小麦茎秆水溶性碳水化合物合成基因TaSST的克隆、功能标记开发和关联分析

摘要

小麦茎秆水溶性碳水化合物（Water soluble carbohydrate，WSC）贮积量对提高粒重和产量具有重要贡献。果聚糖是 WSC的主要成分，主要由蔗糖:蔗糖-1-果糖基转移酶（Sucrose:sucrose-1-fructosyltransferase，1-SST）调节，发掘该调控酶基因不同等位变异，开发并验证其特异性分子标记，对培育高产品种具有重要价值。本研究选用166份中国黄淮麦区的主栽品种，克隆TaSST基因，同时，结合90K基因芯片对石4185/豆麦重组自交系（Recombinant inbred lines，RIL）群体和166份品种的自然群体进行WSC含量的QTL（Quantitative trait loci）分析和关联分析。主要结果如下：
　　1.克隆了普通小麦果聚糖合成酶TaSST基因，该基因位于小麦4A，7A和7D染色体上，分别命名为TaSST-A1、TaSST-A2和TaSST-D1，其编码区（Coding sequence，CDS）长度分别为1,992 bp、1,989 bp和1,989 bp。TaSST-A1、TaSST-A2和TaSST-D1都含有4个外显子和3个内含子，与大麦1-SST基因一致。通过对不同小麦品种TaSST基因序列进行多态性分析，发现TaSST-A2两个等位基因在第一外显子区存在1个单核苷酸多态性（Single nucleotide polymorphism，SNP），第一个内含子存在4个SNP、1个1 bp的插入/缺失（Insertion/Deletion， InDel），第3外显子区存在8个SNP，第3内含子区存在1个13 bp的InDel。TaSST-D1两个等位基因在第3外显子区存在15个SNP。不同小麦品种TaSST-A1基因序列没有多态性。
　　2.根据TaSST-D1基因1,216位点的SNP，开发了酶切扩增多态性序列（Cleaved amplification polymorphism sequence，CAPS）标记WSC7D，TaSST-D1a基因型产生633/137 bp特征条带，与高WSC含量有关；TaSST-D1b基因型产生770 bp特征条带，与低WSC含量有关。利用一套中国春缺体-四体系、7DS双端体系将WSC7D定位在小麦7DS染色体上。用此标记检测166份小麦材料，不同基因型的WSC含量差异达到1％显著水平。此外，还利用石4185/豆麦 RIL群体的192个品系对标记进行了验证，2个环境下不同基因型的WSC含量差异也达到1%显著水平。
　　3.利用石4185/豆麦 RIL群体的192个重组自交系，7,412个SNP标记和一个新开发的CAPS标记对普通小麦WSC含量进行QTL分析。共检测到3个QTL， QWSC.caas-4BS、 QWSC.caas-7AS和QWSC.caas-7DS，分别位于4BS、7AS和7DS染色体上。QWSC.caas-4BS位于 SNP标记Excalibur_c18318_665和 Tdurum_contig31139_143之间； QWSC.caas-7AS位于 SNP标记Kukri_c107638_253和Excalibur_c7538_2718之间；QWSC.caas-7DS位于标记WSC7D(TaSST-D1)和BS00108793_51之间。QWSC.caas-4BS、QWSC.caas-7AS和QWSC.caas-7DS在不同环境下分别解释7.1-9.3%、4.6-5.4%和8.8-11.3%的表型变异。
　　4.采用分布于小麦基因组的18,207个高质量SNP标记，通过TASSEL软件的混合线性模型（Mixed-linear model，MLM）对166份品种进行全基因组关联分析（Genome-wide association study， GWAS）。MLM检测到52个分布于23个染色体区域（-log10(P)≥3.0）与WSC含量显著相关的SNP，单个SNP可以解释6.8-15.2%的表型变异。在显著相关的SNP位点区域内发现8个候选基因，即SDP6、Hgsnat、CBL7、PPR-repeat、RPD8L3、RPM1、TaMPK21-1和WAK3。