甘蓝型油菜株型与角果相关性状的QTL分析

摘要

当前，选育株型得到改良、适合机械化生产的油菜新品种是我国油菜育种的主攻方向之一，而开展油菜株型相关性状的遗传研究和QTL定位工作，是实现分子标记辅助选育特异株型油菜新品种的基础。本研究以矮秆紧凑型甘蓝型油菜4942C-5和正常株型油菜8008及其构建的包含181个株系的DH群体为材料，对甘蓝型油菜株型及产量相关的16个性状进行了QTL定位和分析，主要结果如下:
　　1.甘蓝型油菜遗传图谱的构建及图谱比较基因组学信息
　　利用DH群体构建了一张包含1902个标记（AFLP标记160个，SSR标记253个，IP标记80个，SCAR标记3个及SNP标记1406个）的高密度遗传连锁图，包含20条连锁群（C1连锁群被分成两条连锁群），图谱总长2328.97cM，标记间平均图距1.46cM，与国际上已发表的遗传图谱有较好的一致性。此外，通过Blastn分析将456个拟南芥同源基因、549个白菜同源基因和421个甘蓝同源基因定位到甘蓝型油菜A基因组，212个拟南芥基因、209个白菜同源基因和250个甘蓝基因定位到甘蓝型油菜C基因组。以已鉴定的拟南芥24个保守区段为基础，利用比对到图谱上的拟南芥基因鉴定了63个共线性片段和82个插入片段。
　　2.共线性分析
　　结果均表现为A基因组的共线性优于C基因组。对甘蓝型油菜连锁群与对应甘蓝型油菜假染色体的共线性分析，甘蓝型油菜连锁群与对应白菜、甘蓝假染色体的共线性分析，甘蓝型油菜染色体与对应白菜、甘蓝假染色体的共线性分析这三个结果进行比较，就共线性强弱程度而言，前两个基本一致，第三个大都优于前两个，这可能表明某些连锁关系还有待进一步确认，也可能本研究材料这些区域存在着染色体重排，但都进一步证实了甘蓝型油菜源于白菜和甘蓝;就甘蓝型油菜连锁群(BnA1-BnA10，BnC1-BnC9)、甘蓝型油菜染色体(Bn1-Bn19)、白菜(BrA1-BrA10)和甘蓝(BoC1-BoC9)染色体的方向来看，BnA1-Bn1-BrA1、BnA2-Bn2-BrA2、BnA4-Bn4-BrA4、BnA6-Bn6-BrA6、BnA7-Bn7-BrA7、BnC3-Bn13-BoC3、BnC4-Bn14-BoC4、BnC8-Bn18-BoC8、BnC9-Bn19-BoC9三者两两间方向都相同。共线性分析结果揭示的方向及共线性程度的强弱对利用其他作物基因组序列信息来解决甘蓝型油菜的实际问题奠定了基础。
　　3.DH群体频率分布与QTL定位
　　分析了DH群体16个性状在三个环境下的频率分布，结果表明大多数性状呈连续分布且存在多峰，偏离了标准正态分布。通过复合区间作图法(CIM)在全基因组进行QTL扫描分析，16个性状在三个环境中分别检测到117个、122个、98个QTL，共计337个QTL。利用不同性状逐一进行QTL元分析后，这337个QTL最终整合为234个，分配在甘蓝型油菜20条连锁群上。其中平均分枝长度(ALPB)检测到17个QTL，分布在A1、A3、A5、A6、A7和C1a连锁群，单个QTL解释的遗传变异为3.9-25.9％;主花序长度(LMI)检测到23个QTL，分布在A1、A3、A5、A6、A7、C8和C9连锁群，单个QTL解释的遗传变异为4.7-25.5％;角果层长度(LSL)检测到10个QTL，分布在A1、A3、A6、A9、C3和C8连锁群，单个QTL解释的遗传变异为5.1-11.8％;分枝角果数(NSB)检测到9个QTL，分布在A1、A3、A9和C3连锁群，单个QTL解释的遗传变异为4.4-20.1％;一次有效分枝数(PB)检测到15个QTL，分布在A1、A4、A7、C1a、C1b、C2、C3和C4连锁群，单个QTL解释的遗传变异为4.7-15.1％;株高(PH)检测到15个QTL，分布在A1、A3、A6、A7、C1b和C9连锁群，单个QTL解释的遗传变异为0.7-32.2％;分枝角果密度(SDB)检测到24个QTL，分布在A1、A3、A5、A6、A7、A9、C1a、C1b、C6、C7和C9连锁群，单个QTL解释的遗传变异为4.4-16.0％;主花序角果密度(SDMI)检测到10个QTL，分布在A3、A6、A7、C1a和C7连锁群，单个QTL解释的遗传变异为5.3-12.9％;角果长度(SL)检测到11个QTL，分布在A1、A7、A9和A10连锁群，单个QTL解释的遗传变异为2.4-60.0％;主花序角果数(SMI)检测到17个QTL，分布在A1、A2、A3、A5、A9和C1a连锁群，单个QTL解释的遗传变异为4.7-14.8％;每角果粒数(SN)检测到15个QTL，分布在A1、A6、A7、A8、C1a、C1b、C3和C5连锁群，单个QTL解释的遗传变异为4.9-26.6％;单株角果数(SNPP)检测到9个QTL，分布在A1、A9和C3连锁群，单个QTL解释的遗传变异为4.8-24.3％;单株种子产量(SY)检测到10个QTL，分布在A1、A3、A9、C3和C8连锁群，单个QTL解释的遗传变异为4.4-35.7％;总分枝长度(TLPB)检测到13个QTL，分布在A1、A3、A6、A9、C1a和C3连锁群，单个QTL解释的遗传变异为5.3-17.9％;千粒重(TSW)检测到16个QTL，分布在A1、A7、A9、C1a、C1b、C8和C9连锁群，单个QTL解释的遗传变异为3.4-38.8％;角果层宽度(WSL)检测到20个QTL，分布在A1、A2、A3、A5、A7和A9连锁群，单个QTL解释的遗传变异为4.2-31.3％。
　　4.甘蓝型旁系同源保守区段内的QTL及同源QTL分析
　　第一轮元分析的234个QTL中有168个能定位到十字花科保守区段上，包括U、H、F、W、E、R、J、C、X、M、N、B、I、A共计14个保守区段。根据QTL的分布情况，在甘蓝型油菜基因组的旁系同源保守区段寻找同源QTL，结果8个性状包括一次有效分枝数、角果长度、角果层宽度、每角果粒数、千粒重、株高、主花序长度、种子产量共发现了8对同源QTL，这8对同源QTL分布在E、U、X、R保守区段。
　　5.多效性QTL及产量指示QTL
　　第二轮元分析整合结果表明共存在59个多效性QTL，这些多效性QTL涉及2-8个性状不等，为设计理想株型提供了依据。如mqA1.14将株型性状、株型兼角果性状、角果性状、单株产量整合到一起。本研究中检测到的10个种子产量QTL中的7个存在于多效性QTL中。在这7个与产量相关的多效性QTL中，mqA1.14、mqA9.4、mqC8.1的指示性状分别是主花序长度、主花序角果数和干粒重千粒重，而mqA1.5、mqA1.9、mqC3.2和mqC3.4中没有一个QTL能作为单株产量的指示QTL。
　　6.株型与产量候选基因在图谱上的定位
　　连锁分析表明，依据拟南芥株型及籽粒相关基因TCP24、Sep1、AP1、STM、LFY、ANT、AXR6、PIN1、AP3、REV,、TTG2、TT5设计的21对引物获得的26个标记可被定位到图谱的不同位置上，且在某些基因标记附近能检测到QTL，但这些QTL与候选基因是否存在着一定的联系还需进一步证实。同时，本研究还以定位到图谱上的拟南芥基因为桥梁，将玉米、水稻中株型及产量相关的重要基因定位到本研究构建的遗传图谱的大致位置上，结果有6个候选基因（GS5、ARGOS、MINI3、CLAVATA1、DEP2、IPA1/OsSPL14）定位到遗传图谱的8个不同位置，其中与籽粒相关的基因GS5、ARGOS和MINI3被定位到附近有千粒重、每角果粒数、角果长度、籽粒产量性状相关QTL的位置上;与花/花序相关的拟南芥基因CLAVATA1被定位到A2连锁群的E保守区段，在此位置附近有一个主花序角果数的QTL;直立密穗基因DEP2被定位到A5连锁群F保守区段，在其附近有平均分枝长度和总分枝长度的QTL;水稻理想株型基因IPA1/OsSPL14被定位到A9连锁群N区段，相应位置定位了两个分枝角果密度的QTL。

目录

声明

摘要

缩略词

1 文献综述

1．1 作物株型研究进展

1．1．1 不同作物理想株型的界定

1．1．2 作物株型进化基因

1．1．3 分枝／分蘖数目调控基因

1．1．4 分枝／分蘖角度基因

1．1．5 株高的调控机制

1．1．6 花／花序／花穗的形成及形态相关基因

1．1．7 水稻理想株型基因

1．1．8 油菜理想株型研究进展

1．2 籽粒发育研究进展

1．3 数量性状遗传解析

1．3．1 数量性状的特点及研究方法

1．3．2 QTL定位原理

1．3．3 QTL定位群体及特点

1．3．4 QTL定位的分子标记

1．3．5 QTL定位方法的发展

1．4 油菜产量性状QTL定位

1．5 十字花科植物进化及比较基因组学研究进展

2．本研究的目的及意义

3 材料与方法

3．1 试验材料

3．2 DNA提取

3．3 引物多态性筛选

3．4 SSR、SCAR、AFLP及口群体基因型分析

3．5 SNP芯片标记分析

3．6 遗传连锁图谱的构建

3．7 Blastn分析

3．8 田间试验设计

3．9 性状考察

3．10 统计分析

3．11 QTL定位

3．12 QTL整合

4 结果与分析

4．1 甘蓝型油菜遗传连锁图谱的构建

4．1．1 多态性标记筛选和群体基因型分析

4．1．2 遗传连锁图谱的构建

4．1．3 遗传连锁图谱信息统计

4．2 十字花科物种比较基因组学研究

4．2．1 连锁图谱上分子标记对应的比较基因组学信息

4．2．2 甘蓝型油菜连锁群与甘蓝型油菜假定染色体的比对

4．2．3 甘蓝型油菜连锁群与白菜染色体、甘蓝假定染色体的比对

4．2．4 甘蓝型油菜假染色体与白菜染色体、甘蓝假染色体的比对

4．2．5 甘蓝型油菜连锁图谱对应的拟南芥作物保守区段及插入片段

4．3 株型及籽粒相关性状的QTL定位与分析

4．3．1 亲本及DH群体在不同环境中的性状表现

4．3．2 方差分析，广义遗传率估算及遗传相关系数

4．3．3 本研究16个考察性状QTL定位

4．3．4 QTL对应的十字花科作物保守区段及同源QTL

4．3．5 有研究价值的QTL

4．3．6 多效性QTL及产量指示QTL

4．4 株型与籽粒候选基因在遗传连锁图谱上的定位

5 讨论

5．1 本研究材料的创新性及其应用价值

5．2 油菜株型研究的困境

5．3 矮秆紧凑突变株型可能成因

5．4 对产量性状间相关分析结果的思索

5．5 IP及SNP标记在图谱构建中的应用

5．6 QTL定位存在的若干问题

5．6．1 亲本材料对QTL定位的重要意义

5．6．2 作图群体表型数据是否都要满足正态分布?

5．6．3 不同方法对QTL定位的影响

5．6．4 偏分离标记对QTL定位的影响

5．6．5 QTL贡献率的问题

5．6．6 复合性状QTL定位与育种

5．7 旁系同源保守区段内的同源QTL

5．8 本研究定位的QTL与其他研究的比较

5．8．1 单株角果数QTL定位结果比较

5．8．2 每角果粒数QTL定位结果比较

5．8．3 角果长QTL定位结果比较

5．8．4 千粒重QTL定位结果比较

5．8．5 一次有效分枝数QTL定位结果比较

5．8．6 分枝角果数QTL定位结果比较

5．8．7 单株产量QTL定位结果比较

5．8．8 株高QTL定位结果比较

5．8．9 主花序长度QTL定位结果比较

5．8．10 主花序角果数QTL定位结果比较

5．8．11 主花序角果密度QTL定位结果比较

5．9 QTL整合的意义

6 小结

参考文献

附录

作者简介和在读期间发表论文

致谢