马铃薯（Solanum tuberosum L.）块茎淀粉含量及植株熟性性状的QTL定位与遗传分析

发布时间：2020-04-05 05:49

【摘要】：马铃薯(Solanum tuberosum L.)是世界上第三大粮食作物,在保障粮食安全和贫困人群营养摄取方面发挥着重要作用。块茎淀粉含量和植株熟性是马铃薯的两个重要农艺性状。淀粉占块茎干物质的80%左右,很大程度上影响着马铃薯鲜食和加工品质的优劣。不同熟性的品种可以满足不同季节和地区的马铃薯种植和市场供给,亦是重要的品种特性。前人的研究表明,二者均为多基因控制的数量遗传性状,然而受到马铃薯复杂遗传背景及四体遗传特性的影响,针对上述两个性状的遗传研究和分子育种进展缓慢。本研究为了探索上述两个重要性状的遗传基础以及二者的遗传关系,构建了以晚熟高淀粉品种‘陇薯8号’和早熟低淀粉品种‘早大白’为亲本的F_1分离群体(含192个子代),绘制了四倍体遗传连锁图谱,同时基于6个环境下的表型数据对块茎淀粉含量和植株熟性进行了QTL定位。主要研究结果如下:1.四倍体F_1分离群体的构建与表型鉴定构建了以‘陇薯8号’为母本、‘早大白’为父本的杂交F_1分离群体LZ。陇薯8号(L8)的块茎淀粉含量较高,在本研究多个环境中的表型值为20.56%-23.00%,平均21.61%;熟性较晚,表型值为111 d-126 d,平均119 d。早大白(ZDB)的块茎淀粉含量较低,在多个环境下的表型值为11.21%-14.09%,平均12.94%;熟性较早,表型值为64 d 86 d,平均75 d。通过离体组织培养快繁技术以及隔离网室蛭石栽培方式,生产了192个子代基因型及双亲的无病毒种薯,用于表型鉴定及后续分析。于2012年、2013年,在甘肃省马铃薯主产区具有代表性的定西市、天水市、张掖市各设1个试验点,进行了LZ分离群体及其亲本的表型鉴定。在2年3点共6个环境中,LZ群体块茎淀粉含量的表型数据均呈连续性变异,基因型频率呈近似正态分布,表明块茎淀粉含量受多基因控制遗传;虽然植株熟性的表型数据在6个环境中均呈连续性变异,但均呈偏态分布,表明植株熟性受少数主效基因及微效基因控制遗传。上述结果说明,LZ分离群体适合开展块茎淀粉含量和植株熟性的QTL定位遗传分析。2.块茎淀粉含量与植株熟性的相关性分析基于LZ分离群体在6个环境中的表型数据,估算出块茎淀粉含量的广义遗传力为0.82,而植株熟性的广义遗传力为0.93,两个性状均具有较高的广义遗传力,说明块茎淀粉含量和植株熟性主要受到遗传位点控制,外界环境影响较小。植株熟性相对于块茎淀粉含量而言,受到非遗传因素的影响更小。经相关性分析,LZ分离群体块茎淀粉含量与植株熟性之间除张掖点两年均表现出显著的正相关外(2012年和2013年的相关系数分别为0.444和0.215),在其它两个试验点的相关性均不显著,说明块茎淀粉含量与植株熟性的相关性可能受到环境因素的影响,以上两个性状之间没有紧密的相关性,可能受不同的遗传位点调控。3.双亲遗传连锁图谱的构建利用85对EcoR I/Mse I、Pst I/Mse I和Sac I/Mse I的AFLP引物组合、86对SSR引物扩增的817个标记,采用双拟测交策略,以四倍体分析软件TetraploidMap for Windows分别构建了LZ群体两个亲本的遗传连锁图谱。母本(L8)遗传图谱全长1245.64 cM,含多态性标记209个(其中58个SSR标记,151个AFLP标记,包括3个共显性标记、112个单显体标记、10个二显体标记、84个双单显体标记),标记间平均距离5.96 cM。该图谱包含12个连锁群,其中10个连锁群均含有完整的4条同源染色体,连锁群LG3和LG9分别含2个和1个同源染色体。根据58个定位信息明确的SSR标记,确定了11个连锁群分别对应除第Ⅳ号以外的其余11条马铃薯染色体。父本(ZDB)遗传图谱全长1310.95 cM,标记间平均距离为6.21 cM,含多态性标记211个(其中51个SSR标记,160个AFLP标记,包括4个共显性标记、6个单显体标记、24个二显体标记、107个双单显体标记)。该图谱含有13个连锁群,其中,9个连锁群均含有完整的4条同源染色体,其余的4个连锁群各含3条同源染色体。根据51个定位信息明确的SSR标记,将12个连锁群一一对应于马铃薯的12条染色体。双亲连锁图谱的质量能够满足本研究遗传分析和QTL定位的要求。4.标记与性状的相关分析通过方差分析(single-point ANOVA)和Kruskal-Wallis检验方法,确定对块茎淀粉含量具有显著效应且检测频次≥3的标记共有19个,其中8个标记对淀粉含量的提高具有正向遗传效应,11个标记具有负向遗传效应。以上19个标记中的16个分别位于母本(L8)的第Ⅰ、Ⅲ、Ⅵ、Ⅷ、Ⅹ号染色体和父本(ZDB)的Ⅳ、Ⅷ、Ⅹ、Ⅺ、Ⅻ号染色体上。对植株熟性具有显著效应且检测频次≥3的标记共有38个,其中,20个标记对植株熟性的延迟具有正向遗传效应,18个标记具有负向遗传效应(即有助于提早植株成熟),定位在图谱上的25个标记分别位于母本(L8)的第Ⅰ、Ⅴ、Ⅷ、Ⅺ号染色体和父本(ZDB)的第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅸ、Ⅺ、Ⅻ号染色体上,其中在母本(L8)和父本(ZDB)的第Ⅴ号染色体上就分别定位了7个和6个标记,说明第V号染色体可能存在控制植株熟性的重要遗传位点。5.块茎淀粉含量和植株熟性的QTL定位在构建的双亲连锁图谱基础上,采用6个环境下的块茎淀粉含量表型数据,通过区间作图(Interval Mapping)法检测到11个与块茎淀粉含量相关的QTL,分别位于母本(L8)的第Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ、Ⅷ、Ⅹ、Ⅻ号染色体上和父本(ZDB)的第Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅷ和Ⅻ号染色体上,而至少在3个环境中可重复检测到的4个稳定QTL分别位于母本(L8)第Ⅰ、Ⅱ、Ⅷ号染色体上和父本(ZDB)的第Ⅷ号染色体上。其中QTL TSC_L_01、TSC_L_08和TSC_Z_08表现为正向效应,即这些QTL的存在有助于提高块茎淀粉含量,对块茎淀粉含量变异的平均贡献率分别为17.52%、10.96%和13.15%;而TSC_L_02表现为负向效应,该位点的存在降低了块茎淀粉含量,对块茎淀粉含量变异的平均贡献率为17.19%。本研究检测到6个与植株熟性相关的QTL,分别位于母本(L8)的第Ⅱ、Ⅴ、Ⅺ号染色体上和父本(ZDB)的第Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ号染色体上,而可重复检测到的唯一的1个稳定的植株熟性QTL PM_Z_05位于父本(ZDB)的第Ⅴ号染色体上。PM_Z_05在5个环境中稳定存在,表现为正向遗传效应,即该位点的存在有利于延迟植株成熟,其1-LOD置信区间为45.2 cM-62.5 cM,对表型变异的贡献率达到21.63%-26.60%,平均为24.93%。本研究构建了普通栽培种同源四倍体马铃薯的遗传连锁图谱,并定位了控制块茎淀粉含量和植株熟性遗传的QTL。根据表型鉴定、QTL分布的染色体及其置信区间的结果分析,控制块茎淀粉含量和植株熟性遗传的QTL分布在不同的染色体上,二者不存在明显的相关性。本研究结果表明,块茎淀粉含量受位于第Ⅰ、Ⅱ、Ⅷ号染色体上的多个遗传位点控制,而植株熟性主要受位于第Ⅴ号染色体上的1个遗传位点控制,没有检测到这两个性状QTL位点间的互作效应,说明块茎淀粉含量和植株熟性遗传是相互独立的,为选育早熟高淀粉品种提供了理论依据。
【图文】：

示意图,淀粉合成,降解途径,麦芽糖

马铃薯（Solanum tuberosum L.）块茎淀粉含量及植株熟性性状的 QTL 定位与遗传分析的作用下形成麦芽糖（Maltose），在麦芽糖转运蛋白的帮助下进入细胞溶质中，并在淀粉去分支酶（Disproportionating enzyme 2，DPE2）作用下以葡萄糖的形式释放到细胞溶质（Deschamps et al 2008,Ahmed et al 2018）（图 1-1）。

块茎,图片,品种,组培苗

2.2 实验方法.2.1 种薯繁育在 2011 年和 2012 年，进行了 LZ 群体子代和亲本的组培苗扩繁与无毒种薯。在甘肃省农业科学院会川马铃薯育种试验站，将无毒组培苗采用无土栽培方插于隔离网室的蛭石中，每个小区扦插 1 个基因型组培苗，每行 25 - 30 株，，移。为了防止各基因型材料混杂，小区之间用 20 cm 高的 PVC（Polyvinyl chloride氯乙烯）板隔开。其后，按照马铃薯脱毒原原种繁育技术标准操作，每个基因获 90 粒微型薯（5 g - 10 g），用于田间种植和表型鉴定。共获得 192 个 LZ 群体代株系，种薯质量一致。16
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S532

【参考文献】