森林作為最重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)，為人類生存提供了約80%的纖維質(zhì)生物量，是當(dāng)前緩解能源危機(jī)，實(shí)施可持續(xù)發(fā)展最具前途的可再生資源。特別是近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，對(duì)木材和紙張的需求量及其質(zhì)量的要求越來越高。為滿足這一要求，就需要為社會(huì)提供足夠的優(yōu)質(zhì)木材纖維工業(yè)原料。但我國(guó)森林資源嚴(yán)重短缺，森林覆蓋率為20.36％，國(guó)內(nèi)所需木材大多依賴于國(guó)外進(jìn)口，木材資源的戰(zhàn)略安全及林木育種工程面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)；而林以種為本，種以質(zhì)為先，雜交育種雖為國(guó)家的速生豐產(chǎn)林建設(shè)提供了大批良種，但由于樹木高度雜合、育種周期長(zhǎng)、異交體系等因素嚴(yán)重限制了林木的遺傳改良進(jìn)程，目前林業(yè)生產(chǎn)中仍在使用一些老的品種，難以滿足當(dāng)今社會(huì)對(duì)木材產(chǎn)量與質(zhì)量的需求。而解析影響森林生產(chǎn)力的遺傳機(jī)制是加速林木良種化進(jìn)程的根本，為此，我校生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院張德強(qiáng)教授課題組依托國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)課題“木材品質(zhì)性狀的聯(lián)合遺傳學(xué)研究”，首次系統(tǒng)開展了以改良木材品質(zhì)及產(chǎn)量為目的，解析木材形成的遺傳調(diào)控機(jī)制為途徑的林木分子標(biāo)記輔助育種研究工作。
該研究以我國(guó)北方重要的用材樹種毛白楊的自然與雜交群體為材料，首先基于Affymetrix楊樹表達(dá)譜芯片、Realtime-PCR技術(shù)及生物信息學(xué)技術(shù)相結(jié)合的策略，選取在毛白楊木質(zhì)部中高豐度差異表達(dá)的150個(gè)關(guān)鍵酶基因及調(diào)控因子基因作為候選基因，開展了重測(cè)序與生物信息學(xué)分析。在此基礎(chǔ)上，從138個(gè)基因的不同區(qū)域內(nèi)（包括啟動(dòng)子、5' UTR、Introns、Exons、和3' UTR）發(fā)現(xiàn)了544個(gè)基因內(nèi)微衛(wèi)星DNA標(biāo)記（Genic SSR marker）。隨后，利用毛白楊自然群體進(jìn)行了多態(tài)性SSR標(biāo)記的篩選; 利用楊屬不同派間個(gè)體（以柳樹為類外群）進(jìn)行了系統(tǒng)聚類分析及種間轉(zhuǎn)移性評(píng)價(jià)；利用大規(guī)模毛白楊雜交作圖群體進(jìn)行了孟德爾遺傳分離檢測(cè)；利用毛白楊自然群體進(jìn)行了候選基因內(nèi)SSR標(biāo)記與木材品質(zhì)性狀的連鎖不平衡作圖。結(jié)果顯示基于功能基因開發(fā)的微衛(wèi)星標(biāo)記在系統(tǒng)進(jìn)化，連鎖圖譜構(gòu)建，種間鑒定、關(guān)聯(lián)作圖等方面都有著重要的應(yīng)用價(jià)值，為組合利用基于自然群體的關(guān)聯(lián)作圖及基于雜交群體的連鎖作圖奠定了基礎(chǔ)，進(jìn)一步提出應(yīng)利用種內(nèi)特異性SSR標(biāo)記進(jìn)行分子遺傳學(xué)研究的重要性。
在上述研究的基礎(chǔ)上，我們組合利用連鎖-連鎖不平衡（Linkage-Linkage disequilibrium）作圖策略，首次系統(tǒng)的對(duì)毛白楊纖維素合酶基因家族（PtoCesA gene family）內(nèi)的SSR標(biāo)記進(jìn)行了與生長(zhǎng)及其木材品質(zhì)性狀的關(guān)聯(lián)分析，并利用了Real-time PCR技術(shù)等生物學(xué)手段對(duì)關(guān)聯(lián)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，最終確定了與樹木木材品質(zhì)性狀顯著連鎖的PtoCesA內(nèi)的功能SSR位點(diǎn)，為創(chuàng)制速生、優(yōu)質(zhì)林木優(yōu)異種質(zhì)提供科學(xué)理論依據(jù)及高效技術(shù)體系。該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)體系完整，作圖群體材料新穎且具有代表性，其統(tǒng)計(jì)方法及表型測(cè)定精確性高，為以后大規(guī)模開展林木關(guān)聯(lián)作圖研究提供了重要的參考價(jià)值。首先，我們利用重測(cè)序技術(shù)從毛白楊纖維素合酶基因家族內(nèi)開發(fā)出36個(gè)多態(tài)性SSR標(biāo)記。其次，利用覆蓋我國(guó)黃河流域9個(gè)省區(qū)，大約1萬平方公里的毛白楊自然群體為研究材料，對(duì)該家族進(jìn)行了連鎖不平衡水平檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其水平在其基因內(nèi)部已衰退至不明顯，這為我們選擇基于候選基因的關(guān)聯(lián)作圖方法提供了理論支持。隨后，我們利用混合線性模型(Q+K model)確定了與生長(zhǎng)及木材品質(zhì)性狀顯著關(guān)聯(lián)的15個(gè)單標(biāo)記和9 個(gè)顯著單體型（Haplotypes）；并利用雜交作圖群體最終驗(yàn)證出4個(gè)顯著關(guān)聯(lián)位點(diǎn)，而利用Real-time PCR技術(shù)同樣也檢測(cè)到影響基因mRNA顯著表達(dá)的2個(gè)功能性位點(diǎn)。這些功能性位點(diǎn)的確定為篩選優(yōu)異種質(zhì)提供了新的技術(shù)手段，是當(dāng)前林木育種戰(zhàn)略實(shí)施的最前沿和發(fā)展趨勢(shì)。
上述研究結(jié)果近期先后在國(guó)際著名遺傳學(xué)及植物學(xué)雜志《DNA Research》和《New Phytologist》以研究論文的形式發(fā)表，這兩篇文章的第一作者是林木育種學(xué)科的在讀博士研究生杜慶章，其通訊作者為該博士生的導(dǎo)師張德強(qiáng)教授。這是北京林業(yè)大學(xué)首次作為第一單位在《DNA Research》和《New Phytologist》上發(fā)表原創(chuàng)性成果，鞏固了我校在林木遺傳育種領(lǐng)域國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，國(guó)際知名的地位，開創(chuàng)了林木分子標(biāo)記輔助育種領(lǐng)域多基因多標(biāo)記聯(lián)合關(guān)聯(lián)作圖的新時(shí)代。
《New Phytologist》是世界植物科學(xué)領(lǐng)域最古老的權(quán)威學(xué)術(shù)期刊之一，創(chuàng)刊于1902年，以發(fā)表植物學(xué)領(lǐng)域的原創(chuàng)性研究成果為主，內(nèi)容非常豐富，涵蓋了宏觀植物學(xué)和微觀植物學(xué)的多個(gè)方面。該刊5年平均影響因子為6.620，2011年的影響因子為6.645，在SCI數(shù)據(jù)庫植物科學(xué)領(lǐng)域的199個(gè)期刊中排名第7。
《DNA Research》是遺傳學(xué)領(lǐng)域著名的學(xué)術(shù)期刊之一，創(chuàng)刊于1994年，以發(fā)表最高質(zhì)量的DNA及基因組相關(guān)方向的原創(chuàng)性研究成果為主，該刊5年平均影響因子為5.276，2011年的影響因子為5.164，在SCI數(shù)據(jù)庫遺傳學(xué)領(lǐng)域的157個(gè)期刊中排名第20。
兩篇論文的鏈接為：
《DNA Research》：http://dnaresearch.oxfordjournals.org/content/early/2012/12/03/dnares.dss031.full
《New Phytologist》：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.12072/pdf
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