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，是當前緩解能源危機，實施可持續(xù)發(fā)展最具前途的可再生資源。特別是近年來，隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，對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，就需要為社會提供足夠的優(yōu)質(zhì)木材纖維工業(yè)原料。但我國森林資源嚴重短缺，森林覆蓋率為20.36％，國內(nèi)所需木材大多依賴于國外進口，木材資源的戰(zhàn)略安全及林木育種工程面臨嚴峻挑戰(zhàn)；而林以種為本，種以質(zhì)為先，雜交育種雖為國家的速生豐產(chǎn)林建設提供了大批良種，但由于樹木高度雜合、育種周期長、異交體系等因素嚴重限制了林木的遺傳改良進程，目前林業(yè)生產(chǎn)中仍在使用一些老的品種，難以滿足當今社會對木材產(chǎn)量與質(zhì)量的需求。而解析影響森林生產(chǎn)力的遺傳機制是加速林木良種化進程的根本，為此，我校生物科學與技術學院張德強教授課題組依托國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)課題“木材品質(zhì)性狀的聯(lián)合遺傳學研究”，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)控機制為途徑的林木分子標記輔助育種研究工作。
該研究以我國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楊樹表達譜芯片、Realtime-PCR技術及生物信息學技術相結合的策略，選取在毛白楊木質(zhì)部中高豐度差異表達的150個關鍵酶基因及調(diào)控因子基因作為候選基因，開展了重測序與生物信息學分析。在此基礎上，從138個基因的不同區(qū)域內(nèi)（包括啟動子、5' UTR、Introns、Exons、和3' UTR）發(fā)現(xiàn)了544個基因內(nèi)微衛(wèi)星DNA標記（Genic SSR marker）。隨后，利用毛白楊自然群體進行了多態(tài)性SSR標記的篩選; 利用楊屬不同派間個體（以柳樹為類外群）進行了系統(tǒng)聚類分析及種間轉(zhuǎn)移性評價；利用大規(guī)模毛白楊雜交作圖群體進行了孟德爾遺傳分離檢測；利用毛白楊自然群體進行了候選基因內(nèi)SSR標記與木材品質(zhì)性狀的連鎖不平衡作圖。結果顯示基于功能基因開發(fā)的微衛(wèi)星標記在系統(tǒng)進化，連鎖圖譜構建，種間鑒定、關聯(lián)作圖等方面都有著重要的應用價值，為組合利用基于自然群體的關聯(lián)作圖及基于雜交群體的連鎖作圖奠定了基礎，進一步提出應利用種內(nèi)特異性SSR標記進行分子遺傳學研究的重要性。
在上述研究的基礎上，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)的對毛白楊纖維素合酶基因家族（PtoCesA gene family）內(nèi)的SSR標記進行了與生長及其木材品質(zhì)性狀的關聯(lián)分析，并利用了Real-time PCR技術等生物學手段對關聯(lián)結果進行了驗證，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，為創(chuàng)制速生、優(yōu)質(zhì)林木優(yōu)異種質(zhì)提供科學理論依據(jù)及高效技術體系。該實驗設計體系完整，作圖群體材料新穎且具有代表性，其統(tǒng)計方法及表型測定精確性高，為以后大規(guī)模開展林木關聯(lián)作圖研究提供了重要的參考價值。首先，我們利用重測序技術從毛白楊纖維素合酶基因家族內(nèi)開發(fā)出36個多態(tài)性SSR標記。其次，利用覆蓋我國黃河流域9個省區(qū)，大約1萬平方公里的毛白楊自然群體為研究材料，對該家族進行了連鎖不平衡水平檢測，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)確定了與生長及木材品質(zhì)性狀顯著關聯(lián)的15個單標記和9 個顯著單體型（Haplotypes）；并利用雜交作圖群體最終驗證出4個顯著關聯(lián)位點，而利用Real-time PCR技術同樣也檢測到影響基因mRNA顯著表達的2個功能性位點。這些功能性位點的確定為篩選優(yōu)異種質(zhì)提供了新的技術手段，是當前林木育種戰(zhàn)略實施的最前沿和發(fā)展趨勢。
上述研究結果近期先后在國際著名遺傳學及植物學雜志《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科的在讀博士研究生杜慶章，其通訊作者為該博士生的導師張德強教授。這是北京林業(yè)大學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域國內(nèi)領先，國際知名的地位，開創(chuàng)了林木分子標記輔助育種領域多基因多標記聯(lián)合關聯(lián)作圖的新時代。
《New Phytologist》是世界植物科學領域最古老的權威學術期刊之一，創(chuàng)刊于1902年，以發(fā)表植物學領域的原創(chuàng)性研究成果為主，內(nèi)容非常豐富，涵蓋了宏觀植物學和微觀植物學的多個方面。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)庫植物科學領域的199個期刊中排名第7。
《DNA Research》是遺傳學領域著名的學術期刊之一，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)庫遺傳學領域的157個期刊中排名第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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