CN107278877B - 一种玉米出籽率的全基因组选择育种方法 - Google Patents

一种玉米出籽率的全基因组选择育种方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种玉米出籽率的全基因组选择育种方法，包括建立BLUP模型、标记效应的预测与选择响应的计算等步骤。本发明将全基因组选择技术应用到玉米出籽率的选择中，建立玉米出籽率全基因组选择育种流程。同时减少F2群体的单株数量，降低生产成本，建立经济有效的全基因组选择技术。

Description

一种玉米出籽率的全基因组选择育种方法
技术领域
本发明是属于玉米育种领域，具体涉及一种玉米出籽率的全基因组选择育种方法。
背景技术
玉米是我国第一大粮食作物，玉米产量提高对我国粮食安全具有重要意义。我国玉米产量的提高主要因素是玉米育种水平的提高。常规育种是过去的主要育种方法，近年来新兴育种技术不断出现，提高了育种水平。
随着分子生物学和基因组学等新兴学科的飞速发展, 作物分子标记辅助选择（MAS）技术应运而生。分子标记辅助选择技术就是把表现型和基因型选择结合起来的一种作物遗传改良理论和方法体系, 可实现基因的直接选择和有效聚合。在改良多基因控制的复杂性状时，分子标记辅助选择存在两方面的缺陷，一是后代群体的选择建立在 QTL（quantitative trait locus数量性状座位或者数量性状基因座）定位基础之上，而基于双亲的 QTL 定位结果有时不具有普遍性，QTL 定位研究的结果不能很好的应用于育种研究中去； 二是重要农艺性状多由多个微效基因控制，缺少合适的统计方法和育种策略将这些数量基因位点有效应用于数量性状的改良。
Meuwissen （2001）首先提出全基因组选择( Genome-wide selection，GWS) 育种策略。主要是通过全基因组中大量的单核苷酸多态性标记（SNP）和参照群体( trainingpopulation) 的表型数据建立 BLUP 模型估计出每一标记的育种值，然后仅利用同样的分子标记估计出后代个体育种值并进行选择。GWS是不需要进行QTL定位的分子标记辅助选择方法。美国明尼苏达大学的Bernardo试验室自2007年以来开展了全基因组选择技术在玉米育种上的应用。Bernardo(2009)通过模拟试验研究了全基因组选择方法在适应×外来自交系组合育种上的应用。利用此研究结果，Emily（2013)研究了利用全基因组选择技术将外来种质的矮杆基因导入到本地骨干种质中。这是首例关于全基因选择技术在玉米育种上应用的报道。相比于测交组合鉴定选择，全基因组选择不需要调查表型值，可以在温室内进行，1年内能够进行三次选择，可以实现数量性状的快速改良。与原来传统的分子标记辅助选择方法相比较，全基因组选择方法具有的突出优点：（1） 早期选择准确率高。 利用高密度分子标记能同时估计所有 QTL 的效应， 它们能解释绝大部分性状的遗传方差，选择准确性比 MAS 高，可高达0.83。（2）缩短世代间隔，提高遗传进度，降低生产成本等。全基因组选择策略的遗传进度高于传统表型选择 4%~25%, 单位遗传进度的花费低于传统育种 26%~65%。（3）对利用传统选择方法准确性低的低遗传力性状选择效率高。GWS 的选择标准是育种值而不是个体本身的表现型，因此选择更为准确。
玉米出籽率是影响产量的一个关键性因素，是影响果穗同化产物分配状况的衡量指标，受到粒长、粒长/穗半径、穗长和粒宽的显著影响。玉米出籽率受微效多基因控制、遗传力较低, 且易受环境效应影响, 从而限制了育种中对其进行遗传操作的能力。全基因组选择方法对低遗传力的性状选择效率高，是否适合于玉米出籽率性状的选择还需要实验证明。迄今为止，还没有关于玉米出籽率全基因组选择技术的报道。
发明内容
为了提高玉米出籽率的选择效率，本发明提供了一种提高玉米出籽率的经济有效的全基因组选择育种方法。
本发明的目的是将全基因组选择技术应用到玉米出籽率的选择中，建立玉米出籽率全基因组选择育种流程。同时减少F2群体的单株数量，降低生产成本，建立经济有效的全基因组选择技术。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种玉米出籽率的全基因组选择育种方法，包括以下步骤：
（1）BLUP模型的建立
供体与受体自交系杂交得到F1，F1自交得到F2群体；F2群体随机选80-150个单株提取DNA，玉米55 K SNP芯片进行基因型分析；并且这些F2单株自交获得F3家系；F3家系与测交系杂交获得F3家系的测交种；调查F3家系测交种的粒长、穗长、穗粗、轴粗、果穗干重、籽粒干重、容重，计算粒长/穗粗，出籽率和产量；利用SAS PROC IML程序分析F3家系测交种的表型值和F2单株基因型分析结果，建立岭回归-最大线性无偏估计模型，即RR-BLUP模型,用于标记效应的预测；
（2）标记效应的预测与选择响应的计算
依据F3家系测交种的表型结果，选择 10个家系进行重组，每个F3家系与另外9个F3家系混粉杂交，得到CYCLE1的种子；获得的种子随机取100株进行基因型分析，根据BLUP模型预测育种值；
从CYCLE1选择50株与测交系杂交，获得测交种；将测交种种植在试验地，调查各性状的表型值；根据标记效应预测的育种值与表型值，计算各性状的选择响应。
优选的，步骤（1）中， F2群体随机选100个单株提取DNA。
优选的，步骤（1）BLUP模型的建立之前，剔除分型成功率小于80%的位点，剔除较小等位基因频率小于0.05的染色体位点。
本发明的有益效果是：建立玉米高出籽率单株的全基因组选择技术流程，研究利用全基因组选择技术对玉米出籽率的预测效果。减少参考群体的单株数量，从而降低生产成本，从而建立经济有效的全基因组选择技术。
国内关于玉米的的全基因组选择育种技术还未见报道，一个主要的原因就是目前国内芯片的价格较国外高很多，生产成本偏高。要解决这个问题需要在保证选择效果不变的基础上，尽量减少F2群体的单株数量。Bernado（2007）模拟研究表明，F2群体的大小在144株左右即可。本发明将把F2群体的大小分别设为150、100、80株，比较不同群体大小的预测效果,确定最低的F2群体单株数量。
附图说明
图1是玉米全基因组选择育种流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：
实施例1：利用全基因组选择技术改良齐319出籽率
目的：应用全基因组选择技术将LK1粒长的优异基因转入到齐319中，通过全基因组选择模型对性状的选择响应，分析该技术用于自交系改良的效果；在不影响选择效果的基础上，减少参考群体的单株数量，从而降低生产成本。
实验方法：
试验材料
供体：引进自交系LK1
受体：山东省农业科学院玉米研究所选育的自交系齐319。齐319为78599选系。
测验种：LK2和lx9801，LK2与LK1为姊妹；lx9801属于黄改系，来源于H21×502。
BLUP模型的建立
引进自交系LK1与齐319杂交得到F1，F1自交得到F2群体。F2群体随机选150个单株提取DNA，利用中国农业大学玉米改良中心的玉米3 K SNP芯片进行基因型分析。并且这些F2单株自交获得F3家系。F3家系与测交系LK2杂交获得F3家系的测交种。调查F3家系测交种的粒长、出籽率和产量。利用SAS PROC IML程序分析F3家系测交种的表型值和F2单株基因型分析结果，建立岭回归-最大线性无偏估计（RR-BLUP）模型，用于标记效应的预测。
标记效应的预测与选择响应的计算
依据F3家系测交种的表型结果，选择 10个家系进行重组，每个F3家系与另外9个F3家系混粉杂交，得到CYCLE1的种子。获得的种子随机取100株进行进行基因型分析，根据BLUP模型预测育种值。从CYCLE1选择50株与测交系杂交，获得测交种。将测交种种植在试验地，调查各性状的表型值。根据标记效应预测的育种值与表型值，计算各性状的预测效果。
实验结果：
基因型数据质控结果
在构建BLUP模型前，首先对基因型数据进行质控：剔除分型成功率（call rate）小于80%的位点：1607个，剔除较小等位基因频率（MAF）小于0.05的染色体位点：36877个；最终剩余16745个SNPs和150个个体用于后续分析。
表1 基因型数据质控结果
总SNP位点 分型成功率小于80%位点 较小等位基因频率小于0.05的染色体位点 剩余SNP位点
55229 1607 36877 16745
表1为基因型数据质控结果统计。
F3家系测交种方差分析结果
结果表明，F3家系测交种间的产量、出籽率与粒长均为显著差异（表2）。产量性状的遗传力为64.3%，出籽率的遗传力为25.47%，粒长的遗传力为26.53%，因此说明出籽率与粒长均属于低遗传力性状，常规育种方法与普通的分子标记辅助选择法的选择效率低，适合应用全基因组选择方法进行单株选择。
表2 性状均值，测交种遗传方差（VG）、遗传力（h2）
** 差异小于0.01。*差异小于0.05。
将F2群体大小设为150、100、80株，建立三种预测模型。
表3 F2群体为150、100、80株时的预测效果rmp（预测值与实际值的相关系数）
性状 F2群体150株 F2群体100株 F2群体80株
产量 35.1 34.6 28.4
出籽率 37.1 36.7 31.2
粒长 13.2 12.8 9.8
表3的结果表明，F2群体为150、100、80株时，产量的预测效果分别为35.1、34.6、28.4；出籽率的预测效果分别是37.1、36.7、31.2；粒长的预测效果分别是13.2、12.8、9.8。由此可以看出，出籽率的选择效果最好。当F2群体为150和100株时，三种性状的选择效果差别不大，但是当F2群体为80株时，三种性状的预测效果大大降低。由此说明，在不影响预测效果的基础上，可以将F2群体降为100株，将大大减少生产成本。

Claims (1)

1.一种玉米出籽率的全基因组选择育种方法，包括以下步骤：
（1）BLUP模型的建立
供体与受体自交系杂交得到F1，F1自交得到F2群体；F2群体随机选100个单株提取DNA，玉米55 K SNP芯片进行基因型分析；并且这些F2单株自交获得F3家系；F3家系与测交系杂交获得F3家系的测交种；调查F3家系测交种的粒长、穗长、穗粗、轴粗、果穗干重、籽粒干重、容重，计算粒长/穗粗，出籽率和产量；利用SAS PROC IML程序分析F3家系测交种的表型值和F2单株基因型分析结果，建立岭回归-最大线性无偏估计模型,即RR-BLUP模型，用于标记效应的预测；
（2）标记效应的预测与选择响应的计算
依据F3家系测交种的表型结果，选择 10个家系进行重组，每个F3家系与另外9个F3家系混粉杂交，得到CYCLE1的种子；获得的种子随机取100株进行基因型分析，根据BLUP模型预测育种值；
从CYCLE1选择50株与测交系杂交，获得测交种；将测交种种植在试验地，调查各性状的表型值；根据标记效应预测的育种值与表型值，计算各性状的选择响应。
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