文档介绍：项目名称: 农作物杂种优势及其利用的分子生物学
基础
首席科学家: 孙其信中国农业大学
起止年限: 2004 年 6 月至 2006 年 8 月
依托部门: 农业部教育部
一、研究内容和课题设置
1、杂种优势的遗传学基础研究
(1) 农作物重要性状杂种优势基因及QTLs的定位:以强优势水稻、玉米杂交组合
的重组自交系、基因渗入系,强优势小麦、油菜杂交组合DH系及F2:3家系为材料,
采用RFLP、SSR、AFLP等分子标记构建高密度的遗传连锁图谱。进行多点试验,
评价这些组合重要生物学和农艺学性状的杂种优势。借助于分子标记遗传图谱,
精细定位决定农作物杂种优势的基因或QTL位点。分析这些位点的加性效应、显
性效应、上位效应,研究不同位点内和位点间的各种互作方式,以及杂种优势的
遗传效应。
(2) 农作物杂种优势比较基因组的研究:在定位杂种优势基因或 QTL 的基础上,
对不同作物决定杂种优势的基因或 QTL 位点进行比较研究、分析作物之间决定相
同性状杂种优势的基因位点是否存在共线性。同时,比较分析不同作物杂种优势
基因位点的互作方式及其遗传效应是否存在相似性。
2、杂种优势的功能基因组研究
(1)基因表达谱分析及强优势杂交种特异表达基因分离:选用高、中、低优势组
合,应用差异显示技术、SAGE、cDNA 芯片等技术在决定杂种优势形成的关键发
育时期进行杂种优势的基因表达分析,建立基因表达谱,鉴定出在强优势杂交种
及其亲本之间差异表达的基因。对强优势组合中特异表达的基因进行深入分析,
包括:它们在基因组中的位置及其与遗传分析中定位的控制杂种优势位点之对应
关系,它们的时、空表达模式以及它们的调控元件。
(2) 转录因子基因表达与杂种优势机理:用三条途径获得转录因子:1) 对强优
势特异表达的基因,找到其启动子序列,鉴定出与其结合的转录因子;2) 根据
国际上对水稻全基因组 DNA 测序的结果,分离在位置上与所定位的控制杂种优势
的 QTLs 相对应的转录因子。选择其中对应于效应较大QTLs 的转录因子作转基因
研究和配组分析它们对杂种优势的作用;3)根据植物已克隆转录因子基因的保
守序列设计特异引物,从杂种优势关键发育时期提取 mRNA,反转录成 cDNA 后进
行 PCR 扩增,获得转录因子基因片段并从该时期的 cDNA 文库中筛选全长 cDNA。
分离鉴定 MADS-BOX,Myb等转录因子基因家族基因,研究其表达模式与杂种优势
的关系。获得一批在杂种一代表达模式与亲本显著不同的转录因子。
(3) 赤霉素代谢调控与杂种优势机理:以两条途径集中研究赤霉素与苗期营养体
系建成的关系来探讨杂种优势形成的激素基础。第一条途径:1) 分析测定高、
中、低各种优势程度杂交组合 F1 幼苗中赤霉素活性型的含量,及其与生物量的
累积、杂种优势程度的关系;2) 高、中、低优势三类组合及亲本中赤霉素合成
途径上各种前体的测定及可能的限速因子的推测与确定;3) 定位、鉴定与分离
克隆赤霉生物合成有关基因。第二条途径为“基因推测”:从现有的文献数据库
中收集已知与赤霉素生物合成有关的基因,从水稻中分离、克隆、定位这些基因
的同源序列并作基因组定位,将与控制杂种优势 QTLs 在位置上有对应关系的基
因作为重点来分析其对杂种优势的作用。
(4) 碳素代谢基因差异表达与杂种优势机理:以玉米、水稻为材料,以苗期叶组
织与根组织为研究对象,揭示杂种一代亲本基因差异表达的类型。集中分离与克
隆杂种一代上调与下调显著的基因成员,对杂种一代表达明显改变的基因进行功
能分类。寻找与杂种干物重增加有关的基因成员,探讨这些基因差别表达与干物
重增加的关系。采用转基因技术使苹果酸脱氢酶基因超表达,抑制 2,6-二磷酸
果糖激酶基因表达,观察转基因的表型。将上述两种转基因植株杂交,观察杂种
一代的表型,通过实验观察影响代谢的基因在超表达和表达抑制时对表型的影
响。
3、提高杂种优势利用效率的新途径及其机理
(1) 细胞质雄性不育与育性恢复的分子生物学机理:分离、克隆水稻野败型、红
莲型细胞质雄性不育基因和玉米 S 组细胞质雄性不育基因。比较研究水稻不同细
胞质雄性不育基因分子结构及表达的异同;玉米 T,C,S,N 4 种胞质相关区域
的基因结构差异。利用同核异质细胞质雄性不育材料研究雄性不育基因在小孢子
发育时期的表达调控。利用重组自交系对水稻红莲型CMS 的育性恢复基因和玉米
S 组 CMS 育性恢复基因进行精确定位,构建恢复基因的物理图谱,分离和克隆恢
复基因。利用细胞质雄性不育育性恢复基因的近等基