蓖麻(Ricinus communis L.)种质资源的遗传与演化研究

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蓖麻(Ricinuss communis L.)是一种高蓄能油料植物和工业原料植物,具有重要的开发利用价值,蓖麻油油脂成分特殊,其作为生产生物柴油的原料已经受到了世界的广泛关注。蓖麻适应性强,可以利用边际土地,其是我国现阶段生物柴油产业化发展的重要途径。目前我国蓖麻产业化发展的瓶颈在于蓖麻的品种单一,定向育种少,产量低。所以对蓖麻进行定向育种和遗传改良,培育高产、优质的蓖麻品种是我国现阶段蓖麻产业发展的核心任务。  蓖麻种质资源的遗传多样性和种质间的遗传关系是蓖麻进行杂交选育和分子改良的前提。增加蓖麻的产量和油含量是蓖麻育种的主要目标。但是产量及油含量属于复杂的数量性状,易受环境的影响,传统的基于表型选择的育种手段效率不高。分子标记的发展及其在植物育种中的应用,为我们调查蓖麻的遗传多样性与遗传关系,并从分子水平上提高蓖麻产量和油含量提供了重要的技术条件,同时为我们了解蓖麻产量和油含量形成的分子基础提供了重要手段。  为了调查蓖麻种质间的遗传多样性和遗传演化,探索蓖麻油含量和产量相关性状的遗传基础,本研究开展了四方面的工作(1)调查蓖麻基因组SSR的特征,并开发了高效的EST-SSR分子标记;(2)利用开发的分子标记分析了蓖麻种质资源的遗传多样性与遗传关系,同时利用关联分析,检测与蓖麻油含量和产量相关的SSR位点;(3)开展蓖麻油脂基因核苷酸序列的多态分析,通过关联分析检测与蓖麻油含量关联的SNP位点;(4)分析PgiC和ITS序列的核苷酸变异,并根据单倍型分析,探索蓖麻的遗传演化规律。主要结果如下:  1.通过调查蓖麻基因组水平SSR分布特征,我们发现蓖麻具有较高频率的SSR位点,在此基础上我们开发了118个蓖麻EST-SSR分子标记,结果显示,我们开发的EST-SSR分子标记表现出中度基因多样性(He=0.41),根据这118个分子标记我们成功获得了分析的24个蓖麻种质的地理格局,发现它们分别分布于蓖麻的四个遗传多样性中心,这说明我们开发的蓖麻EST-SSR非常高效。  2.利用我们实验室总共开发的261个EST-SSR分子标记,我们检测到83个不同来源的蓖麻种质具有中等程度的遗传多样性(He=0.475),且这些蓖麻种质聚类成三支,各分支上没有明显的地理结构。同时我们利用关联分析的方法,在83个蓖麻种质资源群体中检测与蓖麻产量与油含量存在关联的SSR标记。根据STRUCTURE的群体结构分析,蓖麻群体可以分为两个亚群。采用MLM模型,我们检查到与蓖麻油含量相关的SSR位点11个,与产量(百粒重)相关的位点19个。  3.通过对15个蓖麻油脂基因(ACCase、KASⅠ、KASⅡ、KASⅢ、G3PAT、G3PDH、LPAAT、PAP、DGAT1、DGAT2、PDAT1、CPT、PDCE、Oleosion2)片段的SNP分析,我们检测到DGAT2,KASⅢ,ACCase,PDCE没有多态性,其他基因间的核苷酸多态性差异比较大,PDAT最低(0.00007),KASⅠ最高(0.00282),所有基因的平均核苷酸多态性为0.00121。经中性检测显示这些油脂基因都在中性选择范围内。根据这15个油脂基因,我们也发现这36个蓖麻材料间没有明显的地理结构,且油含量不是蓖麻演化的基础。  4.我们利用关联分析的方法,在36个蓖麻种质资源群体中鉴定与蓖麻油含量关联的油脂基因SNP位点。根据STRUCTURE的群体结构分析,蓖麻群体可以分为两个亚群。采用MLM模型,我们在CPT基因的外显子区检测到一个与油含量相关SNP位点。  5.我们通过对蓖麻PgiC和ITS序列的SNP分析,检测到PgiC和ITS的核苷酸多态性分别为0.00088和0.00558,变异水平较低。经中性检验发现PgiC和ITS都受到了定向选择作用。经PAML分析,我们在PgiC的编码区鉴别到11个受正选择作用的位点。根据PgiC和ITS的单倍型系统进化分析,发现PgiC基因在进化过程中演化成两个分支,而ITS序列在进化过程中演化成三个分支,各分支上蓖麻种质间没有地理结构,说明蓖麻不是单起源的,且由于人类引种原因,蓖麻种质间已没有明显的地理结构。  我们以上的研究结果为蓖麻的遗传育种提供了重要信息,也是蓖麻的起源演化研究的宝贵资料。
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