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小麦中独立于春化作用的分蘖角度位点的鉴定

时间: 2021-04-22 点击次数:


分蘖角度是谷类作物中理想株型的重要组成部分。相比水稻而言,小麦中关于分蘖角度的遗传基础研究十分有限。本研究利用小麦55K SNP芯片对20828与SY95-71杂交创制的含有126个株系的重组自交系群体进行基因分型(Liu et al. 2020),结合多达7个不同环境的表型值,遗传鉴定该重组自交系群体(2SY)的分蘖角度QTL位点(图1)。

图1 双亲及部分株系的表型

注:a为20828;b为SY95-71;c为部分群体株系

1. 表型分析

亲本20828与SY95-71的分蘖角度在部分环境中不显著,但2SY群体中表型差异显著,并且分蘖角度的表型值呈连续分布趋势(图2)。各性状所有生态点之间的相关性都达到显著水平。20828、SY95-71和2SY群体的表型值范围分别为12.13 - 33.88°、23.90 - 38.78°和7.33 - 68.90°。

图2 表型分布直方图

2.QTL鉴定与验证

在2B和5D染色体上共检测到3个分蘖角度相关的QTL,其中QTa.sau-2B-769为主效且稳定表达的QTL,其能解释18.1 – 51.1%的表型变异。该QTL被定位于染色体臂2BL上标记AX-111457622(768.6 Mb)和AX-109521596(722.1 Mb)之间的3.2 cM区间内(图3)。对亲本20828和SY95-71进行660K SNP芯片分型,利用SNP数据成功开发出与主效QTLQTa.sau-2B-769紧密连锁的KASP标记KASP-AX-108792274。用该标记对QTa.sau-2B-769在3个不同的遗传群体中进行验证,t检验结果表明含有该QTL增效等位基因的株系比不含该等位基因的株系的分蘖角度增加9.62%至24.92%,平均达到17.27%(图4)。

图3 主效QTL的物理图谱

图4 不同遗传群体下QTa.sau-2B-769的验证

3.QTa.sau-2B-769对其他农艺性状的影响

利用KASP-AX-108792274将2SY群体划为分别含有SY95-71(63个)和20828(62个)等位基因的两个组。稀播条件下,两组的小穗数、开花期、株高、千粒重、有效分蘖数和旗叶角度(Tu et al. 2021)均无显著差异(P> 0.05),表明QTa.sau-2B-769可能不受其他农艺性状影响 (图5)。群体播种条件下,小穗数、开花期、株高、千粒重、有效分蘖数和旗叶角度等性状是否与该分蘖角度位点相关,尚待进一步检测。

图5QTa.sau-2B-769与其他农艺性状的相关性分析

注:TA,分蘖角度;SNS,小穗数;AD,开花期;PH,株高;TKW,千粒重;ETN,有效分蘖数;FLANG,旗叶角度。

4.候选基因预测

比较基因组学分析发现QTa.sau-2B-769所在区间在中国春和野生二粒小麦对应的物理区间内有一些可能与分蘖角度调控相关的基因,如:拟南芥同源基因TraesCS2B01G583800编码一个MYB转录因子,与磺酸抑制因子1协同调控油菜素内酯诱导的基因表达,从而进一步调控分蘖角度。而我们在20828和SY95-71中对该基因进行启动子(2876bp)和基因组序列(1575bp)进行克隆测序时未发现序列差异。另外,公共数据库的表达模式分析显示TraesCS2B01G583800在分蘖节上表达不显著。以上结果表明该基因可能不是QTa.sau-2B-769的候选基因(图6)。TraesCS2B01G583800是否具有拟南芥类似的调控分枝的功能,待进一步分析。

图6 基因TraesCS2B01G583800的序列比对和表达模式分析

5.QTa.sau-2B-769的表达可能独立于春化作用

利用各性状的BLUP值进行相关性分析,发现分蘖角度与小穗数、开花期、株高、千粒重和有效分蘖数间均无显著相关性(P> 0.05),但是其与旗叶角度呈显著正相关性(图7)。而QTa.sau-2B-769也不影响小穗数、开花期、株高、千粒重和有效分蘖数等性状(图5)。在QTa.sau-2B -769的定位区间内我们未检测到与小穗数、开花期、株高、千粒重和有效分蘖数相关的QTL。以上结果表明,QTa.sau-2B-769不是一个多效位点,且在2SY群体中的表达不受开花期和株高的影响。此前有报道称,在早期生长阶段,小麦的分蘖角度主要与春化、矮化和光周期基因相关。本研究中,QTa.sau-2B -769是在成熟期被鉴定到的,且在该位点区间内并没有已知的春化基因存在。因此其可能与春化作用无关。另外,株高基因Rht4(784.3 Mb)和光照周期基因Ppd2(293.7 Mb)位于2B染色体上,但它们离QTa.sau-2B-769较远,进一步确认QTa.sau-2B-769可能在分蘖期发挥着与其他分蘖角度基因不同的调控作用。

图7 分蘖角度与其他农艺性状间的相关性

注:TA,分蘖角度;SNS,小穗数;AD,开花期;PH,株高;TKW,千粒重;ETN,有效分蘖数;FLANG,旗叶角度。

6.总结

本文鉴定一个新的、主效且稳定表达的分蘖角度QTL,并在3个不同遗传群体中对其遗传效应进行了验证。在QTa.sau-2B-769物理区间内发现一个与分蘖角度相关的拟南芥直系同源基因TraesCS2B01G583800,进一步分离其启动子和全基因组序列,结果表明TraesCS2B01G583800可能不是QTa.sau-2B-769的候选基因,其是否参与分蘖调控尚待进一步研究。另外,与其他农艺性状的相关性分析表明QTa.sau-2B-769的表达可能与春化作用无关。本研究结果对精细定位和图位克隆该主效位点,并进一步解析分蘖调控机制奠定了基础。

该结果于近日发表在The Crop Journal杂志(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214514121000659)。

本研究得到了国家自然科学基金、四川省科技厅国际科技合作交流项目、四川省科技厅应用基础研究项目和四川农业大学‘双支计划’的资助。

参考文献:

Liu J, Tang H, Qu X, Liu H, Li C, Tu Y, Li S, Habib A, Mu Y, Dai S, Deng M, Jiang Q, Liu Y, Chen G, Wang J, Chen G, Li W, Jiang Y, Wei Y, Lan X, Zheng Y, Ma J (2020) A novel, major, and validated QTL for the effective tiller number located on chromosome arm 1BL in bread wheat. Plant Mol Biol 104:173-185

Tu Y, Liu H, Liu J, Tang H, Mu Y, Deng M, Jiang Q, Liu Y, Chen G, Wang J, Qi P, Pu Z, Chen G, Peng Y, Jiang Y, Xu Q, Kang H, Lan X, Wei Y, Zheng Y, Ma J (2021) QTL mapping and validation of bread wheat flag leaf morphology across multiple environments in different genetic backgrounds. Theor Appl Genet 134:261-278

 

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