量化分析水稻杂种优势及杂交稻改良育种的遗传基础

<正>杂种优势指遗传差异的双亲杂交产生的子一代,在生长速率、产量和适应性等方面优于双亲的现象.该现象在自然界中普遍存在,被广泛应用于农业领域,改良作物的关键农艺性状.水稻是重要的粮食作物之一,人类日常总卡路里摄入量的21%来自水稻,在东南亚地区该比例更是高达76%^[1].     

水稻杂种优势的转录组基础

在杂交种中,亲本等位基因的表达将会发生变化,导致杂交种转录组活性不同于亲本.通过比较杂交种与亲本之间的转录组活性差异,鉴定出这些差异的调控因子并建立起其与表型差异的联系,就可能从分子水平上解析杂种优势形成的机理.在水稻杂交种全基因组基因差异表达分析的不同研究中,由于所采用转录组分析平台和实验取材组织器官等的差异,所鉴别出来的差异表达基因及其在杂交种中的表达变化模式各不相同.然而,某些研究也揭示了一些共性的结果,主要体现在水稻杂交种中差异表达基因的生物学功能在光合作用、碳水化合物代谢和能量代谢途径中富集.对于导致水稻杂交种转录组活性变化的原因,可以从基于基因启动子区顺式调控元件和与其相结合的反式作用因子的遗传调控机制,以及从基于DNA甲基化、组蛋白修饰和小RNA的表观遗传调控机制两方面来进行解释.今后在水稻杂交种转录组活性变化的分析中,需要针对特定的生物学性状来进行,并提高基因差异表达分析的精确性和特异性.此外,由于杂种优势是多个数量性状的综合体现,可以将全基因组的基因差异表达分析与杂种优势的QTL(quantitative trait loci,数量性状位点)定位及GWAS(genome-wide association studies,全基因组关联分析)等数量遗传学方法相结合,以对水稻杂种优势分子机理进行深入解析.     

型式遗传与杂种优势

结合现代分子生物学的最新研究进展之一———型式遗传 ,并作进一步设想 ,认为型式遗传的组成包含保守的与不保守的两大部分 .若两亲本遗传背景差异越大 ,那么型式遗传中 ,尤其不保守的型式遗传部分差异也就越大 ,因而在两者的后代中受其差异的影响也越大 ,在一合子中相互影响作用也越大 ,杂种优势也就越大 ,并提供了相关的实验事实依据 .     

大豆适应性的分子遗传基础

光周期是重要的调控开花时间的因子。在大豆中,光周期调控开花是影响生育期和产量的重要因素之一,因而受到农学家们的关注。大豆在地域上具有广泛的适应性,这与大豆品种对日照长度的适应性是分不开的。大豆对光周期的适应性是由一系列成熟期基因来控制的。在长日照下,大豆需要降低或减少对光周期的敏感性;而在短日照下,大豆需要晚花以获得足够高的产量。近年来,科学家们通过正向遗传学的研究鉴定到了许多成熟期基因,并通过遗传学、分子生物学和生物化学方法进一步分析这些基因的功能,以解析光周期在长日照和短日照下如何调节大豆开花。文章总结了关于成熟期相关位点基因的鉴定,以及它们如何在长日照和短日照条件下调节开花时间。     

一个小麦强优势组合的杂种优势遗传基础解析

北方冬麦区骨干亲本农大3338与京冬6号组配的杂交F1代,在株高和千粒重等方面表现较强的中亲杂种优势.为解析该组合杂种优势形成的遗传基础,利用农大3338和京冬6号构建了双单倍体(doubled haploid, DH)群体,并利用DH群体衍生了一套包含283个杂交组合的小麦永久F₂群体,在两个不同环境下进行杂种优势评价.利用包含单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism, SNP)和简单重复序列(simple sequence repeat, SSR)分子标记的高密度整合遗传连锁图谱,基于完备区间作图法,对永久F₂群体在两个环境下的株高、千粒重、中亲优势值和相应的BLUP值进行全基因组数量性状基因座(quantitative trait locus, QTL)定位和上位性互作分析.共检测到32个株高QTL和25个千粒重QTL,分别解释0.54%～36.05%和0.87%～25.78%的表型变异,包含加性效应、显性效应和超显性效应位点,其中2D、4B、4D和6A染色体上存在稳定主效QTL,主要以加性效应为主....     

水稻高产优质的分子基础与品种设计

水稻是世界上最重要的粮食作物之一,在保障粮食安全的重大战略需求中具有举足轻重的地位.株型是决定水稻产量的核心要素,解析株型形成的分子机理具有重要的现实意义.稻米品质主要包含营养、蒸煮食味、储藏及外观品质,阐明其遗传调控网络为实现稻米品质的定向改良提供了重要支撑.随着水稻功能基因组研究的日渐深入,在水稻株型与稻米品质形成的分子基础研究方面取得的一系列重大研究进展助推了水稻株型与稻米品质分子设计育种的开展与示范.本文分别从分蘖数目、分蘖角度、株高、穗型以及稻米的外观、蒸煮食味、营养、储藏品质等方面简要概述了水稻株型与稻米品质的遗传调控网络,介绍了相关基因在分子设计育种中的应用情况.     

杂种优势生理生化与遗传学基础

人们早就认为杂种优势是一种现象,利用它能提高作物产量。利用杂种优势获得经济效益的作物数目确实正在不断增加,早期(1921～1954)利用杂种优势的作物有玉米、甜玉米、茄子、矮生西葫芦、蕃茄、菜黄瓜、洋葱、西瓜、胡椒、甜瓜、腌黄瓜、结球甘兰。近年来(1955～1977)利用杂种优势的作物有粒用高梁、糖甜菜、茎椰菜、菠菜、红甜菜、抱子甘兰、胡萝卜、珍珠粟、椰子、花椰菜、苜蓿、大麦、小麦、水稻、向日葵。今后尚待努力解决的有石刁柏、芹菜、燕麦、黑麦、马铃薯、大豆、食荚菜豆、四季豆、碗豆、莴苣。由于植物杂种优势给人们带来巨大的效益,因此育种家和遗传学家都热衷于研究优势种的现象。主要的现象是株高变高,叶面积增大,生产量增加,干物质累积增多,开花提早和产量提高。现逐一分析这些特征。     

昆明种犀牛小鼠及其分子遗传基础

无毛型(hr)和犀牛型(hr^rh)小鼠是无毛基因(hr)突变时的两种不同表型, 但犀牛小鼠与丘疹性秃头症患者有着更相似的病理特征, 因而是重要的实验动物模型. 报道了中国科学院昆明动物研究所饲养的昆明小鼠封闭群中发现的犀牛型无毛小鼠, 并将其命名为犀牛小鼠KIZ. 从形态学、皮肤组织病理学、基因序列分析、家系分析和基因功能分析等方面进行了系统的研究, 证明无毛基因(hr)第2817位的无义突变(C→T)是导致犀牛小鼠KIZ的原因. 在昆明小鼠中发现的犀牛型无毛突变小鼠, 由于其遗传机制清楚, 将是一个很有前景的实验动物模型.     

水产动物重要经济性状的分子基础及其遗传改良

中国水产养殖的成就已被认为是中国对当今世界发展的一个重大贡献.近20年来,基因组学和其他遗传技术的进步显著推动着水产动物分子生物学和遗传育种学基础研究的发展.进入21世纪后,一些主要水产动物的全基因组测序已经完成或接近完成.本文综述了包括基因组技术、体细胞核移植和干细胞技术在内的水产遗传改良技术的一些重要突破性进展,概述了包括生殖、性别、生长、抗病、耐寒和耐低氧这些重要经济性状的分子基础,列出了一系列与这些经济性状相关的候选基因.最后,介绍了几个特别是中国水产动物遗传改良在水产养殖中的应用事例,强调了未来的发展方向.     

水稻籼粳亚种间杂种优势利用研究进展与展望

水稻籼粳亚种间的杂种优势利用对于提高我国水稻产量有着重要的意义.本文简述了籼粳亚种间杂种优势利用研究的发展历史,广亲和基因的发现为亚种间杂交水稻选育奠定了理论基础,国内科研机构相继选育出了以两优培九、协优9308为代表的利用部分籼粳亚种间杂种优势的杂交稻组合,杂种优势明显.21世纪以来,浙江省宁波市农业科学院、中国水稻研究所等科研机构,利用粳稻不育系与籼粳中间型广亲和恢复系配组,选育出了"甬优6号"、"甬优12"、"春优58"、"春优84"等典型的籼粳亚种间杂交稻,杂种优势更加明显,为水稻籼粳亚种间杂种优势利用开辟了新途径.本文还总结了籼粳亚种间杂种优势利用研究的现状,并针对籼粳亚种间杂种优势利用中存在的主要问题,对未来籼粳亚种间杂种优势利用研究进行了展望,以期为水稻籼粳亚种间杂种优势利用研究提供一点有益的借鉴.     

水稻5个形态性状显著相关性的分子基础剖析

为了加深理解水稻性状相关的遗传基础,用一个以HR5和珍汕97杂交构建的重组自交系群体(F6和F7)检测控制主效QTL和上位性QTL.两年中,5个形态性状,即抽穗期(HD)、株高(PH)、穗长(PL)、剑叶长(FLL)和剑叶宽(FLW)呈现高度的正相关.每个性状检测到4～8个主效QTL.剑叶长、抽穗期、剑叶宽和穗长分别检测到1,4,4和5个双位点互作QTL(E-QTL).除了E-QFll1,每个E-QTL解释性状变异低于3%.对QTL定位结果进行了比对以便剖析性状相关的遗传基础,发现具有多效性的主效QTL和紧密连锁的QTL簇是性状相关的主要遗传基础.没有检测到上位性互作QTL(E-QTL)具有多效性.尽管上位性互作QTL也在单个性状的遗传基础中起重要作用,但对性状相关贡献不大.     

免疫多样性的遗传基础(Ⅲ)——MHC分子及其多态性

人、鼠等高等动物对侵入体内的抗原,具有高度有效的防御体系。在自然情况下,防御体系主要掌管两类反应:其一,产生与侵入体内的外来抗原进行特异性结合的抗体分子(图23A);其二,杀伤T细胞认识感染病毒的自身细胞(图23B)。在这两类反应中,MHC分子、T细胞受体和外来抗原三者引起的细胞之间的相互作用,有着重要意义。其中MHC分子因有多态性,因此在防御反应中,似以识别“己”与“非己”的制约分子身份发挥作用。近来,大多认为抗     

基于SNP遗传距离和配合力的小麦杂种优势预测

为保障全球粮食安全,利用杂种优势不断提高粮食作物产量是育种工作的长期目标.分子标记已经广泛应用于作物杂种优势预测研究.但是,很少有关全基因组单核苷酸多态性(single-nucleotide polymorphism, SNP)预测小麦杂种优势的报道.本研究以30个小麦品种(系)为亲本构建了包含419个组合的双列杂交群体,利用亲本SNP遗传距离、配合力效应和3个环境的产量构成性状(yield component traits, YCT)预测杂种优势.结果发现,小麦YCT存在普遍的超标优势(commercial heterosis, CH)、中亲优势(mid-parent heterosis, MPH)和超亲优势(high-parent heterosis, HPH).亲本间或不同性状间的配合力效应值差异较大,黄淮麦区品种与西南麦区或国外品种间易产生较高的特殊配合力(special combining ability, SCA).双亲一般配合力(general combining ability, GCA)、SCA与杂交种产量、CH、MPH和HPH呈极显著正相关; SNP遗传距离与杂交种...     

杂交稻基因组学和杂种优势遗传机制研究取得重要进展

[本刊讯]中科院上海生科院植物生理生态所韩斌课题组联合中国水稻所杨仕华等团队,直接对我国水稻主产区的1495份杂交水稻品种进行基因组测序,通过开发一套全新的分析方法,有效地鉴定了高度杂合材料的基因型,构建了一张杂交稻品种的精细基因型图谱。相关研究成果2015年2月5日在线发表于Nature Communications杂志。杂交水稻育种技术的成功是我国     

经济决策的神经化学与遗传基础

神经成像技术的快速发展, 使得经济决策研究进入了一个新阶段, 即在行为决策科学、行为经济学的基础上, 借鉴自然科学的研究手段与方法开展跨学科领域的探索, 神经经济学在本世纪诞生并迅猛发展. 随着该交叉学科研究的进一步深入, 遗传学、基因组学等更多自然科学学科也开始与经济决策研究结合, 使得研究者从个体的微观视角对经济决策的理论与观点进行更为深入地理解和阐释. 最新的研究表明, 大脑内的神经递质与人们的包括经济决策在内的决策紧密相关, 而决定大脑神经递质的遗传基因又通过影响神经递质的水平与功能, 间接地影响人们的决策行为. 本文以神经递质多巴胺、5-羟色胺、催产素为例, 着重介绍大脑内的3种神经递质及其对应的相关基因与人们经济决策中风险决策、社会决策的密切联系与内在机理.     

免疫细胞激活的分子基础

“信号转导机制”是分子生物学领域中一个极其重要的问题,近年来这方面的研究工作,特别是免疫细胞信号转导机制进展迅速。细胞信号转导机制有共同的分子基础,这一机制不仅适用于免疫细胞,而且适用于所有的细胞,这里着重就免疫细胞作一简要概述。近年来免疫细胞、体液因子间的相互调节,免     

植物分子遗传国家重点实验室概况

为适应植物分子生物学和生物工程的蓬勃发展的需要,1986年经国家计委批准投资,开始筹建植物分子遗传国家重点实验室,1988年10月通过了国家验收,正式对国内外开放. 植物分子遗传实验室是在中国科学院上海植物生理研究所的植物分子遗传和基因工程有关课题基础上发展而成的研究实体,依托于中科院上海植物生理研究所.现有研究人员39人,其中高级研究人员13人,另有客座人员15人.现任实验室主任:许智宏研究员(中科院上海植物生理研究所)副主任:洪国藩研究员(中科院上海生化所).学术委员会主任:洪孟民研究     

细胞信息代谢的分子基础

细胞信息代谢即生物信号在细胞内的传递,其传递放大基本原理是多级瀑布效应,传递的物质基础是细胞第二代谢体系,传递的基本和主要方式是蛋白邀酶催化的蛋白质磷酸化和蛋白磷酸酶催化的蛋白质去磷酸化(即“可逆蛋白质磷酸化作用”).