玉米砷、汞积累连锁定位与全基因组关联分析

发布时间：2017-03-18 10:04

  本文关键词：玉米砷、汞积累连锁定位与全基因组关联分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着工业以及现在农业的快速发展,世界范围内大量农田受到重金属污染。土壤中的重金属能被作物吸收并积累在食用部分,并通过食物链威胁动物及人类健康。玉米(Zea mays L.)是世界上种植面积最大的粮食作物,研究证明玉米对重金属的吸收、积累存在显著的基因型差异。因此,选择及培育玉米重金属低积累品种,种植在中、低重金属污染土壤上,能够在保证粮食安全生产的同时,逐渐降低土壤中重金属含量,实现边生产边修复,被认为是一种经济高效、切实可行的方法。而筛选低积累种质资源、深入开展重金属积累与抗性的分子机理研究是培育低积累品种的基础。本研究以一套重组自交系群体和一套遗传多样性丰富的关联群体为材料,采用连锁定位与关联分析相结合的策略,分别对两个环境下玉米不同组织重金属砷、汞积累开展研究,以期为玉米重金属砷、汞低积累品种筛选培育及生产提供理论参考。主要研究结果如下:1.以遗传基础丰富的230份玉米优良自交系为材料,进行两个环境下的表型鉴定。玉米不同组织砷、汞含量的方差分析表明,基因型和环境以及它们之间的互作均达到显著水平。不同组织中砷、汞含量的平均顺序为:叶片苞叶茎秆轴籽粒。本研究鉴定了一些砷、汞低积累材料,为玉米砷、汞低积累品种选育及相关遗传研究提供了材料参考。2.利用包含194份家系的重组自交系群体进行连锁分析,鉴定了28个玉米5个组织砷含量QTL,这些QTL多数集中在6个染色体区段上:bins 1.02 1.03、1.07 1.08、4.05、5.03、7.00和7.02 7.03;同时检测到23个玉米5个组织汞含量QTL,这些QTL多数集中分布在5个染色体区段上:bins 4.01、4.03、8.03、8.07和9.03-04。这些潜在染色体区段可用于进一步分析,也为分子标记辅助选择培育玉米砷或汞低积累品种提供目标位点。3.利用558,629个SNP标记对关联群体材料进行全基因组基因型分析,通过标记的缺失率、等位基因频率等分析,最终确定470,681个较好的SNP标记用于进一步的群体结构、主成分及关联分析。利用Tassel 5.0软件中的混合线性模型,引入PCA控制群体结构,进行全基因组关联分析,在P0.0001的显著水平上,检测到151个与砷含量关联的SNP标记,共发现87个候选基因,其中有功能注释的基因共55个;检测到143个与汞含量关联的SNP标记,共发现78个候选基因,其中有功能注释的基因共56个。4.通过关联分析与连锁定位结果的整合,发现有13个共同的位点与玉米砷积累相关,对这些位点的SNP进行候选基因分析发现,它们包括F-box蛋白、ATP结合、异构酶、热休克蛋白、结合蛋白、G蛋白偶联的受体激酶、氧化还原、催化活性、转录位点、酰基转移酶、电子载体、DNA结合及未知蛋白等功能基因;同时发现有9个共同的位点与玉米汞积累相关,对这些位点的SNP进行候选基因分析发现,它们包括蛋白质磷酸化、转录调控、混杂酶家族蛋白、ATP结合、跨膜运输、逆境反应、类枯草杆菌蛋白酶抑制剂及未知蛋白等功能基因。通过功能预测,分别确定了4个值得关注的砷积累候选基因、5个值得关注的汞积累候选基因用于进一步深入研究。
【关键词】：玉米(Zea mays L.) 砷 汞 连锁定位 关联分析
【学位授予单位】：河南农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S513
【目录】：

• 致谢4-9
• 摘要9-11
• 第一章 文献综述11-28
• 1.1 土壤重金属污染概述11-17
• 1.1.1 重金属概念11
• 1.1.2 土壤重金属污染现状及来源11-12
• 1.1.2.1 土壤重金属污染现状11-12
• 1.1.2.2 土壤重金属污染来源12
• 1.1.3 重金属污染的危害12-13
• 1.1.3.1 重金属对植物的危害12-13
• 1.1.3.2 重金属对人体的危害13
• 1.1.4 植物对重金属积累及抗性13-15
• 1.1.4.1 植物对重金属积累的基因型差异13
• 1.1.4.2 植物不同组织中重金属的分布13-14
• 1.1.4.3 植物对重金属的抗性机制14-15
• 1.1.5 重金属污染治理措施15-17
• 1.1.5.1 工程措施15-16
• 1.1.5.2 生物措施16
• 1.1.5.3 栽培措施16-17
• 1.1.5.4 重金属低积累品种选育17
• 1.2 QTL分析方法及应用17-23
• 1.2.1 分子标记的选择18-19
• 1.2.1.1 SSR标记18-19
• 1.2.1.2 SNP标记19
• 1.2.2 作图群体的构建19-20
• 1.2.3 遗传连锁图的构建20-21
• 1.2.4 QTL定位一般方法21-22
• 1.2.4.1 单标记分析法(Individua1 Marker Mapping, IMM)21
• 1.2.4.2 区间作图法(Interval Mapping, IM)21-22
• 1.2.4.3 复合区间作图法(Composite Interva1 Mapping, CIM)22
• 1.2.4.4 完备区间作图法( Inclusive Composite Interval Mapping, ICIM )22
• 1.2.5 重金属积累及抗性QTL定位研究22-23
• 1.3 关联分析方法及应用23-26
• 1.3.1 连锁不平衡23-24
• 1.3.2 关联分析方法24-25
• 1.3.2.1 策略与步骤24
• 1.3.2.2 统计模型24-25
• 1.3.3 关联分析的影响因素25
• 1.3.3.1 连锁不平衡衰减25
• 1.3.3.2 标记量大小25
• 1.3.3.3 群体大小25
• 1.3.3.4 群体结构25
• 1.3.4 关联分析在玉米遗传研究中应用25-26
• 1.4 本研究的目的意义26
• 1.5 研究内容及技术路线26-28
• 第二章 玉米砷积累连锁定位与全基因组关联分析28-60
• 2.1 引言28-29
• 2.2 材料与方法29-31
• 2.2.1 植株材料29
• 2.2.2 试验设计29
• 2.2.3 As含量检测29
• 2.2.4 遗传连锁图29-30
• 2.2.4.1 连锁分析遗传连锁图29-30
• 2.2.4.2 关联分析基因型30
• 2.2.5 数据统计与分析30-31
• 2.2.5.1 关联群体基因型分析30
• 2.2.5.2 表型数据分析30
• 2.2.5.3 连锁群体QTL定位分析30-31
• 2.2.5.4 全基因组关联分析31
• 2.2.5.5 关联分析SNP标记与QTL比较31
• 2.2.5.6 候选基因分析31
• 2.3 结果与分析31-57
• 2.3.1 连锁群体QTL定位分析31-38
• 2.3.1.1 玉米不同组织砷含量表型变化31-33
• 2.3.1.2 玉米不同组织砷含量的相关分析33
• 2.3.1.3 玉米不同组织砷含量的分离特性33-34
• 2.3.1.4 玉米不同组织砷含量QTL分析34-38
• 2.3.2 玉米砷含量的关联分析38-48
• 2.3.2.1 SNP标记统计信息38-39
• 2.3.2.2 关联群体的表型数据分析39-45
• 2.3.2.3 玉米不同组织砷含量的关联分析45-48
• 2.3.3 关联SNP位点基因的功能分析48-56
• 2.3.4 定位的QTL与关联标记比较56-57
• 2.4 讨论57-60
• 2.4.1 玉米不同组织砷积累57
• 2.4.2 PSC品种的选育57-58
• 2.4.3 砷积累的QTL定位分析58
• 2.4.4 连锁分析结合关联分析在数量性状基因研究中应用58-59
• 2.4.5 砷积累候选基因分析59-60
• 第三章 玉米汞积累连锁定位与全基因组关联分析60-88
• 3.1 引言60-61
• 3.2 材料与方法61-62
• 3.2.1 植株材料61
• 3.2.2 试验设计61
• 3.2.3 汞含量检测61
• 3.2.4 遗传连锁图61
• 3.2.5 数据统计与分析61-62
• 3.3 结果与分析62-85
• 3.3.1 连锁群体QTL定位分析62-68
• 3.3.1.1 玉米不同组织汞含量表型变化62-63
• 3.3.1.2 玉米不同组织汞含量的相关分析63-64
• 3.3.1.3 玉米不同组织汞含量的分离特性64-65
• 3.3.1.4 玉米不同组织汞含量QTL分析65-68
• 3.3.2 关联分析68-76
• 3.3.2.1 表型统计分析68-74
• 3.3.2.3 关联分析74-76
• 3.3.3 关联SNP位点附近基因的功能分析76-85
• 3.3.4 QTL定位结果与关联标记的整合85
• 3.4 讨论85-88
• 3.4.1 汞在玉米中的积累分配规律85-86
• 3.4.2 选育低积累品种降低作物重金属积累86
• 3.4.3 汞积累及抗性的遗传研究86-87
• 3.4.4 汞积累的全基因组关联分析87
• 3.4.5 汞积累候选基因分析87-88
• 参考文献88-105
• 附表105-119
• 英文摘要119-121
• 攻读博士学位期间发表论文情况121

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