小麦茎秆木质素含量相关基因TaCOMT克隆、功能标记开发和关联分析

摘要

茎秆木质素含量是影响小麦（Triticum aestivum L.）倒伏的重要因素，而咖啡酸-O-甲基转移酶（COMT）是木质素生物合成途径的关键酶。因此，发掘COMT基因不同等位变异并开发功能标记对小麦茎秆木质素含量的遗传改良具有重要意义。本研究选用166份来自我国黄淮麦区及国外的小麦主栽品种及高代品系，测定其在2年4个环境下的茎秆木质素含量；采用同源克隆结合PCR验证的方法，克隆小麦TaCOMT基因，分析其在不同品种中的等位变异并开发功能标记；同时采用90K SNP芯片对茎秆木质素含量进行全基因组关联分析（GWAS）。主要结果如下：
　　1.对166份小麦品种茎秆木质素含量分析表明，基因型、环境及其互作效应均对茎秆木质素含量具有显著影响。茎秆木质素含量广义遗传力为0.90，因此，可在小麦育种早期世代对茎秆木质素含量进行有效选择。
　　2.克隆了小麦3A、3B和3D染色体上 COMT基因的全长基因组 DNA序列，分别命名为TaCOMT-3A、TaCOMT-3B和TaCOMT-3D。三个基因均含两个外显子和一个内含子，其编码区序列（CDS）均为1071 bp，一致性达97.9％，编码氨基酸序列相似性达99.1%；内含子区变异较大，序列一致性为81.7%。同源分析表明，与双子叶植物相比，TaCOMT基因和来自其他单子叶植物COMT基因亲缘关系更近。
　　3.对于TaCOMT-3A基因，发现两个等位变异，分别命名为TaCOMT-3Aa和TaCOMT-3Ab，其中TaCOMT-3Ab在第二外显子中存在一个单碱基缺失，导致蛋白翻译提前终止。据此开发了可区分这两种变异的酶切扩增多态性序列（CAPS）标记，命名为COMT3A-CAPS。用166份小麦品种（系）对其进行验证，两种基因型材料间茎秆木质素含量差异不显著。
　　4.对于TaCOMT-3B基因，发现两个等位变异，分别命名为TaCOMT-3Ba和TaCOMT-3Bb，其在3'-UTR处存在一个222 bp的插入/缺失（InDel），据此开发了一个共显性功能标记，命名为COMT-S3B。该标记在基因型为TaCOMT-3Ba和TaCOMT-3Bb的品种（系）中可分别扩增出638和416 bp的特异片段。在2年4个环境下，基因型为TaCOMT-3Ba的品种（系）茎秆木质素含量显著高于基因型为TaCOMT-3Bb的品种（系）。表明TaCOMT-3B对小麦茎秆木质素含量具有显著影响，标记COMT-S3B可有效用于小麦茎秆木质素含量的分子标记辅助选择，加快育种进程。
　　5.从小麦90K SNP芯片标记中筛选得到18207个均匀分布于小麦全基因组的高质量标记，对茎秆木质素含量进行GWAS分析，共检测到15个与木质素含量显著关联的位点，这些位点可解释6.8%～10.4%的表型变异。

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英文缩略表

第一章 引 言

1.1 木质素组成及分布

1.2 木质素生物合成及调控

1.3 木质素与作物抗倒性的关系

1.4 木质素对饲草消化率及造纸业的影响

1.4 COMT基因的特征

1.5 研究目的和意义

1.6 本研究技术路线

第二章 普通小麦TaCOMT基因的克隆与功能标记发掘

2.1 试验材料

2.2 试验方法

2.3 结果分析

2.4 讨论

第三章 普通小麦茎秆木质素含量全基因组关联分析

3.1 试验材料

3.2 试验方法

3.3 结果分析

3.4 讨论

第四章 全文结论

参考文献

附录

致谢

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