大麦穗部性状功能基因单倍型分析及其遗传演化研究

发布时间：2020-10-19 09:04

　　 大麦穗轴、棱型和皮裸性3个关键穗部性状变化是大麦栽培驯化过程中的重大进化事件。穗轴由脆穗转变为坚穗是野生大麦与栽培大麦的分界点,二棱转变为六棱显著提高了产量,而种子从有稃转变成裸粒更加方便食用。本研究主要以中国大麦为实验材料,对与大麦驯化栽培有关的重要穗部性状功能基因,包括脆穗(HvBtr1和HvBtr2)、棱型(HvVrs1和HvInt-c)、皮裸(HvNud)等3个性状共5个基因,进行了基因全长重测序比较、单倍型及其表型相关性、系统进化和生态地理分布等分析,探讨了各个穗部性状驯化基因的遗传作用机制和中国栽培大麦的起源驯化与传播途径。主要结果和结论如下:一、大麦脆穗基因1.HvBtr1和HvBtr2全长重测序分析发现,两基因都存在大量等位变异,但编码区比较保守。在398份世界各地的大麦中,发现41个HvBtr1等位变异,构成11种单倍型,其中2个主要单倍型是Btr1.1a和btr1.4a,出现频率分别为70.9%和24.8%。发现22个HvBtr2等位变异,14种单倍型,主要单倍型Btr2.3a和btr2.1a,出现频率分别为51.5%和36.7%。2.野生大麦都同时携带2个显性脆穗基因HvBtr1和HvBtr2,未发生1 bp或11 bp的缺失。栽培大麦只带有其中任1个坚穗隐性Hvbtr1或Hvbtr2,发生1 bp或11 bp的缺失,不存在双隐性基因突变或杂交重组类型。3.明确了HvBtr1和HvBtr2单倍型的世界分布,以及在中国大麦不同种质资源类型和各个生态区的分布。发现HvBtr1和HvBtr2单倍型明显分为2大组群,呈现明显的东西方分布。中亚和中国等东亚国家的栽培大麦主要携带btr2单倍型组群,西南亚和欧美等国家以btr1组群为主。研究支持栽培大麦东西方独立起源驯化的观点。4.揭示了HvBtr1和HvBtr2单倍型之间的遗传亲缘关系和系统进化路径。根据中国野生大麦少部分与中东新月沃地野生大麦,大部分与中国六棱栽培大麦的遗传关系最近,并结合中国野生大麦与栽培大麦农田共生的现状,提出了中国栽培大麦驯化起源的4个历史阶段:(Ⅰ)原始祖先野生二棱大麦(H.vulgare ssp.spontaneum)首先传入青藏高原及其周边地区;(Ⅱ)野生脆穗六棱大麦(H.vulgare ssp.agriocrithon)自然突变和人工选择;(Ⅲ)坚穗六棱大麦自然突变和人工选择,产生中国原始栽培大麦;(Ⅳ)坚穗六棱与野生二棱大麦自然杂交,产生坚穗二棱大麦。5.中国个别地方品种为Hvbtr1单倍型,根据品种名称和来源地推断属于较早从西方引进。现代育成品种中的btr1类型是通过与国外品种杂交引入。根据育成品种中btr1和btr2类型接近1:1,确认这2种单倍型并不影响大麦的生态适应性。二、大麦棱型基因1.519份中国大麦,包括71份野生、445份地方品种和3份诱导突变体中,共鉴定出15种HvVrs1和7种HvInt-c单倍型。其中6个HvVrs1单倍型是本研究最新发现,分别为Vrs1.1c、Vrs1.1d、vrs1.2d、Vrs1.2e、Vrs1.4b和vrs1.5b。2.广泛存在于地中海地区,由Vrs1第二外显子单碱基插入产生的单倍型vrs1.a2,在中国大麦中可能并不存在。从来自中国黑龙江的大麦品种哈铁系1号及其EMS六棱突变体中,发现2种单倍型Vrs1.5a和vrs1.5b,分别是对二棱基因HvVrs1遗传效应增强和抑制作用最大的等位基因。Vrs1.5a为Vrs1的A1333G单碱基错义突变,侧小穗完全退化;突变基因vrs1.5a是由于编码区末端SNP变异形成终止密码子,导致翻译提前终止和编码蛋白VRS1.5a减少4个氨基酸残基,侧小穗发育结实正常,由完全退化二棱转变为六棱大麦。3.明确了HvVrs1和HvInt-c主要单倍型在大麦生态区和种质资源类型中的分布。中国大麦中,HvVrs1主要存在3种单倍型,分别是Vrs1.1a、vrs1.2和Vrs1.4a;HvInt-c主要有2种,为Int-c.1a和int-c.2a。其中,Vrs1.1a、Vrs1.4a和Int-c.1a在青藏高原及周边地区野生和栽培大麦出现频率最高,vrs1.2和int-c.2a在西北、黄淮和长江中下游冬大麦区分布最多。4.明确了HvVrs1和HvInt-c单倍型组合基因型对应的不同棱型表现。HvInt-c.的全部单倍型与Vrs1.1a组成的所有基因型都表现为二棱,与vrs1.2的全部为六棱。但与Vrs1.4a组成的基因型,却表现出二棱、六棱和中间型各种不同的穗型,且其中的地方品种全是六棱。认为地方品种的六棱穗型来源于人工选择,而野生大麦的棱型表现是不同棱型祖先杂交后,在未经选择的情况下,不同位点的棱型基因长期不断分离和纯合稳定的结果。揭示HvVrs1和HvInt-c并不能完全决定棱型表现,中国大麦中还存在着另一个未知的非等位互作基因。5.Vrs1单倍型系统进化中介网络显示,中国大麦3个主要单倍型,Vrs1.1a和vrs1.2直接来源于共同的未知祖先Mv1,而Vrs1.4a是之后从Mv1经过另一未知祖先Mv2演化而来。如果假设未知祖先为中国青藏高原及其周边最早引进的原始二棱野生大麦,结合携带Vrs1.4a/Int-c基因型中国野生大麦的棱型表现,刚好与本研究根据大麦脆穗性基因HvBtr1和HvBtr2的系统遗传进化,提出的中国大麦的来源和栽培驯化起源的4个阶段基本吻合。三、大麦皮裸性基因1.鉴定发现7份裸大麦HvNud基因不存在17 kb区段缺失,认为编码区17 kb区段缺失并不是发生裸粒突变的唯一途径。以往研究证实,大麦从种子带皮转变成裸粒,是由于包含HvNud完整基因区段发生了17 kb区段缺失。本研究对519份中国大麦的HvNud基因位点,进行了17 kb缺失区段PCR检测。结果显示,所有皮大麦都没有发生17 kb的缺失,绝大多数裸大麦都缺失了17 kb区段,但有7份来源于西藏的裸大麦并无17 kb的缺失。2.研究发现HvNud新单倍型和裸大麦突变驯化新途径。将上述7份西藏裸大麦与筛选的40份种子脱壳程度存在差异的皮大麦进行HvNud基因全长重测序分析。共鉴定出4个等位变异、5种单倍型H1-H5,其中H3、H4和H5是本研究最新发现。单倍型H1为正常皮大麦,H2为本研究鉴定发现的7份西藏裸大麦,HvNud基因编码区mm结构域内右侧碱基发生SNP错义突变,引起NUD蛋白148位的缬氨酸转变为天冬氨酸,致使脂质粘合剂合成受阻。H3是在内含子区域的变异;H5是在mm结构域内左侧碱基发生SNP错义突变;H4是在H3突变基础上,又在mm和cm结构域之间区段发生6 bp碱基缺失。H4和H5表现为半裸或不完全裸粒。由此可见,mm结构域内不同位点的变异不同程度的影响HvNud基因的功能;mm结构域之外发生寡或多碱基缺失同样可使Nud基因的功能降低。3.根据Nud等位基因的核苷酸变异,推测出5种单倍型之间的遗传进化关系。H1为原始单倍型,H2、H3和H5是H1不同碱基位点的SNP突变后代,H4是H3进一步发生6 bp碱基缺失后代。
【学位单位】：中国农业科学院
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S512.3
【部分图文】：

图 1.1 大麦穗棱型变异示意图（Koppolu et al., 2013）Fig 1.1 Spike morphology of different mutants in barley和栽培二棱大麦均含有 Vrs1 显性等位基因，六棱栽培大麦含有 vrs1et al., 1999）（图 1.1A-B）。Komatsuda 等通过定位克隆分离出大麦 v因 vrs1 控制，位于染色体 2HL，野生型 Vrs1 等位基因编码 I 类同源eodomain-leucine zipper motif，HD-ZIP），抑制侧小穗发育（Komatsud RNA 原位杂交表明，Vrs1 基因在两侧小穗特异表达，而不在中央小一步证实了 Vrs1 基因有抑制侧小穗发育功能。六棱基因 vrs1 的序列独立起源形式。其中两个等位基因（vrs1.a2 和 vrs1.a3）分别是直接麦的 Vrs1.b2 和 Vrs1.b3 基因，发生单碱基突变而引起移码和反义替换布最为普遍，可能是第一个出现的六棱等位突变基因。Vrs1 基因起源ox2 的复制，而且可能为大麦属所特有，在小麦族其他属种并不存在已对不同地区大麦开展了大麦 vrs1 基因的重测序，Vrs1.p 与尖形芒b 关联钝稃形侧小穗，而 Vrs1.t 则导致侧小穗完全退化（Saisho et al., 些 Vrs1 等位基因在 DNA 水平上表现出变异，但是它们的调控机制然不清楚（Saisho et al., 2009）。通过对易变大麦（labile-barley）Vrs1

13图 2.1 大麦 HvBtr1 和 HvBtr2 基因等位变异及其单倍型注：红色字体，关键功能变异；“-”表示 Indels。核苷酸序列与 Btr1.1a 或 Btr2.1a 相同则标注为点。Fig 2.1 The allelic variation and haplotypes of HvBtr1 (A) and HvBtr2 (B) in barley accessions.Note: red, the key functional variations; “-” indicated Indels. The nucleotide sequences identical to Btr1.1a or Btr2.1a are showed as dots.对 398 份来源于世界各地的大麦种质，进行脆穗基因 Btr1 和 Btr2 全长测序，分析其单倍型。首先剔除测序结果中前后两端峰值较差的部分，拼接获得基因全长，最终序列包括 5 侧翼区 1408bp，基因编码区 591 bp 及 3 侧翼区 551 bp，共 2550 bp。序列分析发现，Btr1 序列区域自然变异最为丰富，上述三个区域分别含有 25、6 和 10 个变异位点（图 2.1A）。在这 41 个等位变异位点中，8 个位点 SNP-4、SNP-12、InDel-3、SNP-29、SNP-32、SNP-33、SNP-34 以及 SNP-35 仅各在一份材料中被发现，属于稀有等位变异（频率小于 1%）；SNP-18 在 7 份材料中发现，为低

中国农业科学院博士学位论文 第二章 基于大麦脆穗基因重测序的中国大麦起源驯化研究Btr1.1a/btr2.3b 包含的全部 21 份中国地方品种均为六棱大麦；Btr1.1a/br2.3a 不仅包括二棱大麦，也有六棱地方品种和育成品种。类群 b 的 3 个主亚群也分别由 3 种主要单倍型 Btr1.2/Btr2.1a，Btr1.3/Btr2.2 和 btr1.4a/Br2.1a为代表。Btr1.2/Btr2.1a 包含的全部 7 份材料都为中国野生大麦，其中 3 份为二棱，4 份是六棱大麦。Btr1.3/Btr2.2 是唯一的一份来源于埃及的二棱野生大麦。btr1.4a/Br2.1a 的 89 份大麦种质大部分来自西方，既有二棱也有六棱（图 2.2A）。
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 杨思强;;大麦生产前景及栽培要点探讨[J];低碳世界;2018年04期

2 喻寒松;;利用冬闲田种植大麦效益好[J];农业知识;2017年34期

3 赵金枝;王树杰;郜战宁;;浅谈河南大麦品种演变与今后育种目标的几点设想[J];中国农村小康科技;2009年03期

4 申玉香;乔海龙;陈和;陈建;沈会权;傅伟;;几个大麦品种(系)的耐盐性评价[J];核农学报;2009年05期

5 徐向阳;浅谈大麦品种布局[J];大麦科学;2004年03期

6 陈德禄;福建省大麦品种改良的回顾与探讨[J];大麦科学;2000年03期

7 涂祖荣,林文亭,郑旋,陈双荣,叶定生,李宇,张秋英;福建省新育成大麦品种联合区试结果[J];福建稻麦科技;2000年S1期

8 陈德禄,郭媛贞,黄金堂;福建省大麦品种改良的回顾与探讨[J];福建稻麦科技;2000年S1期

9 张丽华,林澄菲,吕潇,李桂凤;我国大麦品种资源赖氨酸含量的区域分布及生态条件分析[J];大麦科学;1998年03期

10 ;品种 种质资源[J];麦类文摘.种业导报;1996年03期

相关博士学位论文 前10条

1 徐东东;大麦穗部性状功能基因单倍型分析及其遗传演化研究[D];中国农业科学院;2018年

2 任盼荣;大麦种质资源磷利用效率的评价及其转录组分析[D];甘肃农业大学;2018年

3 张绵;西藏野生大麦干旱耐性基因等位多态性分析及相关基因的功能鉴定[D];浙江大学;2017年

4 冯宗云;中国野生及栽培大麦的分子进化与大麦穗分枝新基因的分子作图[D];四川大学;2003年

5 许如根;大麦主要性状的杂种优势与遗传分析[D];扬州大学;2005年

6 黄碧光;大麦多棱分枝突变体的遗传分析和基因定位[D];福建农林大学;2005年

7 郭万里;中国松嫩平原短芒野大麦（Hordeum brevisubulatum （Trin.） Link.）天然种群分子遗传与表观遗传多样性及其遗传结构的研究[D];东北师范大学;2006年

8 沈景林;野大麦抗性品种选育及转基因育种研究[D];吉林大学;2006年

9 侯永翠;大麦种质资源遗传多样性及贮藏蛋白基因克隆研究[D];四川农业大学;2005年

10 黄有总;大麦耐盐机理及部分耐盐相关性状的QTL定位[D];浙江大学;2007年

相关硕士学位论文 前10条

1 贾小玲;我国大麦生产技术效率及其影响因素研究[D];中国农业科学院;2018年

2 高尚卿;植酸态磷处理下大麦磷效率相关性状QTL定位[D];四川农业大学;2017年

3 郭静怡;低磷胁迫下大麦磷效率及其相关性状的QTL定位[D];四川农业大学;2017年

4 程云;华矮11与华大麦6号灌浆期籽粒代谢物分析[D];华中农业大学;2018年

5 张学雷;进化谷野生大麦耐旱基因型差异及其机理研究[D];浙江大学;2017年

6 丁宁;5-甲基胞嘧啶DNA糖基化酶的表达对大麦种子醇溶蛋白组成的影响[D];西北农林科技大学;2018年

7 尹木;制麦过程中霉菌对大麦发芽代谢谱的影响[D];大连工业大学;2018年

8 于家华;大麦镉积累基因型差异及全基因组关联分析[D];浙江大学;2019年

9 马心怡;西藏野生大麦与栽培大麦耐低磷差异及相关QTL定位[D];浙江大学;2019年

10 邱月;西藏野生大麦耐酸/铝相关microRNA的鉴定及功能分析[D];浙江大学;2019年

本文编号：2847009