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玉米外来种质改良途径
汇报人:李新海
2009年博士生导师学习论坛
玉米
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汇报提纲
第一部分:快速导入玉米外来种质的全基因组选 择 Genome wide Selection for Rapid Introgression
of Exotic Germplasm in Maize (Bernardo, 2009)
第二部分:采用美国玉米种质拓宽欧洲玉米种质 类群的遗传基础 Broadening the genetic base of
European maize heterotic pools with US Cornbelt germplasm using field and molecular marker data (Reif, Lamkey, Melchinger, 2009)
第三部分:正在开展的玉米种质改良计划
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第一部分
快速导入玉米外来种质的全基因组选择
Genome wide Selection for Rapid Introgression of Exotic Germplasm in Maize
(From Bernardo, Crop Sci, 2009, 49:419–425)
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研究背景
美国玉米种质基础渐趋狭窄The germplasm base of U.S. maize
increasingly narrow (Goodman, 1999; MBS, 2003)
①通常在优良自交系组配
的基础群体而非广基种质
中选育新自交系.Among the best available inbreds instead of from broadbase Germplasm
②注重改良骨干自交系. (A632, B37, B73, H99, Mo17, Oh43, and PH207). Developing new and improved versions of key historical inbreds
③利用具有改良潜
力的外来种质较少.Current maize inbred lines have very little exotic germplasm
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研究背景• 外来种质利用较少的主要原因:当地适应种质
和外来种质的性状表现差异,如花期、根倒和
茎倒、籽粒产量与籽粒含水量等 (Hallauer and Sears, 1972).
• 前育种工作:通常需要采用轮回选择改良外来
种质适应性,为育种利用做准备
• 长时间:前育种研究需要10年以上,这阻碍了
育种者利用外来种质的热情(Dudley, 1982)
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研究背景全基因组选择为基于分子标记的选择程序,能够快速将外
来种质导入当地适应玉米种质 (Meuwissen et al, 2001)
全 基 因 组 选 择
第1步
第2步
分离群体单株的基因型分析和测交组合鉴定。基
于目标性状的表型和基因型,采用BLUP模型预
测所有分子标记的育种值。
在温室或育种圃基于所有分子标记进行2-3个世
代的全基因组选择。通过所有标记的育种值预测
每个单株性状值,进行单株选择,形成新群体。
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研究背景• 相比于测交组合鉴定选择,全基因组选择1
年内能够进行三次选择,可以实现数量性状
的快速改良(Bernardo and Yu, 2007) • 但是,目前5-10次循环的全基因组选择获得
遗传增益能否持续保持,尚未明确
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研究目的• 通过模拟,明确全基因组选择对快速改良外来
种质的实用性
• 验证不同类型适应x外来杂交分离群体( F2, BC1, and BC2 ),即含有不同的供体和受体
有利基因频率,对全基因组选择响应的影响
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研究材料和方法数量性状位点(Quantitative Trait Loci )
• 设定一个数量性状由100个QTL控制
• 100个QTL中,适应亲本自交系在50个QTL上中含有有 利等位基因;外来自交系在50,25,10和5个QTL位点 上含有有利等位基因,而适应亲本在相应的QTL位点上 含有非有利等位基因
• 在第k 个QTL位点上,有利等位基因的测交组合效应为 ak, a = (L – 1)/(L + 1) ,非有利等位基因的测交组合效 应为 −ak
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研究材料和方法适应x外来自交系组合(四种组合3个世代群体)
• 四种组合:当地适应(L=50)x外来自交系 ( L=50,25,20,5)
• 3个世代群体:设定F2, BC1, and BC2 群体为基础群 体(C0)
• 基础群体样本量NC0=144或288• 基础群体单株与另一自交系测交,进行表型鉴定
• 参考群体:将La =50和Le =50的F2群体设定为参考群 体,以与其他类型组合或群体进行选择响应的比较
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研究方法遗传图谱和分子标记
• 图谱全长1749 cM• 512个均匀分布于染色体上的共显性分子标记
• 每个染色体上均匀分布10个QTL• 随机产生QTL之间的相引和相斥相
• 假设测验组合呈加性遗传,无显性和上位性。 表型值为所有QTL的基因型与随机效应之和。
随机非遗传效应呈正态分布(0,VE), 在不
同类型组合和不同世代群体中VE均保持一致
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研究方法全基因组选择 (Genomewide Selection)
• 15次循环选择:1次测验组合表型选择、14次分子标
记选择
• 表型鉴定:C0群体中NC0 = 144 or 288个测验组合
在6个环境下进行
• C1轮群体:在C0群体中决选15个表现最优的单株 ,
随机交配形成N = 576 or 1152 个单株的C1群体
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研究方法
• 基于C0群体的基因型和表型数据,采用BLUP
模型估算每个分子标记的育种值
• 基于全基因组分子标记育种值,在C1群体中于
开花前选择最优的15个单株,并随机交配形成 N = 576 个单株C2群体
• 为方便比较,同样模拟了15轮测验组合的表型
选择。每轮群体样本量NC0 = N = 144 or 288
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研究方法数据分析 Data Analysis• 每次模拟试验包含群体类型、外来种质QTL数目、C0
群体样本量、下轮群体样本量和遗传力
• 每次模拟试验重复1000次,模拟结果为平均值。每次
模拟涉及变量包括QTL位点,单株的基因型和表型值。
• 标准选择响应R = (R– μReference)/ σG(Reference), R′为特定模拟组合的选择响应,
μReference为参考群体C0平均值, σG(Reference) 为参考群体C0群体的测验组合遗传标准差。
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研究结果1、参考群体 F2 of Equal-Performing Parents
• 在LAdapted = LExotic = 50时,测验组合表型选择和全基 因组选择响应均达到最大值
• 第15轮,F2群体的全基因组选择响应介于4.46 to 8.26— F2群体C0群体的遗传力H = 0.20, 0.50, or 0.80— C0群体测验组合后代(NC0 = 144 or 288)— C1到C14全基因选择分析的单株为(N = 576)
• 第15轮,表型选择响应介于6.57 to 10.02— H = 0.20, 0.50, or 0.80— C0群体 (NC0 = 144 or 288)— C1到C14表型分析的单株为(144 or 288 )
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4.46/5.38
7.34/8.26
• 全基因组选择响应:目 标性状遗传力和C0群体
样本量
• 第15轮,在NC0 = 144 时,H = 0.2的选择响应
为4.46;H=0.8的选择 效应为7.34
• 第15轮, 当H = 0.8 时,NC0 = 144的选择
响应为7.34;当NC0 = 288的选择响应为 8.26
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• 当NC0样本量保持不变,而在C1到C14分析
的样本量从576增加到1152时,全基因组选
择响应仅增加了1%
• 由此,对以后不同类型组合 (LExotic = 25, 10,
and 5)分析时,C0群体和下轮群体样本量均
保持NC0 = 288 and N = 576
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利用外来种质的主要障碍是两类种质性状表
现的巨大差异
F2参考群体(LAdapted =LExotic = 50 )是不存
在的,但基于参考群体获得的结果为比较含
有不同比例有利基因的外来种质的选择响应
提供了基准
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研究结果2、全基因组选择(Genomewide
Selection with Exotic Donor Parents)• 与F2参考群体( LAdapted = LExotic = 50 )相比,
当外来种质在LExotic = 25, 10, or 5 QTL 含有有
利基因时,全基因组选择响应明显降低(NC0 = 288 and N = 576)
• 当 LExotic = 25,F2群体呈现出最大的全基因组选
择响应。在第15轮,当H = 0.20选择响应增至
1.93;当H = 0.50选择响应增至3.07 ;当H = 0.80选择响应增至3.81
• 在BC1和BC2群体中的选择响应明显小于F2群 体,两种回交群体之间的选择响应差异较小
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• 当LExotic = 10时,最初的最大选 择响应均出现在BC2群体,最大 选择响应都出现在第2轮,在H =
0.20,0.50,0.80时分别为0.47, 0.80和1.02
• 但是第2轮后,BC1和BC2群体的 选择响应明显下降
• 从整个15轮选择来看,当LExotic = 10时最大的选择响应还是出现在
F2群体,在第7或8轮,在H = 0.20,0.50,0.80时分别为0.53, 1.24和1.65
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• 当LExotic = 5,全基因组选
择响应 变化趋势与LExotic
= 10 时的情形相同。
• 当H = 0.20,最大选择响
应0.38出现在第2轮BC2 群体;而当H = 0.50和H = 0.80时,最大选择响应
0.81 和1.10 则出现在第7 轮F2群体
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回交群体与F2群体• 当LExotic = 10 and 5,BC1和BC2群体经持续选择后
性状值大幅度降低与双亲有利基因频率变化有关
• 设定BC1 群体H = 0.50 and LExotic = 10,在C0群体
有利基因频率 pAdapted = 0.75, pExotic = 0.25;第2轮群体中 pAdapted=0.78 and pExotic = 0.35;第15轮群体中pExotic = 0.66 ,而pAdapted 降至 0.72
• 模拟结果显示BC1和BC2群体的性状均值下降与 pAdapted有利基因频率降低有关
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• 与回交群体相比,在F2群体 pAdapted 基因频率
则由0.50 to ≥0.80,而 pExotic 频率介于0.45 to 0.60
• 设定F2群体H = 0.50 and LExotic = 10, 在第7轮群
体pAdapted 增至 0.87, pExotic 保持在 0.50
• 由于全基因组选择程序增加来自适应亲本的有利
基因频率,且保持了外来种质中有利基因频率,
因此在F2群体中开展全基因组选择是有益的
回交群体与F2群体
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讨论育种应用 Application in Breeding Programs
确定选择世代是全基因组选择的核心因素
• 已有研究结果:若适应种质性状值高于外来种质时, 表型选择则应在回交群体(BC1, BC2, or BC3)中开 始 (Dudley, 1982; Holland et al.,1996)
• 本研究结果:无论适应亲本表现如何,全基因组选择 均应在F2群体开始
• 全基因组选择最大响应可能仅会持续到第7或8轮,在 外来亲本含有较低的有利基因频率或性状遗传力较低 时,更是如此
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讨论:影响因素• NCO和H:C0群体中测交表型鉴定的单株数
量和性状遗传力是影响全基因选择效果的重
要因素
• 大群体(NC0= 288)对改良adapted ×exotic 效果显著;高遗传力会获得更大选择响应
• 应精确布置田间鉴定试验,减少环境误差或
基因型与环境互作,提高性状遗传力
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讨论:育种策略• 全基因组选择策略:改良外来种质数量性状
的策略可以从F2群体开始持续7至8轮全基因
组选择
• 假设在温室或周年育种圃中每年可实现3季种
植,采用全基因组选择进行7至8轮选择仅需
要3年
• 7至8轮后,育种者可以在田间通过测验组合
验证全基因组选择效果
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讨论:选择效率• 比较:2轮测验组合的表型选择(4年)是否会获
得比7至8轮全基因组选择(3年)更大的增益?
• 效果:7-8轮全基因组选择增益明显大于2轮的表
型选择,增益介于1.25 (LExotic = 5 and H =0.80)
to 2.40 (LExotic = 50 and H = 0.80)
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第二部分
采用美国玉米种质拓宽欧洲玉米类群的遗传基础Broadening the genetic base of European maize heterotic pools with US Cornbelt germplasm using field and molecular marker data
(From Jochen, Lamkey, Melchinger et al.TAG, 2009, DOI 10.1007/ s00122-009-1055-9)
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研究背景• 杂种优势模式:欧洲硬粒x美国马齿
• 外来种质被认为是拓宽玉米种质遗传基础的
重要基因资源(Goodman et al. 2000)
• 在欧洲中部玉米育种中,潜在的外来种质包
括热带、亚热带和非适应性温带种质
• 采用美国玉米带自交系作为供体,渐渗导入
欧洲玉米种质,能够扩展杂种优势群的基
础,并增强杂种优势反应
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研究目的• 研究欧洲与美国玉米种质之间的杂种优势关系
• 评价不同目标环境、不同世代群体和不同指标 在评估外来种质育种潜力的应用价值
• 探索分子标记遗传距离与中亲优势值的相关性
提出将美国玉米种质定向导入当前欧洲
玉米杂种优势群的策略
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研究材料试验材料:
8个欧洲玉米自交系、11个美国玉米自交系、 88个F1和F2杂交种
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研究方法
• 三组材料:19个系、88 F1和F2杂交种
• 3种生态地区的13个环境:欧洲中部CEM 、美国
玉米带USM 、欧洲东南部SEM
• 小区设计:2行区,2次重复,相邻但分开种植
• 测试性状:籽粒产量(Mg/ha) 、干物质浓度(%)
• 分子标记:266个SSR标记分析19个自交系
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研究方法数据分析
• 方差分析:在每个环境,针对三组材料目标性分别进行
• MPH 和ID : MPH = F1 - (P1+P2)/2 and ID = 2(F1 - F2)• 等位基因分析:三组材料每个标记位点的平均等位基因数
• 主成份分析:基于MRD的主成分分析(PCoA) • 相关分析:不同生态地区间亲本、F1、F2、MPH的产量和干物
质浓度的相关系数
• MRD与 MPH和 F1表型值的Pearson 相关系数 (rp) and Spearman 相关系数 (rs)
• 采用SAS软件 PROCMIXED 程序进行数据分析
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研究结果方差分析:• 在三个生态地区,亲本、F1和F2杂交种产量和干物质浓
度的基因型和基因型与环境互作方差均显著
• 产量和干物质浓度遗传力很高,在三个生态地区产量遗传 力变化小于干物质浓度
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研究结果• 自交系:欧洲马齿自交
系比欧洲硬粒自交系高
产;美国非马齿自交系
比马齿自交系高产
• F1和F2杂交种产量:在
CEM最高,在USM最
低;SEM情形介于CEM
和USM之间
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研究结果• 在CEM,欧洲马齿x美国
马齿、欧洲硬粒x美国马
齿、欧洲马齿x非美国马
齿的籽粒产量比欧洲硬
粒x美国非马齿高
• 美国自交系x欧洲硬粒自
交系的中亲优势值高于
美国自交系x欧洲马齿自
交系
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研究结果• 在三个生态地区,籽粒产量中亲值均与自交衰退
系数为中度正相关(r = 0.57–0.72)
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研究结果• 亲本自交系、F1、F2杂交种和MPH的籽粒产量和干物质
浓度在三个生态地区之间相关极显著
• 相关系数在CEM和SEM之间最高
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研究结果• 266对SSR标记共检测到
1381个等位基因
• 欧洲马齿与欧洲硬粒自交系 之间具有最大的遗传距离
(MRD)
• 主成份PC1将欧洲硬粒玉米 自交系与其他系分开;PC2
将2个美国马齿系与其他系 分开;PC3将B107及欧洲 马齿系与其他系分开
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研究结果在三个生态地
区,遗传距离 (MRD)与籽
粒产量中亲优 势值(MPH)
的相关性达到 显著水平,且 明显大于MRD
与F1产量的相
关性
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不同生态地区(欧x美)杂交种表现
• 杂交种在目标地区-欧洲中部CEM的产量水平
最高,比SEM和USM地区表现好
• 因此,评估杂交种(欧洲自交系x美国自交系)
应在目标环境CEM进行,不需要设定中间过渡
环境
讨论
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当地和外来自交系自身表现
• 欧洲硬粒自交系在CEM产量较高,适应性好
• 美国马齿自交系在CEM晚熟,产量较低,适应性较差
• 美国自交系在SEM(欧洲东南部)表现较好,显示在评
价多样性的美国玉米种质时可以选择在熟期适宜的地区
进行
• 如果外来种质产量较高且具有中亲优势,可以进一步进
行适应性改良
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拓宽欧洲玉米杂种优势群遗传基础的策略
• 分子标记距离、F1杂交种和MRH• 种质之间关系:欧洲硬粒自交系与美国非马齿自交系;欧
洲马齿与美国马齿自交系
• 种质改良策略:美国马齿SS种质可以导入欧洲马齿种质 库;美国非马齿NSS种质导入欧洲硬粒种质库。充分利用
欧洲硬粒自交系的生态适应性和美国种质的高配合力特性。 这可以扩增欧洲马齿和欧洲硬粒杂种优势群内的遗传基
础,提高杂交种的生产能力
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第三部分
正在开展的种质改良计划
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6 杂优亚群
3 杂优群
四平头
D
旅大红骨
BSSS APA
Lancaster BPB
聚类 180/120/131 系 65 引物
种质基础:杂种优势群—中国
Zhang et al. 2002
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选系群体:90%以上杂交F2群体、回
交群体
自交系来源:黄早四、掖478、丹340、
Mo17、78599选系
种质基础: 目前
育种基础材料中新的有利基因频率较低, 育成突破性自交系难度增大。
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外来种质对我国玉米生产贡献 (%)
40
45
50
55
60
65
1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998
胡瑞法,2004
美国种质每增加1个百分点,玉米产量增益10kg/ha/yrCGIAR系统的种质每增加1个百分点,玉米产量增益
约20kg/ha/yr
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种质研究与群体组建
前育种研究:外引种质的性状鉴定和杂种优势关系
— 美国种质 58个群体/205份自交系
— CIMMYT种质
31个群体/500份自交系
种质群体组建:
— 回交群体
— 复合群体(A群体、B群体)
种质改良:群体改良与选系相结合的方案
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种质改良计划:近期
现有自交系
高密度抗逆、循环育种
外引自交系
基础材料
杂种优势关系
育种新材料
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基于回交导入群体的种质改良计划
100余份BC1F2 回交群体
外引自交系(供体亲本)
杂交/回交/自交
杂种优势关系
骨干自交系(受体亲本)
育种程序
昌7-2、郑587922、吉853
BL2、BL4、BL7、BL12、BL13、BL17 、BL23、BL27、BL34、BL41、BL47、
BL51、BL54、BL56、BL57;AMD17、 AMD19、AMD35、AMD39、AMD40
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种质改良计划:中长期
国内群体
群体改良抗逆、循环育种
外引群体
复合群体
杂种优势群
育种新材料
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复合群体创建与改良
中综7号+BSSS(
A群)
中综6号+LSC(B群)
中国+美国
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A和B群体组建
TuxpenoBSSS中综7号 A群体
Suwan1Lancaster中综6号 B群体
中国+美国+CIMMYT
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复合群体窄基群体
杂种优势群/模式
优质抗逆自交系
循环选系/密植 轮回选择
种质改良途径
国内群体x外引群体国内系x外引系
育种材料 育种群体
优良杂交种
前育种
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• 感谢张世煌研究员的热心指导
• 感谢李明顺、张德贵、谢传晓、郝转芳等科 技人员的热情工作
• 感谢薛阔、程建文、韩延会、舒卫东、雍洪 军、刘志鹏等科技助理人员和研究生的认真 研究
• 感谢现代玉米产业技术体系
行业科技、国家863计划资助
致 谢
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2009年11月
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