控制我国小麦旗叶性状的遗传位点及候选基因的功能分析

摘要

叶片是植物进行光合作用主要的发生器官，对植物株型的形态建成和产量的形成至关重要。小麦旗叶性状与产量构成因子之间关系密切，叶长、叶宽、叶面积与穗粒重均呈显著正相关，增加旗叶面积有助于提高产量。因此，通过明确我国小麦种质资源的旗叶性状表现，寻找不同时期种质资源旗叶性状的变化规律，定位控制旗叶大小的遗传位点及候选基因，将为小麦旗叶性状的遗传改良奠定理论基础。为此本研究开展如下三方面的研究：
　　1.我国小麦旗叶性状的演变规律
　　在2014-2015生长季，对在北京和河北赵县种植的我国1500份不同年代小麦种质资源（包括地方品种、近代育成品种和现代育成品种）进行旗叶大小的测量。结果表明：我国小麦旗叶面积的变异范围为1306-5483mm2，旗叶长为121-327mm，旗叶宽为8.6-24.0mm，其中我国地方品种旗叶平均面积、长度和宽度分别为2528mm2、240mm和13.7mm，近代育成品种为2671mm2、220mm和16.0mm，现代育成品种为2666mm2、205mm和17.2mm，表明新近育成的小麦品种旗叶长度逐渐变短，而旗叶宽度不断增加，有效地保证了旗叶的面积，暗示旗叶宽度在品种改良中可能有着重要作用。进一步对旗叶性状和产量三要素和籽粒大小进行相关性分析发现，旗叶宽度和千粒重（r=0.345）、粒宽（r=0.391）以及穗粒数（r=0.456）之间存在着极显著的正相关关系，而和单株穗数（r=-0.440）之间存在着极显著的负相关，也说明旗叶宽度在育种家对粒重和穗粒数的改良中得到了同步的选择。此外，两个地点的相关性分析表明环境对旗叶面积和叶长影响较大，而叶宽在不同地点之间相对稳定。
　　2.我国小麦种质资源旗叶性状的遗传位点解析
　　为了解析控制我国小麦旗叶性状的遗传位点，获得与旗叶大小关联的分子标记，在花后一周对河北赵县、衡水等不同环境下点播种植的342份黄淮及北方冬麦区主要小麦品种（系）材料进行旗叶性状的调查，并利用小麦Wheat660K SNP芯片进行全基因组基因型的扫描。通过STRUCTURE v2.3.4软件对群体结构进行分析，将所研究材料划分为7个亚群（k=7）；利用TASSEL v5.2.2对383,780个标记和旗叶性状进行关联分析。关联分析初步的结果表明：在不同种植环境条件下，共检测到位于16个染色体区段（1A、1B、2A、2B、3A、3B、3D、4A、4B、5A、5D、6A、6B、7A、7B和7D）上的40个位点与旗叶性状密切相关。标记AX-109920673（2B）、AX-108806630（3B）、AX-109688668（3D）、AX-108916381（4A）、AX-110537692（7A）、AX-109372256（7A）、AX-111235579（7A）和AX-110878687（7D）与旗叶长、旗叶面积显著关联；位于5A上的标记AX-95628815、AX-94909932、AX-111616054和AX-111648402能够显著的影响旗叶宽和旗叶面积。旗叶性状的关联位点在不同环境中虽有差异但仍较为稳定，尤其是旗叶宽性状，其关联的位点大多在4个环境中均可以检测到，且表型变异贡献率较高，说明小麦旗叶性状虽然受到环境的影响，但仍然存在一些重要的控制小麦旗叶性状形成的染色体区段，对这些区段建立有效的分子标记乃至克隆其携带的基因将有助于小麦旗叶性状的定向改良，促进小麦新品种的培育。
　　3.控制小麦旗叶宽候选基因TaNAL1-5的克隆及功能分析
　　OsNAL1基因是水稻中重要的调控剑叶宽的基因，该基因的突变显著降低了生长素的极性运输活性，在叶片的横向生长中发挥重要作用。利用比较基因组学的方法，发现其小麦同源基因TaNAL1位于5A染色体上与叶宽关联的位点附近，因此以水稻NAL1基因作为参考序列，从小麦品种中国春中克隆获得三条分别定位于5A、5B和5D染色体的TaNAL1序列。小麦TaNAL1-5基因由5个外显子和4个内含子组成，其中TaNAL1-5A和TaNAL1-5B ORF全长为1803bp，编码600个氨基酸，TaNAL1-5D ORF全长1796bp，编码598个氨基酸，均具有半胱氨酸/丝氨酸胰蛋白酶结构域。不同普通小麦品种中该基因的A、B和D三个拷贝的序列比较发现：TaNAL1-5A检测到呈现单体型的9个SNP位点和一个19bp Indel的两种等位变异（Hap-A1和Hap-A2），且其启动子区域存在与编码区一致的呈现单体型的6个SNP位点和一个24bp Indel，但TaNAL1-5B/5D在这些材料之间没有检测到序列多态性；TaNAL1-5A编码氨基酸的第473位存在M-T、第480位存在H-P的氨基酸改变，可能会引起其编码蛋白的功能变化。根据TaNAL1-5A中19bp Indel开发了功能标记并对115份普通小麦组成的自然群体进行检测，其中55份为Hap-A1类型，其叶宽均值为14.7mm，而60份Hap-A2类型材料的叶宽均值（18.1mm）显著高于Hap-A1类型，且千粒重和小穗数也显著高于Hap-A1类型，说明无19bp插入的Hap-A2是优良等位变异类型，TaNAL1-5A在小麦旗叶形态建成过程中有着重要作用，且可能参与了产量三要素的形成。TaNAL1-5在灌浆快增期的籽粒中表达量急速增加，说明TaNAL1-5很可能参与了籽粒干物质的形成过程，对粒重的形成具有一定的作用。
　　本研究从表型变异入手，通过调查我国不同育成年代小麦品种的旗叶性状，明确了随着育种年代的延伸，小麦旗叶叶长逐渐变短、叶宽增加，并伴随着穗粒数、千粒重的同步增加，而叶面积基本保持不变；通过关联分析明确小麦旗叶性状受到40个遗传位点的控制，并利用5A关联位点附近的TaNAL1-5基因进行重要候选基因的功能分析，明确表型变异的遗传控制，为旗叶的定向改良提供理论基础并为小麦重要农艺性状的遗传解析提供新思路。

目录

封面

声明

致谢

目录

中文摘要

第一章 文献综述

1.1 小麦旗叶对产量的重要性

1.2 我国小麦品种更替过程中旗叶性状的演变规律

1.3 旗叶性状相关遗传位点及基因的研究进展

1.4 全基因组关联分析研究现状

1.5 本研究目的与意义

第二章 我国小麦旗叶性状的演变规律

引言

2.1 材料与方法

2.2 结果与分析

2.3 结论与讨论

第三章 小麦旗叶性状的全基因组关联分析

引言

3.1 材料与方法

3.2 结果与分析

3.3 结论与讨论

第四章 控制小麦旗叶宽候选基因TaNAL1-5的克隆及功能分析

引言

4.1 材料与方法

4.2 结果与分析

4.3 结论与讨论

参考文献

英文摘要

附录

英文缩略表

作者简介