小麦粒重相关基因TaTGW6、TaTGW-7A克隆及其功能标记开发

发布时间：2018-03-07 06:22

本文选题：普通小麦　切入点：千粒重　出处：《安徽农业大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：小麦是我国三大作物之一,与我国粮食安全息息相关。小麦粒重是由籽粒大小、灌浆充实度等因素构成,是小麦产量构成的三要素之一。不断提高粒重是现代小麦育种的主要目标之一。通过分子生物学手段,发掘和鉴定小麦粒重相关基因及开发功能标记对粒重遗传机制研究、小麦多基因聚合育种都具有较高的应用价值和指导意义。然而,小麦是异源六倍体物种,染色体结构复杂,DNA重复序列高,从而限制了小麦功能基因的发掘。因此,比较基因组学、高通量测序及分析技术是一种发掘小麦功能基因的简单而有效的途径。本文以调控水稻千粒重的TGW6为候选基因,在小麦中克隆了其同源基因TaTGW6。同时,应用SLAF-Seq和集群分离分组分析法(BSA)克隆了小麦TaTGW-7A基因。分析其等位变异与千粒重的关系,开发功能标记并在重组自交系群体(RIL,京411×红芒春21)和自然群体中进行分析和验证。研究了TaTGW6和TaTGW-7A基因在籽粒灌浆期表达特点及其与IAA、粒重的关系。本文主要结果如下:1、TaTGW6位于小麦染色体4AL上,与Xbarc1047紧密连锁。TaTGW6只含有一个外显子,编码吲哚-3-乙酸葡萄糖水解酶。TaTGW6与水稻TGW6在DNA和氨基酸水平的相似度均大于70%。在小麦中含有丰富的TGW6同源基因,主要分布在第2、3、4、7同源群上。2、通过分析大、小粒品种TaTGW6基因序列,检测出3种等位类型,即TaTGW6-a、TaTGW6-b和TaTGW6-c。和TaTGW6-a相比,TaTGW6-b和TaTGW6-c等位基因对应于较高的粒重。与TaTGW6-a序列比较,TaTGW6-b编码区含有一个6 bp插入突变,导致两个氨基酸的插入,但未发生移码突变。而TaTGW6-c为缺失突变类型。3、在RIL群体、自然群体及核心种质中验证TaTGW6对小麦千粒重的作用。结果表明,TaTGW6与千粒重密切关联。TaTGW6-b和TaTGW6-c均与千粒重呈极显著正相关,而TaTGW6-a则负调控粒重。在RIL群体的4个环境下,TaTGW6可解释千粒重15.8 21.0%的表型变异。关联分析表明,TaTGW6在自然群体和核心种质的3个环境条件下,可解释7.7 12.4%的千粒重表型变异。TaTGW6-b和TaTGW6-c在自然群体和核心种质中分布较低,是优异的等位类型,具有较高的应用价值。4、分析了小麦TaTGW6-a和TaTGW6-b两种等位基因在花后10d、20d、30d以及收获后籽粒中表达水平差异,结果显示,TaTGW6-a在花后20d、30d和收获后籽粒中表达水平显著高于TaTGW6-b。含有TaTGW6-a等位基因的品种在花后20d和30d,其籽粒生长素IAA含量显著高于携带TaTGW6-b等位基因的品种。5、利用高通量测序技术结合BSA法对两个亲本和两个粒重极端值混合池进行简化基因组测序,通过关联分析和基因富集分析,共得到25个与小麦粒重紧密连锁的SLAF标签。对SLAF标签附近50Kb的区域进行基因富集分析,得到169个与千粒重相关候选基因。并对其中的主要基因进行克隆和功能验证,将其中作用最大的基因Traes_7AS_378A12AA9.1命名为TaTGW-7A。该基因具有TIM-br_sig_trns和UPF0261功能域,与吲哚-3-甘油磷酸合成酶(IGPS)相关。6、序列分析表明,TaTGW-7A由9个外显子和8个内含子组成。在粒重差异显著的品种间,该基因检测到4个SNP变异,但只有第1个外显子上的SNP(T-C)与千粒重关联,该变异导致丙氨酸突变为缬氨酸。根据该SNP开发了CAPS标记TGW7,并鉴定出2种等位基因(TaTGW-7Aa和TaTGW-7Ab)与粒重相关。同时在TaTGW-7A下游3Kb处开发一对共显性标记TG9,与TGW7共分离。通过扫描重组自交系、自然群体、核心种质等群体,证实TG9也是一个稳定可靠的共显性标记,可与TGW7共同用于辅助育种。7、对候选基因TaTGW-7A进行关联分析和连锁分析,结果表明,TaTGW-7A与千粒重极显著相关,同时影响粒长和粒宽。与TaTGW-7Ab相比,TaTGW-7Aa为优异等位基因,可显著提高粒重。在RIL群体5个环境条件下,TaTGW-7A可解释21.7-27.1%的粒重表型变异。在自然群体和核心种质4个环境条件下,TaTGW-7A可解释7.3-12.3%的表型变异。8、对501份育成品种和微核心种质进行TaTGW-7A基因分布检测,结果显示,在现代品种中,TaTGW-7Aa广泛存在于国内各大麦区;然而,在核心种质中,TaTGW-7Aa在北部冬麦区和西南冬麦区分布频率相对较低。说明TaTGW-7A在育种过程中经过了长期的正向选择。9、研究了小麦TaTGW-7A花后10d、20d、30d籽粒和收获后籽粒中表达水平的差异,结果发现,TaTGW-7Aa在花后20d和30d表达水平较TaTGW-7Ab高,较高的表达水平有利于粒重的提高。对花后20d和30d籽粒中生长素IAA的含量进行分析,发现携带TaTGW-7Aa等位基因的品种其IAA含量显著低于携带TaTGW-7Ab的品种。说明在灌浆中后期高水平的生长素含量不利于粒重的提高。10、利用高通量测序技术结合BSA法在2A和2D染色体上克隆两个与千粒重相关的基因Ta TGW-2A和Ta TGW-2D,与千粒重存在极显著相关。11、本实验对6个已报导的粒重相关基因,除Ta CWI-4A与千粒重显著相关外,其余5个基因与千粒重均达到了极显著相关。6个千粒重基因对千粒重影响顺序为:Ta GS5-3ATGW7Ta GS1aTa CWI-5DTa GW2Ta CWI-4A。Ta GW2与Ta GS5-3A之间以及Ta GS1a与TGW7之间存在互作效应。Ta GW2与Ta GS5-3A之间存在较强的拮抗作用,而Ta GS1a与TGW7之间存在相对较弱的互作效应。
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【学位授予单位】：安徽农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S512.1

【参考文献】