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小麦粒长和千粒重共定位的主效位点的快速定位与鉴定

作者: 马建   审稿人:魏育明     时间: 2022-07-15 点击次数:


小麦产量的构成因素包括单位面积穗数、每穗粒数和粒重。了解籽粒相关性状的遗传特性,对小麦籽粒改良和高产优质小麦新品种的培育具有重要意义。

本研究选用多小穗、高千粒重、农艺性状表现优异的株系S849-8和SY95-71杂交构建的214个F6代重组自交系(RILs)群体为定位群体。利用混池群体分离分析(BSA)和小麦660 K SNP芯片结合的分析方法,快速鉴定到控制籽粒相关性状的染色体区域。此外,在SNP富集的染色体片段内开发分子标记,进行遗传连锁图谱的构建,对籽粒相关性状的QTL进行定位。不断进行图谱密化后,鉴定到了控制小麦KL和TKW共定位的主效QTL,并在由218份四川地方小麦与四川小麦育成品种构成自然种群中进一步验证了该主效位点的贡献效应。进一步分析了该主效位点对农艺相关性状的影响。结果表明,该主效位点不影响小穗数(SNS)、花期(AD)和株高(PH)等农艺性状,说明该位点在育种应用上具有较大的育种潜力。

1.表型鉴定

亲本S849-8的KL、KW、KT、TKW、LWR和KS显著高于亲本SY95-71。同时,S849-8的籽粒表皮细胞显著大于SY95-71,表皮细胞长度和宽度相比于SY95-71分别增加了20.04%和41.71%(图1)。KL、KW、KT、TKW、LWR、KS和FFD的H2分别为0.83、0.46、0.46、0.79、0.65、0.55和0.65。与其他性状相比,KL和TKW表现出相对较高的遗传力(表1)。在所有环境与BLUP数据中,7个籽粒相关性状的频率分布呈连续的正态分布,且在SSY群体中观察到明显的超亲分离,(图2)。

1. 籽粒性状的表型分析

1. 亲本及RIL群体的表型分析

2. 多环境下SSY群体籽粒相关性状频率分布情况

2. BSA+660K分析QTL定位

首先分析了纯合差异SNP在两个极端混池与亲本中的数量。一共鉴定到了800个纯合差异SNP,它们大多数分布在2B124个)和2D92个)染色体上(图10a)。同时,分析了每条染色体上多态性SNP占总SNP的比例,结果显示2D染色体有着较高的SNP比例。因此,2D染色体上可能存在着KL的主效位点。随后,分析了2D染色体各个区段的多态性SNP的数量,以及各区段多态性SNP占各区段总SNP的比例,结果表明KL位点可能位于2D染色体510-530Mbp物理区间(图3)。随后,区间开发了KASP标记在SSY群体中进行基因分型,根据分型结果构建了遗传图谱进行QTL定位,以检测2DLKL基因座的存在。KL的主效位点QKL.sicau-SSY-2D3个环境中能够检测到(2018-2021CZ),并定位于分子标记AX-111516380AX-1088105594.2cM区间。通过比对中国春参考基因组,两个侧翼标记的物理区间6.1Mbp。随后,在6.1Mbp区间内再次开发了KASP标记进行图谱密化,以缩小目的区间(图3)。最后, KL的主效QTL4个环境(2018CZ2019CZ2021CZ2021WJ)与BLUP中定位于分子标记AX-111516380AX-109843323之间,在一个环境(2020CZ)中定位于分子标记AX-108810559 AX-111124089之间。由于AX-111124089AX-111516380是共分离标记,因此它们可以被视为一个QTLKL主效位点QKL.sicau-SSY-2D的正效应位点来源于亲本S849-8,可解释9.68-23.02%的表型变异(表2)。同时,3个环境与BLUP中鉴定到了TKW的主效位点QTKW.sicau-SSY-2D,其定位于分子标记AX-108810559 AX-109843323之间QKL.sicau-SSY-2D存在共定位情况,可解释6.73-18.32%的表型变异(表2

3. BSA分析与遗传图谱构建

2. SSY群体籽粒相关性状的主效QTL定位结果

3. KLTKW主效QTL的验证

基于侧翼标记AX-111516380AX-109843323的分型结果,在218份四川小麦中验证了QKL.sicau-SSY-2D QTKW.sicau-SSY-2D位点对籽粒表型的贡献效应。其中,10479个株系分别携带SY95-71S849-8的纯合等位基因,携带S849-8正效应位点株系相比于携带SY95-71位点株系的KLTKW表型值在自然群体中分别显著增加了10.95%19.90%P < 0.01,图4)。

4 遗传效应分析与主效位点验证

4. 候选基因分析

主效QTL QKL.sicau-SSY-2D QTKW.sicau-SSY-2D共定位于中国春参考基因组2D染色体的521.24-525.27Mbp。随后,对共定位QTL QKL.sicau-SSY-2D/QTKW.sicau-SSY-2D分别在中国春(4.03Mbp)和节节麦(3.97Mbp)参考基因组物理区间内的同源基因进行比对(图5在主效QTL的物理区间内,中国春和节节麦的参考基因组中分别存在6570个候选基因,其中同源基因有21个(图5)。对上述21个同源基因的时空表达模式的分析表明,其中有4个基因(TraesCS2D03G0920800TraesCS2D03G0923200TraesCS2D03G0919600 TraesCS2D03G0923000)在籽粒中相比于其他基因具有较高的表达量(图 6)。随即从SSY群体的亲本中分离出这4个基因的CDS序列,其中2基因在双亲间的CDS序列存在SNP位点变异这些在编码区存在序列差异的基因是我们后续精细定位工作的重点。

5. QKL.sicau-SSY-2D QTKW.sicau-SSY-2D在中国春和节节麦基因组的物理区间内的同源基因


6. QKL.sicau-SSY-2D/QTKW.sicau-SSY-2D区间内候选基因表达量分析


5. 主效位点与农艺性状的遗传相关性分析

本研究中没有在2DL遗传图谱上检测到与PHAD的相关的QTL,说明QKL.sicau-SSY-2D/QTKW.sicau-SSY-2D可能不受PHAD相关基因表达的影响。后续,进一步分析了QKL.sicau-SSY-2D/QTKW.sicau-SSY-2D对农艺相关性状的影响(图7)。结果表明,主效位点QKL.sicau-SSY-2D/QTKW.sicau-SSY-2D不影响SNSADPH等农艺性状,说明该位点在育种上具有大的育种潜力。

7. QKL.sicau-SSY-2D/QTKW.sicau-SSY-2D对农艺性状的效应分析

全文总结

研究利用小麦S849-8SY95-71构建定位群体,通过BSA混池技术与660K芯片结合的方确定了粒长主效位点的大致区段;随即开发KASP标记,在目的区间附近构建紧密的遗传连锁图谱,结合群体的表型数据进行QTL定位。最终粒长的主效QTL被定位于KASP标记KASP- AX-111516380KASP-AX-109843323之间,并且不影响SNSADPH等农艺性状本研究为之后的精细定位奠定了基础,也为小麦优良品种的选育提供了一定的可能。

该结果于202278日在线发表于Theoretical and Applied Genetics杂志(Quick mapping and characterization of a co‑located kernel length and thousand‑kernel weight‑related QTL in wheat)。文章链接:DOI: 10.1007/s00122-022-04154-4

该研究得到国家自然科学基金(3197193731970243)、四川省重大科技专项2022ZDZX0014)、四川省科技厅应用基础研究(2022NSFSC1729)、四川省科技厅国际合作交流(2021YFH00832022YFH0053四川农业大学双支计划等的资助。









 

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