基于前向选择的青海云杉种子园自由授粉子代优良单株遗传评价研究

Shortening the breeding cycle and evaluating breeding parents are the core research contents of coniferous genetic improvement. The BWB breeding strategy avoided the stage of controlling pollination and progeny test, effectively shortened the breeding cycle, and provided the direction for the construction of the high generation seed orchard. But at present, the BWB breeding strategy only used on backward selection of parents in the seed orchard for genetic evaluation, while forward selection of the plus tree from open pollinated progeny only by phenotype evaluation method, which result in genetic gain of the high generation seed orchard constructed with open pollination progeny is not clear and it is difficult to evaluate the effects of genetic improvement. In this study, we use the open pollinated progeny from seed orchard of Qinghai spruce the special tree species in Qilian mountain area as material; based on developing the specific SSR molecular marker for Qinghai spruce, reconstruct full sib pedigree between the first generation clonings and the selected progeny plus tree; estimate the breeding value of the first generation seed orchard clone and construct a regression model between SSR marker and the breeding value of Qinghai spruce object characters; genetic evaluate the breeding parents of the second generation and the seed orchard constructed with those. Results of this research can clarify the genetic gain level of the seed orchard constructed with the pollination progeny, and complements and perfected the BWB breeding strategy applied to forward selection breeding parents, also provides a demonstration for the construction of the high generation seed orchard of the low genetic improvement level coniferous tree.

缩短育种周期和评价育种亲本是针叶树遗传改良的核心研究内容。BWB育种策略避开了人工控制授粉及子代测定阶段，有效缩短了育种周期，为高世代种子园营建提供了方向。但目前的BWB育种策略只能对后向选择的种子园亲本进行遗传评价，而前向选择的自由授粉子代只能开展表型选择，导致利用自由授粉子代营建高世代种子园的遗传增益不明确，遗传改良效果难以评价。本研究以祁连山区特有树种青海云杉的种子园自由授粉子代为材料，在开发青海云杉特异SSR分子标记基础上，重建云杉第1代种子园无性系与筛选子代优树间的全同胞家系谱系，估算种子园第1代无性系育种值，构建SSR标记与青海云杉目标性状育种值间的回归模型，遗传评价青海云杉第2代育种亲本和营建第2代种子园遗传增益。研究结果可明确自由授粉子代营建种子园的遗传增益水平，补充完善BWB应用于前向选择育种亲本的遗传评价策略，为低遗传改良水平针叶树树高世代种子园营建提供示范。

针对青海云杉育种周期长且分子生物学研究基础薄弱的现实问题。本研究筛选出了青海云杉无性系种子园的优良家系；开发了青海云杉全基因组上分布的SNP分子标记；开展了青海云杉重要性状全基因组关联分析，获得了相关候选基因；建立并优化了青海云杉SSR-PCR反应体系，筛选出10对适用于青海云杉的有效引物，并揭示了无性系间的亲缘关系。主要研究结果如下：(1)运用布雷金多性状综合评定法筛选出7个在15和20年生时均表现良好的优良家系，他们分别是49号、51号、60号、64号、108号、123号、132号家系，这些优良的家系在20年生时的平均树高、当年高生长量、地径和冠幅分别为209.40、20.71、6.33和141.87cm，平均遗传增益分别为14.12%、2.07%、8.01%和10.42%。(2)通过SLAF-seq技术，开发了全基因组水平分布的高质量SNP标记。共开发了4058883个SLAF标签，其中多态性SLAF标签有1573899个，标签的平均测序深度为21.21x，共开发了12275765个SNP标记。(3)基于开发的SNP标记，与17个材性性状和7个针叶性状进行了全基因组关联分析。利用GLM，共得到84个与生长轮宽度、晚材宽度、晚材管胞长度、晚材管胞壁腔比、晚材管胞长宽比、晚材管胞腔径比、针叶鲜重、针叶干重和针叶厚度显著关联的SNP分子标记（P＜1.11E-07）并且获得7个相关候选基因。基于开发的SNP标记，与4个生长性状育种值进行了全基因组关联分析。利用GLM，与生长性状育种值显著关联的SNP标记检测到111个（P＜1.06E-07）；利用MLM，与生长性状育种值显著关联的SNP标记检测到18个（P＜9.88E-08）。总共有18个SNP标记在GLM和MLM中均被检测到，并且获得10个相关候选基因。(4)采用正交试验设计和单因素分析方法，建立并优化了青海云杉的SSR-PCR 反应体系，并且利用已建立的反应体系，从60对挪威云杉的SSR引物中筛选出来10对适用于青海云杉的有效引物。同时，实验还表明了SSR标记在云杉属有较好的种间通用性。本研究深化了对青海云杉的认识，奠定了分子辅助选择育种基础。以上研究结果对青海云杉种子园去劣疏伐以及高世代种子园的建设、分子标记辅助选择等后续研究具有重要的指导意义。