选出20条引物对96份供试材料进行PCR扩增,共获得445条带,其中多态性条带402条,平均多态性条带比率(PPB)达90.31%,多态性信息含量(PIC)为0.166~0.410,平均值为0.332,标记指数(MI)为10.20。遗传相似系数(GS)为0.498~0.912,平均值为0.688。表明SCoT标记能够揭示柳枝稷种质间的遗传变异。通过UPGMA分析表明,96份种质资源聚为高地型和低地型两大类。经POPGENE1.32软件分析结果显示:96份柳枝稷基因多样性指数(H)为0.285,Shannon指数(I)为0.431,表明供试的种质间遗传多样性丰富,遗传多样性水平高。经AMOVA 1.55方差分析揭示:96份柳枝稷生态型内的遗传变异占总变异的72.85%,生态型间遗传变异占总变异的27.15%,结果表明ScoT可用于柳枝稷遗传多样性研究,该研究结果可为柳枝稷种质资源的进一步开发利用提供重要信息。     

浙江地方瓠瓜种质资源的表型鉴定与遗传多样性分析

"第三次全国农作物种质资源普查与收集行动"浙江项目组共新收集到瓠瓜地方种质资源51份。本研究对该51份瓠瓜种质进行田间种植鉴定,共调查了15个主要农艺性状,发现这批种质在多个性状上变异丰富;基于农艺性状的聚类分析将这批种质分为3个类群,其中第I类群的综合农艺性状表现优异,可直接或间接开发利用。利用22个瓠瓜核心SNP分子标记对这批种质进行基因型鉴定,基于基因型的聚类分析和群体结构分析均将这批种质划分为2大类群,发现类群分布主要与种质资源的地理位置相关。综合比较2种种质资源聚类分析方法,认为在二者并非完全吻合的情况下,采用分子标记的方法区分种质资源更加准确和客观。本研究结果为瓠瓜地方种质资源的开发利用提供了理论依据。     

作物种质资源表型性状鉴定评价:现状与趋势

表型是作物基因型与环境互作后呈现出来的性状,包括形态学、生育期、产量、品质、抗性等性状。作物种质资源具有丰富的遗传多样性,并经过数千年在世界不同区域驯化利用中的人工选择,形成了表型性状的多样性,构成育种家选育作物新品种的物质基础。认识和发现作物种质资源表型的多样性需要通过系统、科学的鉴定,特别是培育适应全球气候变化下环境的品种,更需在大量种质资源中发掘和利用抗旱、耐热、抗病虫、水肥高效利用等特性的材料。作物种质资源各类表型性状的鉴定需要对环境进行有效的控制,而多年多点的鉴定可以准确观察鉴定性状的变异水平或表达稳定性,是育种家准确选择和利用性状的重要依据。作物种质资源表型性状的鉴定主要采用田间鉴定、设施鉴定、仪器分析、感官鉴定的方式。近年来,作物种质资源表型性状鉴定已从单一环境、低通量、粗放型鉴定转变为多年多环境、重点性状、高通量精准型鉴定。随着组学技术、智能与信息技术的快速发展,作物种质资源的表型性状鉴定已进入一个新阶段,形成作物育种中重要性状准确快速发掘与应用的坚实基础。     

生物信息学分析方法I: 全基因组关联分析概述

全基因组关联分析(GWAS)是动植物复杂性状相关基因定位的常用手段。高通量基因分型技术的应用极大地推动了GWAS的发展。在植物中, 利用GWAS不仅能够以较高的分辨率在全基因组水平鉴定出各种自然群体特定性状相关的基因或区间, 而且可揭示表型变异的遗传架构全景图。目前, 人们利用GWAS分析方法已在拟南芥(Arabidopsis thaliana)、水稻(Oryza sativa)、小麦(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)和大豆(Glycine max)等模式植物和重要农作物品系中发掘出与各种性状显著相关的数量性状座位(QTL)及其候选基因位点, 阐明了这些性状的遗传基础, 并为揭示这些性状背后的分子机理提供候选基因, 也为作物高产优质品种的选育提供了理论依据。该文对GWAS的方法、影响因素及数据分析流程进行了详细描述, 以期为相关研究提供参考。     

东北春大豆样本的代表性及其SSR位点的遗传多样性分析

从3226份东北春大豆总体中选择283份春大豆种质,用质量性状和数量性状进行检测,对总体的代表性为80%.利用筛选出61对SSR核心引物对具代表性的东北春大豆样本进行分析,共检测到534个等位变异,平均每个位点的等位变异为8.75个,变幅为2～16个;遗传多样性指数变化范围在0.406～0.886,平均为0.704;东北春大豆样本在大多数位点上有优势等位变异,从而降低了其遗传多样性.其中35份种质具有特异等位变异,分布在29个位点上;各个位点上分化系数均较小,遗传多样性分化程度较低.东北春大豆中3个省种质的共有等位变异较多,以吉林省和辽宁省种质的遗传多样性表现较为一致,均高于黑龙江省种质的遗传多样性.地方品种的遗传多样性高于育成品种.东北春大豆种质资源的遗传多样性分布特点为有目的选择杂交亲本拓宽遗传基础以培育新品种提供了理论依据.     

基因编辑技术在大豆种质资源研究中的利用

大豆(Glycine max(L.)Merr.)是一种重要的经济作物,为人类和动物提供了丰富的蛋白质和油分,在我国作物结构中占有重要地位。但是目前我国对大豆进口的依赖性很高,自给率不到30%,并且产量、品质与进口大豆均存在较大差距。我国作为大豆的起源中心,已有5000多年的种植历史。中国大豆种质资源丰富,如何高效利用丰富多样的大豆种质资源来提高产量和品质是科学家们关注的重点问题。近几年来,基因编辑技术迅速发展,与传统技术手段相比,它操作简单、用时短、效率高,目前被广泛地应用到植物基因功能研究和植物性状改良等方面。本文对近年来大豆种质资源的利用及基因编辑技术在大豆中的应用进行了总结,以期为未来更加高效地利用大豆种质资源提供参考。     

黄瓜核心种质遗传多样性的苗期和初花期形态标记分析

对92份黄瓜核心种质进行苗期和初花期形态学标记分析,以评价供试核心种质资源的遗传多样性水平。结果表明:供试黄瓜核心种质的苗期和初花期性状存在明显的遗传变异,不同种质间各性状的平均变异系数为31.0%,其中第一雌花节位的变异系数最大,为59.4%;始花期最小,为14.2%。聚类分析表明,在Pearson相关系数为6.5时,把92份黄瓜核心种质划分为3大类群;Pearson相关系数为3.5时,把92份黄瓜核心种质划分为8个类群。本研究结果丰富了黄瓜种质资源的评价体系,为今后优异基因资源的挖掘与利用提供了科学参考。     

全基因组关联分析解析水稻剑叶及单株产量的遗传基础

剑叶是水稻主要的源器官,剑叶大小与产量呈极显著的正相关,揭示剑叶大小和单株产量的遗传基础对于选育株型适宜的水稻高产品种具有重要意义。本研究以来源广泛、多样性丰富的1016份全球水稻核心种质资源为材料,在湖北荆州连续两年考察了种质资源的剑叶大小和单株产量。结果显示,剑叶长、宽、面积和单株产量在两年变异丰富,受环境影响大;剑叶长、宽和面积与单株产量相关性程度较低,说明这些性状的遗传基础不同。利用4.8M高密度SNP基因型数据进行全基因组关联分析,共定位到31个影响水稻剑叶相关性状和单株产量的QTL,其中1个QTL(qFLW4)在两年均定位到,3个位点同时影响多个性状(qFLW4和qFLA4、qFLL6和qFLA6、qFLL10.1和qFLA10)。结合候选区间单倍型分析和生物信息学分析,鉴定到7个候选基因和10个有利等位基因。研究结果为克隆水稻剑叶性状新基因和通过分子标记辅助选择配置不同剑叶相关基因塑造理想株型提供基因资源。     

中国饭豆种质资源遗传多样性及核心种质构建

饭豆耐瘠、耐旱、抗病虫性强,是绿豆、小豆等近缘栽培作物育种的优异基因来源。但饭豆种质资源研究落后,利用效率低。本文首次对我国保存收集的饭豆种质资源进行农艺性状的变异分析。结果表明,我国饭豆种质资源质量性状变异类型丰富,但不同变异类型的分布频率差异较大,大部分稀有变异类型呈区域性分布。数量性状也具有较大的分布范围,各性状的变异系数在14%~98%之间,其中单株荚数>主茎分枝数>株高>百粒重>单荚粒数>生育期>荚长。不同地理来源饭豆资源群体的数量性状变异水平也存在差异。聚类分析不能完全把同一省份来源的种质聚在一起,但是个别省份的有些种质成簇出现在聚类图上,进一步分析发现这些成簇种质的数量性状和经纬度来源比较一致,可能为重复保存。最后以聚类分析为基础,按照比例法进行类内随机取样,并经评价和补充调整等构建了我国饭豆核心种质157份,为有重点有选择地深入开展饭豆种质资源研究及利用等提供了很好的样本。     

云南省夏大豆种质资源表型鉴定和综合评价模型构建

为全面准确评价夏大豆种质资源,构建大豆种质资源综合评价体系,满足育种家快速、定向选择育种亲本的需求。本研究采用路径分析、探索性因子分析、隶属函数、聚类分析、回归分析等多元分析方法相结合,对451份云南省夏大豆种质资源的11个重要表型性状进行研究。结果表明:451份大豆种质资源表型性状变异丰富,类型多样。性状间存在错综复杂的相关性,且性状间的相互影响清晰地分为两条路径,一条最终影响大豆品质,另一条最终影响单株粒重。通过探索性因子分析,将11个表型性状转化为产量构成因子、品质因子、株高因子、粒重因子、单荚粒数因子等5个公共因子。通过隶属函数计算综合评价值(D值),并对D值进行聚类分析,将451个种质划分成3个类群,每个类群具有不同的优势性状。运用逐步回归的方法建立大豆种质综合评价数学模型:D=0.0102X_3+0.0055X_4-0.0021X_5+0.0014X_7+0.007X_9+0.179X_(11)(R~2=0.9908,F=8006,P0.0001)。该模型可用于大豆种质资源综合评价,为定向选择有重要价值的亲本提供依据。     

全基因组外显子测序及其应用

近年来,众多研究小组开展了大量的全基因组关联研究(Genome-wide association studies,GWAS),发现并鉴定了许多与复杂疾病/性状相关联的遗传变异,为复杂疾病发病机制的研究提供了重要线索。由于GWAS的结果存在假阳性、假阴性、检测到的单核苷酸多态性很少位于功能区以及对稀有变异和结构变异不敏感等问题,导致了其应用的局限性。而新一代测序技术的进步,促进了全基因组测序和全基因组外显子测序的快速发展,为解决上述问题提供了契机。全基因组外显子测序是利用序列捕获技术将全基因组外显子区域DNA捕捉并富集后进行高通量测序的基因组分析方法。由于其具有对常见和罕见变异高灵敏度,能发现外显子区绝大部分疾病相关变异以及仅需要对约1%的基因组进行测序等优点,促使全基因组外显子测序成为鉴定孟德尔疾病的致病基因最有效的策略,也被运用于复杂疾病易感基因的研究和临床诊断中。     

大豆耐盐性种质资源SSR遗传多样性及标记辅助鉴定

本研究利用60对SSR引物对93份大豆1级耐盐种质资源和57份盐敏感种质资源(5级)进行分析,以确定耐盐种质资源和盐敏感种质资源的遗传多样性,以及耐盐相关标记在种质资源耐盐性鉴定中的利用程度.60个位点共检测出等位变异792个,平均13.2个,其中耐盐种质资源特有等位变异133个,盐敏感种质资源特有等位变异106个,但76.0%的等位变异频率低于0.10,仅有1.8%的等位变异出现频率高于0.40.耐盐种质资源多态性信息含量(PIC)平均为0.78(0.47～0.90),盐敏感种质资源PIC平均为0.80(0.46～0.94).根据主成分分析,耐盐和盐敏感种质资源多样性分布规律相似.然而,与耐盐基因相关的一个SSR位点的等位变异分布频率在耐盐和盐敏感种质资源间无显著差异.根据UPGMA聚类分析结果,耐盐种质资源按生态区分为3个类群,类群Ⅰ和Ⅲ分别以东北春大豆和北方春大豆为主,类群Ⅱ为黄淮夏大豆和其他生态类型的混合群.     

大豆种质资源农艺性状和产量的年份间差异及其关系

明确大豆种质资源农艺性状的变化及其与产量的关系对大豆遗传育种具有重要的意义。以249份大豆种质资源为材料,应用多元统计方法分析了大田条件下两年间大豆农艺性状与产量的变化。结果表明,大豆种质资源的农艺性状和产量两年变异系数分别为6.2%~78.0%和6.3%~48.5%,变异较大。生育日数因在黄淮海区域生态类型较接近,变异系数较小;而主茎节数变异系数也较小。株高、有效分枝数、底荚高度、单株荚数、单株粒数、每荚粒数、单株粒重、百粒重、单位面积产量则相对变异较大。品种之间农艺性状和产量差异均显著。不同年份间生态因子（温度、降水量及日照时数）对大豆农艺性状和产量的影响较大,年份间不同指标差异亦显著。分别对两年农艺性状采用主成分分析,简化为4个与产量相关的独立指标,并建立了产量与农艺性状之间的方程Y=17.5-1.76x1+1.32x2+0.30x3+2.50x4和Y=198.8-3.12x1+7.71x2+0.08x3+2.71x4以表达其量化关系;采用聚类分析方法将两年中249份大豆种质资源分别聚为5类,并分析了各类品种的特性,为高产稳产大豆新品种的选育以及高产栽培措施的调控提供理论依据。     

灰楸不同流域种质变异与多样性研究

通过对灰楸4个流域的137份种质资源的1年生嫁接苗10个表型性状的变异与多样性分析,结果表明:10个表型性状在流域间、流域内均达极显著差异。流域间10个表型性状平均变异系数、遗传变异系数分别为15.81%、29.08%;遗传方差分量都约在70%及以上,说明10个表型性状的差异主要为遗传因素,从流域内变异看,叶部指标和皮孔数在泾河流域和汾河流域变异较大,生长指标和比叶重、含水量、在渭河流域和嘉陵江流域变异较大。总的Shannon-Weaver指数为6.995,趋势是嘉陵江流域>泾河流域>汾河流域>渭河流域。基于表型性状的聚类分析把4个流域的种质在遗传距离为3.65处分为3类。第1类包含来自渭河流域的28份种质和嘉陵江流域的46份种质,第2类是汾河流域的24份种质,第3类是来自泾河流域的39份种质,叶长、叶宽、叶柄长、叶面积、生长量5个表型性状变异随海拔的升高具有一定的连续性。     

黄淮海大豆种质农艺与品质性状分析及综合评价

以303份黄淮海地区大豆种质资源为研究对象,利用变异系数和Shannon-Weaver多样性指数对11个农艺性状和2个品质性状进行多样性分析,通过主成分、相关性以及逐步回归分析对大豆种质资源进行综合评价和评价指标筛选,为黄淮海大豆种质创新和品种选育提供参考.结果表明:13个性状变异系数的变化范围为5.52％～27.61...