小麦抽穗期全基因组关联分析及调控基因的鉴定与功能研究

发布时间：2020-04-11 03:11

【摘要】：抽穗期是小麦生长发育过程中的一个重要阶段,是决定小麦生态适应性最重要的指标之一。春化和光周期基因是影响小麦抽穗期的主要基因,但此外还存在着对抽穗期有重要影响的其它基因。本研究以163份黄淮海麦区种质资源(主栽品种和高代品系)、205份来自全国的重要种质资源和两个高代重组自交系(UC 1110×PI610750和Proteo×Chaja)为主要材料,采用全基因组关联分析(GWAS)与QTL连锁分析等手段,结合同源克隆、荧光定量PCR和转基因等技术,对抽穗期新基因位点进行挖掘,并对春化和光周期等位基因进行鉴定与分析,主要结果如下:1.利用90K SNP芯片对关联群体在13个环境下对抽穗期和开花期进行了全基因组关联分析,检测到306个与抽穗期和开花期相关的SNP位点,主要分布在2A、2B、2D、5A、5B、6A、6D、7A和7B染色体。结果表明有13个稳定性较好和显著性较高的SNP位点,并对其进行功能预测分析,结果显示有10个SNP位点注释到与转运蛋白、抗病蛋白以及细胞色素等相关。2.通过春化基因的多态性鉴定,在Vrn-D1位点发现一个新的等位基因,将其命名为Vrn-D1c。与隐性等位基因vrn-D1相比,Vrn-D1c在启动子区域有175 bp碱基的插入。启动子功能预测分析表明,插入序列中有5个顺式作用元件(BoxII-like、3-AF1结合位点、TC重复序列、Box-W1和CAT-box),推测其对Vrn-D1c基因功能有重要影响。对参试材料的抽穗期调查结果显示,含有显性等位基因Vrn-D1c的材料其抽穗期显著早于隐性等位基因材料。荧光定量结果表明,Vrn-D1c基因表达量显著高于vrn-D1,表明175 bp碱基的插入引起基因上调表达进而缩短了小麦的抽穗期和开花期。3.对4个春化位点(vrn-A1、vrn-B1、vrn-D1和vrn-B3)进行多态性分析,共鉴定出13种等位基因(vrn-A1、Vrn-A1a、Vrn-A1b、vrn-B1、Vrn-B1a、Vrn-B1b、vrn-D1、Vrn-D1a、Vrn-D1b、Vrn-D1c、vrn-D3、Vrn-D3a和Vrn-D3b),在这些位点隐性等位基因的分布频率最高。这四个春化基因位点在所有参试材料中共形成19种等位基因组合,其中基因组合vrn-A1/vrn-B1/vrn-D1/vrn-B3的频率最高,占43.9%,且含有该等位基因组合的小麦抽穗期和开花期较长。4.对光周期基因的鉴定结果表明,Ppd-D1位点在所有参试材料中共鉴定出3种多态性,形成6种单倍型(Ppd-D1_Hapl_I-Ppd-D1_Hapl_XI)。其中,单倍型Ppd-D1_Hapl-I在所有参试材料中占主导地位,频率高达90.24%,该单倍型小麦属于光周期不敏感类型。此外,单倍型Ppd-D1_Hapl_IX和Ppd-D1_Hapl_X均在小麦中首次发现。Ppd-B1位点共鉴定出三种Ppd-B1a等位基因,共形成8种单倍型(Ppd-B1_Hapl-I-Ppd-B1_Hapl-Ⅷ)。其中,单倍型Ppd-B1_Hapl-VI材料的抽穗期(179天)和开花期(184天)最短,而单倍型Ppd-B1_Hapl-I材料的抽穗期(184天)和开花期(190天)最长。5.基于7个春化和光周期基因位点及关联分析中挖掘出的显著SNP位点,并结合不同群体在多个环境中的抽穗期和开花期,建立了预测抽穗期和开花期的最优多元回归方程。分析结果表明,将Vrn-B1、Vrn-D1和Ppd-D1基因以及RAC875_c41145_189、Excalibur_c60164_137和RAC875_c50422_299位点对小麦抽穗和开花期影响较大。通径分析进一步表明,光周期Ppd-D1基因对抽穗期和开花期影响最大。Vrn-B1、Vrn-D1和Ppd-D1基因作为芯片标记进行GWAS分析,结果也表明Ppd-D1基因与抽穗期和开花期显著相关。对PC群体进行QTL定位,结果表明Ppd-D1位点不仅影响小麦的抽穗期和开花期,还与穗长、可育小穗数、穗下节长、冻害胁迫和分蘖数等性状显著相关。6.对UP群体进行QTL定位,结果显示7DS染色体上存在一个调控抽穗期的主效QTL,位于SSR标记barc154-7D和barc126之间,遗传距离为3.0cM,其LOD值为5.30-12.79,表型贡献率为8.34%-25.94%。转录组分析结果表明该区段内有一个与拟南芥FT和小麦Vrn-B3高度同源的基因,将其命名为Vrn-D3。对UP群体亲本进行测序,结果表明Vrn-D3基因在UC1110中没有发生突变,将其命名为Vrn-D3a;在PI610750中发生移码突变,造成氨基酸序列延长60个碱基,将其命名为Vrn-D3b。蛋白亚细胞定位结果显示Vrn-D3基因在细胞核中表达。Vrn-D3转基因结果表明,在不同春化和光照处理下,转基因拟南芥比野生型拟南芥提早开花,并且转Vrn-D3b基因拟南芥开花早于转Vrn-D3a基因;在不同春化处理下,转基因小麦植株比野生型提早抽穗和成熟,且转基因小麦与野生型小麦在株型、株高和其它性状上也存在显著差异。综上所述,本研究对小麦抽穗期和开花期进行全基因组关联分析,鉴定出大量显著性SNP位点,并对重要SNP位点进行了进一步分析研究;对春化和光周期基因进行多态性鉴定,在Vrn-D1位点上发现了一个新的等位基因,并对其进行序列分析和功能预测,鉴定出了春化位点多种等位基因以及光周期位点多种单倍型,并分析不同等位基因(组合)及单倍型对小麦抽穗期和开花期的影响;建立了多元回归方程,证明了Ppd-D1基因是影响抽穗期最关键的基因;利用RIL群体结合转录组分析及同源基因比对鉴定出新的Vrn-D3基因型,并对其进行功能研究。
【图文】：

图 1-1. 光周期和春化基因对小麦开花期的调控途径g 1-1. Pathway of photoperiod and vernalization on wheat flow参照了水稻和高粱中开花调控途径，进而整合了下的抽穗期调控途径，分为 A、B、C、D 四个途径

图 1-2. 小麦开花期的综合调控途径Fig 1-2. Pathways on wheat flowering time分析（GWAS）是利用大量 SNP 标记进行全基因组上基全面系统的分析复杂性状的遗传分子基础，得益于
【学位授予单位】：河南农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S512.1

【参考文献】

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本文编号：2623070