检索结果-内蒙古大学图书馆

江苏农业科学 2022年第12期50卷 201-211页

作者：赵欢王璟璐张颖廖生进杜建军郭新宇赵春江华中农业大学湖北武汉4300701 北京市农林科学院信息技术研究中心北京100097 国家农业信息化工程技术研究中心北京100097 数字植物北京市重点实验室北京100097

针对玉米自交系茎秆不同节位形态特征差异大、维管束分布不同等特点,利用Micro-CT扫描技术及基于区带的维管束表型解析方法,对茎秆基部第3节、穗位节、顶位节节间进行显微图像获取,实现茎秆不同节间横切面、表皮区、周皮区、髓区、维管... 详细信息

针对玉米自交系茎秆不同节位形态特征差异大、维管束分布不同等特点,利用Micro-CT扫描技术及基于区带的维管束表型解析方法,对茎秆基部第3节、穗位节、顶位节节间进行显微图像获取,实现茎秆不同节间横切面、表皮区、周皮区、髓区、维管束相关表型的精准解析。研究结果表明,基于区带的维管束表型解析方法适用于茎秆不同节间维管束表型解析,可获得表征茎秆节间组织和维管束形态、几何性状、分布等共47项指标,获取效率高达20 s/张图像。同传统方法相比,基于区带的维管束表型解析方法效率高、通量大,且可获取的表型指标类型多。描述性统计分析结果显示,同茎秆横切面长轴长等传统指标相比,基于区带的维管束表型解析方法获取的功能区表型指标变异系数较大,能更好地反映出不同节间、不同自交系间的差异;且在不同自交系间,基部第3节的周皮区维管束数量(P=7.79×10^(-29))和穗位节的周皮区维管束面积占比(P=1.79×10^(-26))差异最显著。此外,从基部到顶部,表征横切面及各功能区几何、形态性状以及维管束数量、面积相关的表型指标呈依次减小的趋势;表征维管束分布的表型指标呈依次增加的趋势;功能区面积占比分布趋势不同,其中周皮区面积占比在基部节间最大,髓区面积占比在穗位节最大,表皮区面积占比在顶位节最大。本研究实现了玉米自交系茎秆不同节间维管束表型的高通量获取与精准解析,初步揭示了表型指标在不同节间的分布趋势,可为后期茎秆表型遗传解析和性状定向改良提供参考。

关键词：玉米茎秆 Micro-CT 区带维管束表型高通量获取精准解析

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玉米果穗柄维管束表型精准解析及全基因组关联分析

玉米果穗柄维管束表型精准解析及全基因组关联分析

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作者：周国靓聊城大学

学位级别：硕士

玉米产量与源库密切相关,丰富的“源”-“库”和高效的流量是玉米产量的最佳条件。果穗柄是由茎秆穗位节叶腋中的雌穗基部分化发育形成,是连接茎与果穗的分支茎,是由“源”到“库”的最后一步,是重要的“流”器官,其显微表型特征和遗传... 详细信息

玉米产量与源库密切相关,丰富的“源”-“库”和高效的流量是玉米产量的最佳条件。果穗柄是由茎秆穗位节叶腋中的雌穗基部分化发育形成,是连接茎与果穗的分支茎,是由“源”到“库”的最后一步,是重要的“流”器官,其显微表型特征和遗传解析研究对促进高产优质玉米新品种培育具有重要意义。本研究基于Micro-CT的玉米扫描技术体系获取果穗柄CT图像分辨率可达13.5μm,利用自主研发的玉米维管束表型智能解析软件实现果穗柄横切面相关、表皮区、周皮区、髓区及维管束5大类36项显微表型指标的精准解析。以玉米关联分析群体为试验材料,基于北京和三亚两地两年的表型数据,系统分析果穗柄维管束性状在不同亚群中的表型变异,对36项表型指标进行最优线性无偏估计值(BLUP),并将其作为最终的表型值,进行全基因组关联分析,筛选调控果穗柄显微性状的候选基因。主要研究结果如下:(1)通过系统获取果穗柄的显微表型,发现果穗柄横切面的形态差异较变化较大,根据形状特点可分为近圆形、月牙形、钟形、马蹄形和不规则形5大类。果穗柄中含有大量维管束,维管束在果穗柄外周紧密排列,由外向内,维管束的密度逐渐降低,单个维管束面积逐渐变大。36项表型性状在关联分析群体中的频率分布呈连续变异,表明果穗柄的显微表型为典型的多基因控制的数量性状。以皮尔森相关性系数作为距离度量,采用分层聚类方法对36项表型性状进行相关性分析,并将其分类为三组,一组主要反映了维管束的分布性质,包含3项表型参数。将果穗柄横截面和功能区的几何形态特征、维管束总数和面积特征归为二组,包含19个表型参数。三组由剩下的表型组成,包含14项表型参数。(2)玉米关联分析群体亚群间,果穗柄髓区面积(IZ＿A)和髓区维管束(IZ＿VB＿A)表型变异范围最大。此外,通过邓肯检验发现,NSS亚群的果穗柄截面积(SZ＿A)显著高于SS、Mixed和TST亚群,且NSS亚群的髓区面积(IZ＿A)、髓区厚度(IZ＿T)明显高于其他亚群。同时,NSS亚群的维管束总数目(VB＿N)和髓区维管束数目(IZ＿VB＿N)均高于SS、Mixed和TST亚群,且NSS亚群的维管束总面积(VB＿A)明显高于SS亚群。相反,维管束密度(VB＿D)、髓区维管束密度(IZ＿VB＿D)、周皮区维管束密度(PZ＿VB＿D)在SS亚群中较低。(3)计算36项果穗柄维管束表型性状的遗传力,36项表型参数表现出不同的遗传模式,基于两地两点计算遗传力大小为0.22～0.65。发现30项性状的遗传力>0.3,表明果穗柄显微性状的变异在很大程度上受遗传因素的控制。(4)以北京和三亚两地点数据计算的BLUP值作为最终表型值,利用全基因组关联分析(GWAS),鉴定到调控30项果穗柄显微表型性状的1245个显著SNPs位点,筛选到调控维管束数目(VB＿N)、维管束总面积(VB＿A)、维管束平均周长(VB＿PAVE)等30项性状的199个特异候选基因。通过NCBI Gene数据库对199个特异的候选基因进一步基因功能信息注释发现,候选基因属于木质素代谢调控酶、纤维素合成酶、转录因子、蛋白激酶和与植物信号传导和应激反应等相关基因。(5)对具有详细注释的候选基因进行功能富集分析,共富集到20个通路(P<0.05),主要包括次生代谢物生物合成、代谢途径、ABC转运蛋白和类固醇生物合成等;60个GO项(P<0.05),主要包括葡聚糖代谢与合成过程、生长素代谢与合成过程、细胞碳水化代谢与和合成过程以及光周期调节与开花等。本研究将提高我们对玉米果穗柄表型性状的系统精准鉴定;为玉米穗柄维管束功能基因的高通量筛选,并为分子辅助育种改良果穗柄维管束表型性状提供理论依据。

关键词：玉米果穗柄维管束表型全基因组关联分析

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基于Micro-CT的玉米穗位节间维管束表型精准鉴定及全基因组关联分析

基于Micro-CT的玉米穗位节间维管束表型精准鉴定及全基因组关联分...

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作者：赵欢华中农业大学

学位级别：硕士

作物茎秆维管束作为“流”的重要载体,在光合产物运输和产量形成中发挥着重要作用。玉米穗位节间是指最大果穗着生节和节间,与果穗和穗位叶直接相连,其维管束显微表型的精准鉴定和遗传解析对于优良性状鉴定、高产优质品种选育具有重要... 详细信息

作物茎秆维管束作为“流”的重要载体,在光合产物运输和产量形成中发挥着重要作用。玉米穗位节间是指最大果穗着生节和节间,与果穗和穗位叶直接相连,其维管束显微表型的精准鉴定和遗传解析对于优良性状鉴定、高产优质品种选育具有重要意义。受限于观测手段和研究尺度,目前尚无系统、全面的有关玉米穗位节间显微表型获取及维管束遗传机制的研究。本研究以495份自交系构成的玉米关联分析群体为材料,利用Micro-CT扫描技术和基于深度学习的茎秆维管束表型解析方法系统获取并解析穗位节间茎秆、区带、维管束等多尺度表型信息;通过描述性统计、遗传力分析、相关分析及层次聚类分析进行表型的精准鉴定和综合评价;利用差异分析研究玉米关联分析群体不同亚群间的表型差异;结合全基因组关联分析挖掘调控穗位节间维管束显微表型的候选基因。主要研究结果如下:1、采用Micro-CT扫描技术获取穗位节间显微图像,分辨率可达13.55μm。基于“区带”的维管束表型解析方法适用于玉米穗位节间Micro-CT图像解析,不仅可以实现穗位节间横切面表皮区、周皮区和髓区不同功能区的精准分割,还可以自动解析表征穗位节间组织和维管束形态、几何、分布等47项指标,获取效率高达20sec/图像。同传统方法相比,基于“区带”的维管束表型解析方法效率高、通量大,且可获取的表型指标类型多,为开展玉米大群体穗位节间维管束表型精准鉴定奠定基础。2、通过系统获取495份玉米自交系的穗位节间图像发现,穗位节间横切面主要呈现月牙形或弓形。基于显微图像获取的47项表型指标在玉米关联分析群体的频率分布呈连续变异,表明穗位节间维管束相关表型为典型的数量性状。描述性统计显示,穗位节间47项表型指标的变异系数分布在0.36%-29.19%,其中42项表型指标的变异系数大于8%,表明玉米关联分析群体的穗位节间显微表型存在广泛的表型变异。差异分析结果显示,髓区类和周皮区类表型在TST、SS和NSS亚群间差异显著,尤其是周皮区维管束数目占比,表明功能区表型在玉米关联分析群体亚群间也存在丰富的表型变异。计算47项穗位节间显微表型的广义遗传力,遗传力大小范围为0.16-0.87,其中30项显微表型的遗传力大于0.70,表明玉米关联分析群体穗位节间的显微表型变异很大程度上受遗传因素的控制。最终,根据表型分析结果筛选出遗传力大于0.70的30项性状作为穗位节间的关键表型指标。3、以皮尔逊相关系数作为距离度量,采用层次聚类方法可将30项指标分为4组:Ⅰ组包括5项表型指标,主要表征穗位节间维管束分布特征及维管束与所在区带的面积占比;Ⅱ组包含17项表型指标,主要表征穗位节间横切面及髓区的形态、几何特征和维管束数目、面积;Ⅲ组包括6项表型指标;主要表征穗位节间维管束几何形态特征;Ⅳ组由其余2项表型指标组成,分别是单个维管束面积比和横切面凸包面积比。4、使用783,469个SNPs开展全基因组关联分析,鉴定到4,225个与穗位节间30项性状相关的显著SNPs,注释到416个具有详细功能注释的候选基因,其中349个候选基因为单性状特有,67个候选基因为多性状共享;调控第Ⅰ、Ⅱ组中功能区维管束相关性状的候选基因主要编码参与植物细胞壁代谢的酶、转录因子和蛋白激酶,部分编码糖转运蛋白。5、对416个候选基因进行通路富集分析,结果显示这些候选基因主要涉及有机物运输、组织发育、L-抗坏血酸代谢过程、氨基多糖分解代谢过程、几丁质代谢过程等生物学过程。本研究将实现大群体玉米穗位节间的表型特征分析以及调控维管束遗传机制的研究,可为研究人员提供丰富的玉米穗位节表型参数和遗传学研究结果,提高人们对穗位节间显微表型的认知,同时也为后续定向改良玉米穗位节间维管束、培育高产优质的玉米品种提供理论支撑。

关键词：玉米穗位节间 Micro-CT 维管束表型全基因组关联分析

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