栽培大豆黑河43号抗炸荚性形成的细胞学及遗传学的研究.docx

栽培大豆黑河43号抗炸荚性形成的细胞学及遗传学的研究.docx

《栽培大豆黑河43号抗炸荚性形成的细胞学及遗传学的研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《栽培大豆黑河43号抗炸荚性形成的细胞学及遗传学的研究.docx（47页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

栽培大豆黑河43号抗炸荚性形成的细胞学及遗传学的研究

目录

第一章绪论1

1.1研究目的与意义1

1.2国内外研究现状1

1.2.1大豆炸荚的概念1

1.2.2大豆抗炸荚性状的细胞生物学研究2

1.2.3大豆炸荚检测技术的发展4

1.2.4影响大豆炸荚的因素6

1.2.5大豆炸荚性状的QTL研究进展8

1.2.6目前存在的问题9

1.3主要研究内容与研究思路9

1.3.1主要研究内容9

1.3.2进度安排10

1.3.3技术路线10

第二章材料与方法12

2.1材料12

2.1.1原始材料12

2.1.2试验材料12

2.2方法12

2.2.1种植方法12

2.2.2抗炸荚细胞生物学结构观察方法12

2.2.3室内炸荚检测建立13

2.2.4炸荚性遗传规律试验方法13

2.2.5炸荚性状QTL分析14

第三章结果与分析16

3.1亲本炸荚性状的差异比较16

3.1.1亲本人工炸荚比较16

3.1.2亲本自然炸荚比较结果19

3.2室内检测炸荚方法的建立19

3.3抗炸荚细胞生物学结构观察结果20

3.3.1徒手切片观察结果20

3.3.2石蜡切片观察结果23

3.4黑河43号抗炸荚性的遗传分析23

3.4.1双亲SSR遗传差异比较23

3.4.2抗炸荚基因SHATTERING1-5测序比对29

3.5炸荚性状QTL初定位32

第四章结论与讨论33

4.1结论33

4.2讨论33

论文存在的问题及进一步工作34

参考文献35

第一章绪论

1.1研究目的与意义

炸荚性是野生大豆的一个典型特征（王金陵，1942），Harpe（1977）形象地把在特定时间从母株上降落的种子量称为种子雨，炸荚既是栽培大豆（GlycinemaxL.Merr）祖先种野生大豆（Glycinesoja）繁衍后代的一种自然属性，也与大豆生产关系密切。

炸荚现象是大豆产量损失的主要因素之一，大豆收获过早粮食不成熟减产，过晚会使大豆炸荚导致减量。

国外文献记载，早在1989印度学者Philbrook和Oplinger（1989）报道，在热带或亚热带地区，易炸荚大豆品种和中度炸荚大豆品种的产量损失可分别达57~175kg·hm-2和0~186kg·hm-2。

国内学者报道，中度炸荚品种的产量损失约为112.5kg·hm-2（张跃进，2006），可见大豆炸荚的不利性状对农业生产带来的损失十分严重。

采取切实可行的技术措施将大豆炸荚的不利影响降到最低是国内科研人员一直攻克的难题，因此，抗炸荚遗传规律研究对于明确该性状的进化与遗传改良具有重要意义。

我国对大豆的需求量持续攀升，到2013年我国大豆需求量达到7000多万t，因此，培育抗炸荚大豆品种，将大豆生产的田间损失控制在合理范围，也是间接提高大豆产量。

本研究利用典型材料黑河43号与黑河18号的后代建立研究群体，比较黑河43号与黑河18号荚部细胞生物学微观结构特点，总结黑河43号抗炸荚性状的细胞生物学特征。

建立室内炸荚性状的检测方法，为今后炸荚性状的研究提供科学有效的鉴定方法。

通过SSR分子标记技术，比较黑河43号与黑河18号的亲本的多态性，为今后抗炸荚性大豆育种提供科学依据。

利用建立的研究群体，初步对炸荚性状进行QTL遗传分析，为今后抗炸荚基因定位与克隆等相关研究提供科学依据。

1.2国内外研究现状

1.2.1大豆炸荚的概念

炸荚是大豆的一种自然属性，也是大豆生产中的一种不良现象，严重影响着大豆收获产量。

大豆豆荚是荚果的一种，大豆成熟的荚沿着荚的背缝线和腹缝线裂开，并且散出种子的现象称为炸荚（董钻，2000）。

荚果是由子房发育而来的果实，由通过背缝线和腹缝线相互连接的2个单心皮组成。

当荚果的水分含量相对较低时，荚的内生厚壁组织层细胞的张力不同，荚皮围绕着与内生后壁组织层的纤维方向平行的轴呈螺旋的扭转而卷曲，将连接背、腹缝线的薄壁组织拉裂，荚皮开裂（王连铮，2007），如图1-1。

不同大豆品种，其豆荚的形态特征也有着显著差异，炸荚与荚本身的组织结构有着密切联系，在自然或物理机械压力下，造成豆荚的某一位点开裂，因此观测大豆荚部的细胞学微观结构引起了研究者的关注。

注：

A.大豆R5时期豆荚；B.大豆R8时期荚部炸荚；C.大豆R6时期豆荚背缝线、腹缝线

图1-1大豆豆荚形态相关图片

国外对大豆炸荚性状的细胞生物学微观结构研究比较早，为研究大豆荚部细胞生物学微观结构特点提供了科学参考。

1.2.2大豆抗炸荚性状的细胞生物学研究

大豆抗炸荚的细胞生物学结构的研究始终围绕着豆荚形态特点、内部细胞结构特点、以及豆荚水分含量等相关因素展开。

国外学者Calson（1973）认为豆荚内部厚壁层的细胞水分丢失后产生的拉力是炸荚的直接原因；Tsuchiya（1987）研究大豆豆荚形状和大小与炸荚性之间的关系，发现抗性品种中豆荚厚度/豆荚宽度比易裂荚的品种大，其它因素（如豆荚长度、宽度、厚度、弯曲度、豆荚壁的厚度等）在二者间并无明显区别；Tiwari和Bhatia（1995）对荚的结构特征进行研究，提出3个解剖特征可为抗炸荚性品种的选择标准提供参考，如图1-2，发现荚背部的包帽的厚度和长度及荚壁厚度与炸荚程度呈显著负相关；Christiansen等（2002）发现在大豆豆荚的背部和腹部的缝合线横切面存在裂荚区（dehiscencezone），与十字花科裂荚区在功能上相似，参考图1-2。

注：

D：

大豆背缝线横切面；E：

大豆腹缝线横切面；F：

大豆荚部荚皮横切面

图1-2大豆荚部相关切片

Summers等（2003）提出抗裂荚能力很可能与荚皮结构或裂荚区域相关而不是与荚的大小相关。

杨东等（2014）进一步揭秘了大豆炸荚的控制过程，证实了抗炸荚基因控制着大豆木质化纤维细胞的形成，在栽培大豆中，促使大豆荚部腹缝线维管束部位离层细胞的数量及厚度二次积累，防止大豆炸荚。

利用半薄切片技术观察大豆荚部炸裂区腹缝线处如图1-3，这一结论的提出，再次证明了大豆荚部是存在炸裂区。

同时还提出炸荚的野生大豆与抗炸荚的栽培大豆荚部腹缝线处的细胞构成是没有明显区别，总结了豆荚腹缝线维管束开裂是炸荚发生的开始部位。

综上所述，大豆炸荚性与豆荚的形态学特征并没有明显的相关性，但细胞组织结构特征对大豆炸荚性有明显的作用。

引起这些组织结构变化的因素，还有待进一步研究验证。

注：

上部是描述图，下图是半薄切片食物图；右侧是栽培大豆，左侧是野生大豆

图1-3腹缝线炸裂区描述与半薄切片图

1.2.3大豆炸荚检测技术的发展

选育抗炸荚品种是解决大豆生产中炸荚带来损失的有效途径，国内外学者在大豆炸荚性试验中摸索出多种研究大豆炸荚试验的检测指标与检测技术。

1.2.3.1大豆炸荚检测指标

（1）炸荚率

炸荚率是大豆炸荚表型鉴定主要判断依据，大豆炸荚率为已炸荚数×100/总荚数（彭玉华等，1991）。

目前室内检测炸荚与田间检测炸荚标准不一。

室内检测大豆炸荚在R8时期95％豆荚已达到生理成熟，并用纸袋（5cm×10cm×20cm）摘取，将纸袋放置在温度与水分含量恒定的室内10天。

然后进行烘干，温度设置80℃持续12t。

将炸荚率百分比并根据敏感程度分为1-5级，其中，炸荚率为0％为1级（高抗炸荚），炸荚率在0-10％之间为2级（抗炸荚），炸荚率在11-25％之间为3级（中抗炸荚），炸荚率在26-50％之间为4级（中度炸荚），炸荚率在50％以上为5级（重度炸荚）（Gazzoni，1994）。

马赛斐等，（2006）利用炸荚率这个指标，将大豆田间成熟后10天炸荚率分为6级，其中0级（不炸荚），Ⅰ级（0%～1%），Ⅱ级（1%～5%）；Ⅲ级（5%～10%）；Ⅳ级（10%～30%）；Ⅴ级（大于30%）。

无论是室内检测大豆炸荚还是田间调查法研究大豆炸荚性状，炸荚率都是首选检测指标。

（2）荚皮厚度

随着生物学显微镜技术的发展，细胞生物学的微观结构呈现在人们眼中，研究大豆荚部微观结构特点与大豆炸荚性状联系到一起。

资料研究表明，荚皮厚度与大豆炸荚程度呈显著负相关。

Tiwari和Bhatia（1995）对荚的结构特征进行研究，提出3个解剖特征可为抗炸荚性品种的选择标准提供参考，发现荚背部的包帽的厚度和长度及荚壁厚度与炸荚程度呈显著负相关。

其中的荚皮厚正是大豆荚部微观结构中最直接观察的部分，所以利用显微镜微观视野观察不同时期大豆荚皮厚度，通过荚皮厚度比较结果，结合田间炸荚性状分析荚皮厚度对大豆炸荚的影响，目前这一结论报道较少，有待进一步进行验证。

（3）荚缝合线炸裂区

Christiansen等（2002）最早提出大豆背部和腹部的缝合线横切面存在裂荚区。

Summers等（2003）提出抗裂荚能力很可能与荚皮结构或裂荚区域相关而不是与荚的大小相关。

大豆荚部炸裂区的发现，给研究者提供了一个新的研究思路。

我国杨东等（2014）在NatureCommunications发布一篇文章进一步揭秘了大豆炸荚的控制过程，在栽培大豆中，抗炸荚基因NAC促使大豆荚部腹缝线维管束部位离层细胞的二次增厚，防止大豆炸荚。

这一结论的提出，再次证明了大豆荚部是存在炸裂区。

如果能够准确把握这一区域的细胞增厚结构特点，炸裂区完全可以作为大豆抗炸荚育种的微观检测指标。

1.2.3.2大豆炸荚检测方法

（1）田间筛选调查法

国内外学者在进行大豆炸荚性研究的初始阶段大多采用这种方法，其主要调查内容为在设定的试验区内调查大豆植株的炸荚数，依据总炸荚数或某个阶段的炸荚数测定大豆炸荚程度。

彭玉华等（1991）利用田间筛选调查法成功对黄淮流域的30个大豆品种（系）的炸荚性进行了观察。

根据不同品种（系）炸荚性的动态变化，可将炸荚性分为单峰型、单峰延迟型、双峰型和双峰提高型4个类型，其中单峰型是主要的，双峰型对大豆产童威胁最大，特别是双峰提高型。

马赛斐等（2006）利用田间筛选调查法对黄淮流域32个大豆品种进行的32天跟踪调查，初步明确了大豆炸荚规律，表明品种之间总炸荚率在成熟后10d炸荚率存在明显差异。

田间筛选调查方法直观性强，但受到生长环境中不可控制的外在因素的影响较多，结果的可靠性和精确性较差，只能对炸荚性状差异大的品种进行粗略研究分析。

目前国内大豆品种选育过程中，田间筛选调查法依然是抗炸荚品种选育的重要方法。

（2）实验室干燥检测法

干燥法是实验室研究大豆炸荚性主要方法，主要分为玻璃干燥器法、烘箱干燥法。

玻璃干燥法是将大豆荚放置在玻璃干燥器内，经过不同时间段的干燥后，荚的水分含量下降，测定炸荚数量。

烘箱干燥法是利用烘箱对荚部进行烘干，设定烘箱的温度与持续时间，将测定材料根据炸荚情况分为敏感炸荚型和抗炸荚型。

Tsuchiya等（1997）探索利用烘箱干燥法，将荚放置在烘箱40℃下干燥24h，60℃下干燥7h或者80℃下干燥5h，通过炸荚数测定大豆的炸荚程度。

另外，Jutamas等（2006）在前人基础上调整了烘箱干燥法的温度与时间，测定了炸荚的水分含量。

他利用16个日本大豆品种和25个泰国品种同时用玻璃干燥器法和烘干箱法进行炸荚性检测，放入玻璃干燥器分别3，5，7，14，21，28和35天（玻璃干燥器法）；同时放入烘干箱中，温度设置在60℃下，分别经过2h，4h和7h后（烘箱干燥法）。

根据豆荚开裂程度，将品种分为敏感炸荚型群体和抗炸荚型群体。

通过试验干燥器与烘箱干燥的方法测得豆荚炸开程度几乎相同，不炸荚的水分含量总是高于裂荚。

放置14天在干燥器（干燥器法）或在烘箱设置在60℃下进行7h的（烘箱干燥法）方法均有效，可以用于炸荚性检测。

Tukamuhabwa等（2002）利用烘箱80℃处理后，持续12小时，成功进行两年炸荚的遗传规律分析。

干燥法实现了室内对大豆炸荚程度测定，但也仅停滞在定量测定，未能深层次地挖掘生理结构的差异，受人为取样影响，不能形成通用的检查方法。