小麦关键性状遗传解析及功能标记开发

发布时间：2018-01-15 17:20

本文关键词：小麦关键性状遗传解析及功能标记开发　出处：《山东农业大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：小麦是重要的粮食作物,是全世界30%以上人口的主食,培育高产、稳产、优质专用小麦品种是小麦育种研究的主要方向。遗传分析是小麦育种的重要基础;农艺性状的基因挖掘和QTL分析及功能标记的开发为小麦MAS育种提供理论基础和工具。本研究的目的和意义:通过新开发的SNP芯片,构建高密度遗传连锁图谱,采用QTL定位分析的方法分析抽穗期、株高、粒重和籽粒硬度性状;采用同源克隆的方法寻找和利用新的抽穗期性状微效控制QTL,可以根据不同的种植要求微调节小麦抽穗期;新的基因(QTL)位点的挖掘及应用对提高小麦产量和品质具有重要作用。研究包括两部分:一是创建扬麦16/中麦895DH群体,通过660K小麦SNP芯片对198个加倍单倍体株系进行基因分型,构建高密度遗传连锁图谱,对抽穗期、株高、千粒重和籽粒硬度等四个小麦关键性状进行QTL分析,发掘新的性状相关QTL位点及其紧密连锁的SNP标记,为材料的遗传分析及相关性状的基因克隆和分子标记辅助育种奠定基础;二是通过同源克隆的方法,分离出拟南芥开花调控基因ELF3在小麦中的同源基因,分析基因与抽穗期的相关性,并根据等位变异开发功能标记,通过连锁分析验证其功能,并用来检测基因的不同变异类型在小麦中的分布。主要结果如下:(1)遗传图谱的构建:利用660K小麦SNP芯片对198个来自扬麦16/中麦895的加倍单倍体株系进行全基因组扫描,去除亲本间无多态性及缺失率大于20%的标记,剩余148,225个SNP标记,筛除严重偏分离标记,将冗余标记Binning在一起,去掉不能连锁的45个标记,最后由10,242个标记各自代表一个Bin位点,构建了扬麦16/中麦895遗传图谱。共分为25个连锁群,小麦21条染色体被完全覆盖,其中染色体1B、2B、4A和7A各由两个连锁群组成,其余染色体均为一个连锁群。连锁图谱Bin数目的分布,以A组和B组染色体上的数目居多,其中5B达1021个;D染色体组上的标记相对前人构建的图谱得到了极大丰富,Bin位点数目最少的是4D染色体,也达到了86个;连锁图谱标记密度较高,77.8%的相邻标记间的遗传距离在4c M以下。(2)农艺性状的QTL定位:通过对扬麦16/中麦895DH株系关键性状:抽穗期、株高、千粒重和籽粒硬度值基本统计量分析表明,四个性状值均呈连续分布,有一定的变异范围,且均有超亲分离现象,表明这些性状为多基因控制的数量性状,且双亲均含有加性效应位点。方差分析结果表明环境方差较大,说明4个性状均受环境影响较大;基因型方差大于误差方差,适合做QTL定位分析。同一性状不同环境间相关系数较高,广义遗传力较大,分别为0.81、0.94、0.67、0.90。用构建的扬麦16/中麦895高密度遗传图谱对抽穗期、株高、千粒重和籽粒硬度4个性状进行QTL定位,分别检测到5个、4个、6个和10个性状相关QTL,解释的表型变异在2.3%-51.7%之间。通过抽穗期、株高等性状已知基因开发的KSAP标记验证,及用QTL连锁标记侧翼序列在小麦数据库中Blast分析,25个稳定的QTL中QHD.caas-5DL,QHD.caas-7BS,QHD.caas-7DS,QPH.caas-4BS,QPH.caas-4DS,QTKW.caas-4BS分别为已知的Vrn D1,Vrn B3,Vrn D3,Rht-B1,Rht-D1,Rht-D1和Rht-B1,三个环境下性状均值解释的表型变异除QHD.caas-7DS外,均超过10%。4个性状分别检测到2个、2个、4个和9个新的QTL位点。说明构建的扬麦16/中麦895遗传图谱可靠性和实用性较高。(3)新的籽粒硬度QTL效应分析:检测到的籽粒硬度QTL:QHD.caas-7DS解释的表型变异为10.7-13.9%,在检测到的籽粒硬度QTL中效应最大,加性效应位点来自于扬麦16。通过连锁标记AX-108762054在该位点的等位变异(A-G),进一步分析三个环境下的籽粒硬度表型数据,两种基因型籽粒硬度差异显著(P0.001),该位点不同于已知的Pina,Pinb,Pinb-2位点,值得进一步分析,研究。检测到分别位于4BS、4DS,5DL,7DS上的4个多效性QTL区域。其中4BS,4DS的区域,是矮秆基因Rht-B1和Rht-D1增加株高、增大粒重的一因多效位点;5DL和7DS上同时检测到影响抽穗期、千粒重和籽粒硬度的QTL位点。在这些区域,适应性、产量与品质相关性状紧密关联,因此通过增加重组事件,获得产量和加工品质的同时提高是可能的。在本研究中检测到的稳定的QTL和重要的多效性QTL区域与SNP标记紧密连锁,可用于候选基因挖掘或者小麦分子标记辅助育种。(4)小麦ELF3同源基因的克隆标记开发:以大麦Hv ELF3基因序列,采用同源克隆的方法,获得了位于小麦第一同源群上的Ta ELF3-1AL、Ta ELF3-1BL和Ta ELF3-1DL基因序列。三个基因序列相似性较高,均包含四个外显子和三个内含子。Ta ELF3-1AL基因ORF长度为2319bp,编码772个氨基酸;Ta ELF3-1BLORF长度为2310bp,编码769个氨基酸;Ta ELF3-1DLORF长度为2310bp,编码766个氨基酸,3个基因与Hv ELF3基因在c DNA及氨基酸水平相似性均超过90%。由于编码区和非编码区在进化过程中面对的选择压力不同,造成内含子区域序列相对外显子序列变异大,相似性较低。序列上的高度相似,预示了它们功能的相似性。(5)基于普通小麦Ta ELF3-1DL基因的两个等位变异Ta ELF3-1DLa和Ta ELF3-1DLb,开发了一个显性STS标记。该标记能在抽穗晚的品种中均能扩增出Ta ELF3-1DL的基因片段,在早抽穗的品种没有扩增产物。通过扩增产物序列分析和利用藁城8901/周麦16 RIL群体QTL定位,将Ta ELF3-1DL定位于小麦1D染色体长臂端,并与1DL上控制抽穗期早晚的QTL共分离,在不同环境下解释7.7-20.6%的表型变异。在藁城8901/周麦16 RIL群体的170个家系中,101个家系基因型为Ta ELF3-1DLa,69个家系基因型为Ta ELF3-1DLb,两种等位基因之间抽穗期早晚差异达到1%的显著水平。说明本研究中开发的功能标记与抽穗期早晚高度相关,可以有效地用于小麦分子标记辅助选择育种。使用该标记对282分来自中国麦区和国外的品种材料进行Ta ELF3-1DL基因两种单倍型分析,发现在所检测品种中与晚抽穗相关的Ta ELF3-1DLa基因型所占的比例为89.4%,与早抽穗相关的Ta ELF3-1DLb基因型所占的比例为10.6%,说明在过去的育种过程中Ta ELF3-1DLa被正向选择。该研究为在小麦育种中,根据不同适应性的需要定向改变品种的抽穗期提供了一个新的基因。
[Abstract]:Genetic analysis is an important base for wheat breeding . The genetic analysis is an important basis for wheat breeding . ( 2 ) QTL mapping of agronomic traits : Four traits were identified by quantitative analysis of traits such as heading date , plant height , 1000 - grain weight and kernel hardness . The results showed that the phenotypic variance of four traits was greater than that of QHD . caas - 7DS , QPH . caas - 4BS , QHD . caas - 7DS , QPH . caas - 4BS , QHD . caas - 4DS , QTKW . caas - 4BS , respectively , showed two , two , four and nine new QTL loci . ( 3 ) QTL effect of grain hardness QTL was analyzed : the phenotypic variance of QTL for grain hardness was 10.7 - 13.9 % . ( 4 ) Cloning and marker development of wheat ELF3 - 1DL gene : A dominant STS marker was obtained by using the homologous clone method in the sequence of barley HF3 - 1AL gene . The length of Ta ELF3 - 1AL gene was 2319 bp , and its similarity was lower .

【学位授予单位】：山东农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S512.1

【参考文献】