白皮小麦抗穗发芽候选基因位点的关联分析

【摘要】 小麦是世界上最重要的粮食作物之一,其播种面积与产量总值均居世界第一,并且是世界上35%人口的主要粮食作物,它的产量和品质直接决定了人类的生活水平。在我国,小麦是第三大粮食作物,仅次于水稻和玉米；常年种植面积在2400万hm2以上,总产量为1.15亿吨以上,约占粮食作物产量的20%。按小麦皮色的不同,可分为白皮和红皮两类。白皮小麦品种种子相对红皮小麦品种种子休眠期较短,容易发生穗发芽现象。穗发芽现象受多方面因素的影响,如种子自身的休眠性、淀粉酶活性、颖壳中的抑制物等；抗穗发芽的遗传机理受数量性状控制,已在很多染色体上定位了抗穗发芽QTL位点,如第三同源群上找到的R、VP1基因,并且已经开发出大量与穗发芽抗性相关的分子标记。本研究以420份来源广泛的白皮小麦为主组成的自然群体为研究对象,通过对穗发芽、休眠特性、以及群体结构和遗传多样性的分析,筛选休眠性较好的抗穗发芽白皮小麦材料,并分析其遗传特性,有助于解决白皮小麦抗穗发芽资源缺乏的问题,同时通过关联分析找到与穗发芽抗性显著相关的稳定抗穗发芽候选位点,为深入剖析抗穗发芽机理奠定基础。主要实验结果如下：1.对420份以白皮小麦为主的自然群体穗发芽、休眠特性进行研究,共筛选出稳定的抗穗发芽材料四份,分别是来自英国的AS660365、美国南部的AS660608、AS660576和芬兰的AS660583：对多年多点之间、不同方法及重复之间进行相关分析,结果表示各环境下均表现为极显著相关,其中2012年温江与都江堰相关系数最高(培养皿发芽法0.6583、石英砂穴盘发芽法0.3784),2012年温江与雅安相关系数最低(培养皿发芽法0.3654、石英砂穴盘发芽法0.2119)；培养皿发芽法和石英砂穴盘发芽法表现为极显著相关,2012年都江堰相关系数最高(0.6522),2012年雅安相关系数最低(0.3799)；各重复之间也表现出极高的相关性,2012年培养皿发芽法重复之间相关系数最高(0.9221),2012年雅安培养皿发芽法重复之间相关系数最低(0.6657)。2.白皮小麦自然群体来源广泛,覆盖六大洲的46个国家,亲缘关系远,群体结构分析将它们分为四个亚群；利用与种子休眠和穗发芽相关的50对SSR标记,对347份白皮小麦材料进行遗传多样性分析,共检测到191个等位变异,每个位点2-8个,平均3.82个。3.通过TASSEL3.0软件中的一般线性模型过程进行性状和标记的关联分析,共检测到10个与穗发芽性状显著关联的SSR分子标记,对应8条染色体上的8个抗穗发芽候选基因位点。这10个标记分别为：Xbarc273、Xbarc372、Xcfd44、 Xcfd49、Xbarc240、Xbarc275、Xbarc310、Xbarc330、Xgwm296、Xgwm610;其中Xbarc372和Xbarc273能三个环境中重复出现,其它标记仅在某一个环境中出现；Xcfd49和Xbarc273相距9.8cM, Xbarc372与Xbarc240相距10cM,推测他们分别连锁同一抗穗发芽候选基因位点,其余6个标记独立连锁一个抗穗发芽候选基因位点。这些候选基因位点为进一步的定位研究和分子标记辅助选择奠定基础。
 
【关键词】 白皮小麦； 穗发芽； 候选基因位点； 关联分析；

1.文献综述

小麦是三大粮食作物之一，不仅全球有超过30%的人口以小麦为主食，而且小麦还具有重要的营养价值和经济价值，其产量和品质直接关系到世界各国的温饱问题及生活质量。在我国，小麦的产量约占国内粮食总产量的，其种植面积、产量和消费量均居世界首位。按小麦皮色的不同，可分为白皮和红皮两类。白皮小麦呈黄色或乳白色，皮薄且胚乳含量多，出粉率较高；红皮小麦呈深红色或红褐色，胚乳含量少，出粉率较低。近年来，随着消费者对小麦商品品质和加工品质的重视，白皮小麦越来越受到面粉加工企业和农户的青睐。2005年，我国优质麦播种面积占小麦播种面积的45%以上，其中白皮小麦占的比例最大；但研究表明，种皮色级与人工模拟降雨穗发芽率、脱粒籽粒发芽率及塑料袋控湿穗发芽率均呈负相关，而且随着軒粒的不断成熟，这种负相关系数还有加大趋势。这说明种皮色级越低，种子休眠期越短，成熟期发芽率就越高；相对于红皮小麦，白皮小麦品种子休眠期较短，容易发生穗上发芽现象。因此在我国一些易发生穗发芽的麦区，包括北部一西北春麦区、长江中下游麦医和西南麦区，种植红皮小麦品种较为普遍。穗发芽一直是困扰小麦产量和品质的一个重要因素，因此改善白皮小麦的穗发芽抗性在现代化的育种中更为重要。控制小麦性状的基因有单基因控制的质量性状和多基因控制的表现为连续变异的数量性状，小麦的穗发芽属于数量性状，且多数抗穗发芽数量性状基因座位（贡献率比较小，还受到环境影响。目前研究研究数量性状比较有效的方法主要是（利用家系分离群体进行连锁分析（和（利用自然群体进行关联分析（本世纪以来，小麦遗传图谱构建和定位等分子标记技术的推广已经推动了数量性状的深入研究；而年国家科技部公布“常见重大疾病全基因组关联分析和药物基因组学研究”的重点项目，吹响了我国大规模开展研究的号角。本研究拟利用基于候选基因位点的关联分析，对白皮小麦穗发芽抗性基因进行研究。

控制小麦性状的基因有单基因控制的质量性状和多基因控制的表现为连续变异的数量性状，小麦的穗发芽属于数量性状，且多数抗穗发芽数量性状基因座位（贡献率比较小，还受到环境影响。目前研究研究数量性状比较有效的方法主要是（利用家系分离群体进行连锁分析和利用自然群体进行关联分析（本世纪以来，小麦遗传图谱构建和定位等分子标记技术的推广已经推动了数量性状的深入研究；而年国家科技部公布“常见重大疾病全基因组关联分析和药物基因组学研究”的重点项目，吹响了我国大规模开展研究的号角。本研究拟利用基于候选基因位点的关联分析，对白皮小麦穗发芽抗性基因进行研究。

1.1小麦穗发芽研究进展

穗发芽是严重影响小麦产量和品质的一种世界性灾害，是指在完熟收获前遇到下雨或空气湿度大的环境下穗上籽粒提前发芽的现象；它可以严重的降低全球范围以小麦为主产区的粮食产量，世界各地如中国、美国、英国、日本、德国、加拿大、澳大利亚等均受穗发芽危害，尤其是澳大利亚和加拿大最为严重。1985-1987年间，英国穗发芽危害也较严重，平均穗发芽达到20%，农民损失现金5000-6000万英膀，我国陕西关中地区在1992年因小麦穗发芽造成减产达4109千克以下，直接经济损失达206亿元人民币；另外，品质方面，在年指出，碳水化合物降解酶、蛋白水解酶等酶活性上升，胚和胚乳中的物质则被降解，就会降低小麦的加工品质。因此在生产上应该种植抗穗发芽的栽培材料以降低穗发芽带来小麦生产上的损失。前人己报到了很多影响穗发芽的内因和外因，如种皮颜色、脱落酸、赤霉素水平以及后熟作用

1.2 关联分析

关联分析（方法是近年来随着数据处理方法和模型不断发展起来的…个研究性状的新方法。鉴定候选基因或位点与作物性状的关系是以为基础的，所以关联分析又叫做作图。连锁不平衡（也称为配子相不平衡、配子体不平衡和等位基因相关联。简单点讲，连锁不平衡就是“等位基因在不同的位点非随机的相关”。它是由于基因重组或者多年来进化过程中发生的基因型变异，如在一个大的自然群体中，随机的交配，没有选择、突变和迁移，基因型的分布是不会发生改变的，相反，连锁、选择和外来物种的迁入都会增加的水平。

相比传统的连锁作图，作图有着比较明显的优越性，首先它利用的是自然群体，大大缩短了研究时间；其次，关联分析方法构图精确，精度更高，可达到基因水平；第三关联分析方法可同时检测一个座位上的多个等位基因，，，所以关联分析方法的发展就如雨后春努般在生物界发展起来了。

最早将关联分析作图应用到了植物的研究当中，在这些研究当中，他们用分布在全基因组的但比较少的分子标记来研究玉米和水稻的数量性状；第一个在关联分析中定位出的候选位点是与开花期相关的位点这个研究标志着在任何植物器官里，关联分析都可在分子标记背景下，用来控制群体的结构，随后，在同一群体里又用候选基因位点作了更多性状的关联分析。此外，在一系列的精英玉米育种研究中，关联分析也成功在玉米胚乳颜色中定位出候选基因位点。

除了在水稻、玉米中，关联分析也在模式植物拟蓝芥屮得以推广，玉米是异交作物，而拟蓝芥是自交作物，所以它的模式不一样，其的衰减也要比玉米慢许多；水稻和大小麦也是自交作物，其衰减也比较慢。通过对拟蓝芥突变体的研究，尤其是在其适应性和等位基因的鉴定中，关联分析可以提供很多理想的证据，已经有报道基于位点的候选基因已经有报道为多种多样的功能基因。等在首次尝试在拟蓝芥中用全基因组的关联分析方法时，报道了之前已经知道的开花期基因和三个病原菌抗性基因的鉴定等总结，基于综合候选基因位点的关联分析作图和连锁分析作图的实验结果，拟蓝芥中己经知道的的开花期基因，可能含有某些共同的等位基因导致开花期的自然变异。

如今，关联分析方法己经在其他许多重要作物中得到了广泛推广不仅包括模式植物、三大粮食作物，还甘庶、大豆、马铃薯、甜菜、番前、白杨和向日葵等其他植物得到大量的应用。

2 材料与方法

2.1 试验材料

本实验材料为自四川农业大学小麦研究所种质资源库的份白皮小麦所组成的自然群体，其中白皮小麦份，非白皮小麦份作为对照（详见附表。这些材料均为各地的审定品种及地方栽培种，用作关联分析的材料份，具体材料编号见附表1

2.2试验方法

2.2.1田间种植

以上实验材料于2010年种植于四川农业大学雅安校区农场，2011年分别种植于四川农业火学成都校区温江试验基地、都江堰小麦研究所和雅安校区农场。种植方式为双种种植，行长1.5米，行距2.5米，每行15株，正常田间管理。

本文编号：9071