小麦unigene遗传图谱构建和氮营养性状QTL分析

发布时间：2020-07-17 01:00

【摘要】：小麦是世界上重要的粮食作物,氮是植物生长发育过程中最重要的矿质元素。选育氮高效小麦品种是当前小麦品种改良的重要任务。本研究以小麦“泰农18/临麦6号”RIL群体(TL-RIL群体)为材料,基于RNA-Seq分析结果,以unigene为单位构建遗传图谱,从整个基因组水平对氮营养性状进行QTL分析,以期为小麦分子标记辅助育种提供依据,为进一步开展相关基因的克隆和遗传机理的研究奠定基础。主要结果如下:(1)对TL-RIL群体的184个家系和亲本进行转录组测序,184个家系及亲本分7个时期的RNA取样,每个家系前3个时期和后4个时期混样测序得到12Gb数据,每个亲本分7个时期测序得到42Gb数据,总共约2.29T。经变异分析得到1,142,959个标记,经过筛选锚定等步骤,剩余98,431个标记,属于20,150个unigenes,这些unigenes用于构建小麦高密度遗传连锁图谱。最终图谱全长16,023.1 cM,包括21个连锁群,11,710个bin,15,475个unigenes,77,092个标记,平均密度为1.37 cM/bin。其中5B染色体遗传距离最长并且包括的位点数最多,长1,348.9 cM,包括1,192个bin;最短的染色体是4D,其长度为217.8 cM,包括82个bin。1B染色体的密度最大,为1.09 cM/bin,密度最小的是3D,是3.23 cM/bin。标记位点在ABD三个基因组间的分布不均:A基因组有3,945个bin,5,207个unigenes,27,155个标记;B基因组5,735个bin,7,696个unigenes,38,483个标记;D基因组2,030个bin,2,572个unigenes,11,454个标记。三个基因组全长分别A基因组5,377.1 cM(33.56%)、B基因组7,112.7 cM(44.39%)、D基因组3,533.3 cM(22.05%)。在7个同源组中,第5同源组最长,为2,890.5 cM,包含2,343个bin,平均密度也是最大的,为1.23 cM/bin。其次同源组依次为:第1、第2、第6、第7、第3和第4同源组。该图谱的构建参考标记的物理位置,QTL可直接与物理图谱对应,有利于候选基因预测和验证。(2)在小麦苗期和成株期,分别设置不同的氮处理,检测氮营养性状的QTL。在苗期设置高中低3种氮水平,进行了两次水培试验,调查测定了生物量、氮效率等18个氮营养相关性状。在成株期进行了4年的试验,采用大田池栽的方式,设置正常氮和低氮两个营养水平,调查测定了产量、氮吸收效率、氮利用效率相关的共22个性状。方差分析结果显示,苗期性状处理间的变异都达到了p≤0.001显著;对于基因型间的变异,除RNC和TNC基因型间的变异不显著,未用于QTL分析;SNC基因型间变异水平为p≤0.01显著,其他性状的基因型变异都达到p≤0.001显著。大部分成株期性状处理间的变异达到了p≤0.01显著或p≤0.001显著;TSSS基因型变异不显著,未用于QTL分析;StNC、StNUE和ANUE基因型变异水平为p≤0.01,其他性状基因型变异水平都是p≤0.001。相关分析结果表明,苗期生物量性状之间、氮素吸收效率性状之间以及氮素利用效率性状之间都显著相关。而且,生物量性状和氮素吸收效率性状之间、生物量性状和氮素利用效率性状之间、氮素吸收效率和氮素利用效率性状之间的相关系数也都达到了显著水平。成株期产量性状之间和氮效率性状之间都有显著的相关性,产量性状和氮效率性状之间有不同程度的相关性。苗期的大部分性状和成株期性状之间也呈现出显著相关。因此苗期的生物量性状和成株期的部分产量性状可以作为氮效率的初级评价指标,而不需要测定氮素含量,使得大规模评价氮效率更加方便、快捷。(3)小麦苗期检测到53个高频表达的QTL(RHF-QTL),包括143个单一性状-处理QTL,其中有34个是生物量性状QTL,12个是氮素吸收效率性状QTL,7个QTL与氮素利用效率性状相关。这些RHF-QTL涉及到除根氮利用效率(RNUE)外的所有苗期15个性状,分布在10个染色体上,其中5D上有16个,4B上有15个。17个RHF-QTL的加性效应是正值,说明他们的增加效应来自于母本泰农18;36个RHF-QTL的加性效应是负值,父本临麦6号提供了他们的增加效应。苗期QTL可以解释表型变异的7.1%(QSdw-5D)~31.3%(QRsfw-4B.2),有25个QTL的平均贡献率在10%以上。成株期检测到105个RHF-QTL,包括325个单一性状—处理QTL,其中有87个是产量性状QTL,6个是氮素吸收效率性状QTL,其余12个QTL与氮素利用效率性状相关。这些RHF-QTL涉及到除秸秆氮浓度(StNC外)的所有成株期20个性状,分布在20个染色体上(3D除外),其中4B上最多,有23个。62个RHF-QTL的加性效应是正值,说明他们的增加效应来自于母本泰农18;43个RHF-QTL的加性效应是负值,说明父本临麦6号提供了他们的增加效应。成株期QTL QSn-4B贡献率最大,为40.3%,由临麦6号提供加性效应;最小的是QSl-3A.3,为4.5%。另外,有42个QTL的平均贡献率都大于10%。(4)试验共定位了24个由RHF-QTL组成的QTL簇(C1-C24),分布在10个染色体,涉及33个性状,本研究将这些簇分为3类:(I)只在苗期检测到的QTL簇,包括C3、C14、C16、C17和C18;(II)只在成株期检测到的QTL簇,包括C1、C6、C8、C9、C10、C11、C15、C19、C21、C22、C23和C24;(III)在苗期和成株期同时检测到的QTL簇,包括C2、C4、C5、C7、C12、C13和C20。试验发现在4B上有一个值得关注的QTL簇(C7),它属于第三类QTL簇。包括27个RHF-QTL,其中13个与苗期性状相关,14个成株期性状相关,既包括生物量和产量性状也包括氮素吸收效率和氮素利用效率性状。而且C7中所有27个RHF-QTL的贡献率都大于10%,表明他们都是主效QTL。C7的区间包含的unigenes可用于分子标记辅助选择,对小麦高产或氮高效育种具有一定的价值。
【学位授予单位】：山东农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S512.1
【图文】：

遗传连锁图谱,泰农,母本,父本

2.1 试验材料试验材料为课题组创建的“泰农 18/临麦 6 号”RIL 群体（TL-RIL 群体）（2013 年为 F8）。泰农 18（图 1）是本课题组选育的中大穗型品种，其母本是莱州 137，父本是烟 369-7（烟农 19 姊妹系），于 2008 年通过山东省农作物品种审定委员会审定。泰农18 具有较高的氮利用效率，在多个氮水平下均可获得较高产量，另外还具有矮杆、抗倒伏、高产和优质的特点。泰农 18 已成为骨干亲本：本课题组用其育成了山农 25、山农29 和山农 30，其他单位用其育成淄麦 28、淄麦 29、鑫瑞麦 38，2019 年国家区试中有50 多个品系亲本之一为泰农 18。临麦 6 号是参加过山东省小麦区试的一个小麦品系，氮素利用效率相对较低，其母本是济麦 22 的亲本之一，父本是鲁麦 13。利用泰农 18和临麦 6 号配制杂交组合，利用单穗传法构建群体，最终构建的 RIL 群体包括 305 个株系。随机选择其中的 184 个株系构建高密度遗传连锁图谱、调查性状，进行 QTL 分析。

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各时期取样照片

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山东农业大学博士学位论文表 2 水培试验氮处理设置Table 2 N treatments of the hydroponic experiment处理编号氮的倍数氮浓度es Treatments Codes Times of N N concentration (H)3 HN HN13-1 2×N 8.0 mMMN MN13-1 1×N 4.0 mMLN LN13-1 1/5×N 0.8 mM4 HN HN13-2 2×N 8.0 mMMN MN13-2 1×N 4.0 mMLN LN13-2 1/5×N 0.8 mM

【参考文献】