芝麻株型相关性状QTL定位与基因表达分析

摘要

芝麻(Sesamum indium L.，2n=26)是我国的传统特色油料作物，栽培历史悠久，具有很高的食用价值和营养价值。芝麻品种的株型比较高大，难以适应机械化收获，迄今在生产过程中仍以人工操作为主，因此改良芝麻株型是当前的主要育种目标。叶型和株高是芝麻株型的主要构成因素，分析其遗传变异特征，发掘调控基因位点，对芝麻株型改良具有重要指导意义。本研究以中芝13（大叶片）和ZMM2289（小叶片）为亲本构建的F8RIL群体为试验材料，采用QTL-seq结合遗传作图方法对芝麻叶片大小相关性状进行QTL定位;对芝麻中与调控株高发育有关的赤霉素基因进行了鉴定分析。主要结论如下: (1)通过对亲本和RIL群体三个环境的叶片大小表型调查和统计分析，调查了芝麻整个株高自下而上1/3和1/2部位叶片的长、宽，发现以上性状在不同RIL株系中存在较大遗传变异，变异趋势符合正态分布，呈现典型数量性状特征;同一部位的叶长与叶宽、不同部叶长之间及叶宽之间均存在显著相关性。 (2)利用QTL-seq技术，结合SSR标记遗传作图，在三个环境中共检测到59个叶片大小相关性状QTL位点，包括1/3部位叶片长QTL17个，1/3部位叶片宽QTL11个，1/2部位叶片长QTL15个，1/2部位叶片宽QTL16个，它们主要分布在基因组3号和9号染色体上。其中，在三个环境中重复检测到9个位点，表型贡献率为5.59％-21.05％;在两个环境中被重复检测到6个位点，表型贡献率为2.50％-6.78％;其他QTL只在单一环境中检测到，其中表型贡献率大于5％的位点21个。 (3)在标记区间ZMM6185-ZMM3196的2.16cM遗传距离区间内，检测到qTLL9-1、qTLW9-1、qSLL9-1、qSLW9-1四个分别控制1/3部位叶片长、1/3部位叶片宽、1/2部位叶片长、1/2部位叶片宽性状的QTL位点，平均表型贡献率达13.84％，该区间内的QTL位点能够在不同环境重复检测到，因而是控制叶片大小的主要区段。进一步分析将该区段比对到芝麻9号染色体上的19996854bp-20404791bp的408kb区间，通过基因注释分析发掘出22个与叶片大小相关的候选基因。 (4)对芝麻中赤霉素合成相关基因进行全基因组鉴定，共鉴定出32个相关基因，分属7个不同的基因家族，其中CPS家族基因5个、KS家族基因3个、KAO家族基因2个、KO家族基因3个、GA20ox家族基因7个、GA2ox家族基因9个、GA3ox家族基因3个。7个基因家族在不同组织中表达模式不同，其中KS基因在种子、茎尖和叶片中表达相对较高，CPS基因在心皮和种子中活性较强，但在茎尖和叶片中几乎没有表达;就不同组织而言，以上基因在种子中的活性整体较高，在叶片中的活性整体较低，在根尖中的表达量相对高于茎尖。其中基因SiGA20ox6和SiGA3ox1在茎尖中表达量最高，它们在拟南芥中的同源基因AtGA20ox1和AtGA3ox1被证明能够使拟南芥节间伸长，因此推测该基因可能参与调控芝麻株高发育。