二倍体马铃薯遗传图谱构建及晚疫病抗性QTL定位

摘要

马铃薯(Solanum tuberosum L.)起源于南美洲安第斯山脉，是世界第四大粮食作物，第一大非谷类粮食作物。目前我国是世界上马铃薯生产第一大国，马铃薯产业已经成为我国农村经济发展的一个重要支柱产业。晚疫病(Phytophthora infestans)是世界范围内的马铃薯主要病害之一，是国际第一大作物病害。虽然化学防治是目前国内外最主要的晚疫病防治措施，但化学防治带来了更高的生产投入和环境污染。此外，晚疫病原菌的抗药性问题使化学防治的难度日益增加。因此，晚疫病持久抗性品种的选育越来越受到关注。但到目前为止，马铃薯生产中仍然缺乏优良的晚疫病持久抗性品种。因此，寻找新的晚疫病抗性资源，解析晚疫病持久抗性机理，最终选育出晚疫病持久抗性品种，是马铃薯研究者和育种家当前面临的一项重大而紧迫的任务。
　　 为了寻找新的抗性资源，本研究构建了二倍体马铃薯B3C1HP群体的遗传连锁图谱，在此基础上定位了控制晚疫病抗性的QTL，主要研究结果如下：
　　 1.利用STS、SSR和AFLP等标记，构建了B3CIHP群体的母本初步图谱，图谱总长810 cM。基于此图谱，本研究首次将条件QTL分析应用于马铃薯晚疫病数量抗性研究，定位了6个条件QTL(dPI02、dPI07、dPI09a、dPI09b、dPI09c和dPI12)。所有的条件QTL的表达模式都表现出即时性，在各田间环境中的不同的晚疫病发展阶段，各条件QTL表达与否及效应的强弱都发生着变化。传统QTL定位仅检测到了一个QTL(PI09)，PI09与dPI09c是两种不同的定位方法(传统和条件QTL定位)检测到的同一个QTL。相对于传统QTL定位，条件QTL定位能检测到更多的QTL，尤其是效应较小的QTL。条件QTL定位能反映晚疫病抗性反应过程中相关基因的表达动态，QTL的表达动态与晚疫病的发生发展过程吻合。
　　 2.针对马铃薯晚疫病抗性筛选了88对位置CG标记引物和161对功能CG标记引物，产生了88个多态性CG标记，加上CIP(国际马铃薯中心)提供的28个CG标记，共116个CG标记用于构建B3C1HP群体的遗传图谱。利用630个多态性的标记(包括116个CG标记)分别构建了B3C1HP群体的整合图谱、父本图谱和母本图谱，图谱总长分别为898、622和821 cM。在整合图谱、父本图谱和母本图谱上分别定位了78、24和47个CG标记。
　　 3.利用整合图谱进行的IM分析定位了3个传统QTL(PI07、PI09和PI12)和14个条件QTL(dPI01、dPI02、dPI03、dPI06a、dPI06b、dPI07a、dPI07b、dPI07c、dPI09a、dP109c、dPI10a、dPI10b、dPI12a和dPI12b)。利用父本图谱进行的IM和MQM分析都定位了两个条件QTL(dPI06m和dPI07m)，置信区间平均长度分别为19.1和7.0 cM。
　　 4.利用母本图谱进行的MQM分析定位了1个传统QTL(PI09)和7个条件QTL(dPI02、dPI07、dPI09a、dPI09b、dPI09c、dPI09d和dPI12)，置信区间平均长度为5.9 cM。通过比较基于母本图谱的IM、MQM、MCIM和CIM等不同QTL定位方法的结果，本研究认为，MQM定位的QTL及其表达动态能被MCIM和CIM等分析结果验证，而且相对于IM、MCIM和CIM，MQM能实现QTL的精确定位，QTL平均置信区间(5.9 cM)小于已报道的晚疫病抗性QTL的平均置信区间(24 cM)。
　　 5.根据父本图谱和母本图谱的MQM和MCIM定位结果，9个CG标记位于各QTL的置信区间内，包括6个位置CG标记(GP94_1085、GP129_1829、DMC42152bf、DMC42144af、Rpi_svnt1_367和STM0003f)和3个功能CG标记(STMIU06m、STI0014和STMCL13_2)，其中STI0014和DMC42152bf分别位于两个QTL的LOD峰值上。本研究定位的QTL置信区间内的CG标记可以用于马铃薯晚疫病数量抗性的分子标记的辅助选择。
　　 6.马铃薯基因组序列上与dPI07、dPI09a、dPI09b、dPI09c(PI09)和dPI12等QTL的置信区间对应的区段分别含有409，129，206，128和246个基因。dPI09c(PI09)对应的基因组区段含有9个与Rpi-vnt1.1类似的基因，此外还有其它5个NBS-LRR类型基因。
　　 本研究定位的dPI09c(PI09)无论对于马铃薯晚疫病抗性育种还是晚疫病抗性分子机理研究来说都是一个非常有价值的、新的抗性资源。本研究的结果对于晚疫病抗性基因的克隆及以及利用MAS进行晚疫病持久抗性选育均具有理论和应用参考价值。

目录

文摘

英文文摘

缩略语表

第一章 研究进展

1.1 马铃薯是重要的粮食作物

1.2 马铃薯晚疫病概况

1.2.1 晚疫病菌

1.2.2 马铃薯晚疫病的危害

1.2.3 马铃薯晚疫病的防治

1.3 晚疫病抗性研究进展

1.3.1 马铃薯晚疫病质量抗性研究进展

1.3.2 马铃薯晚疫病数量抗性研究进展

1.3.3 马铃薯晚疫病抗性机理研究现状

1.4 课题的提出

第二章 传统QTL与条件QTL定位

2.1 前言

2.2 材料与方法

2.2.1 植物材料

2.2.2 晚疫病抗性田间鉴定

2.2.3 标记检测

2.2.4 图谱构建

2.2.5 QTL定位

2.3 结果与分析

2.3.1 B3C1HP群体晚疫病田间评价

2.3.2 B3C1HP群体的母本初步图谱

2.3.3 传统QTL定位

2.3.4 条件QTL定位

2.4 讨论

2.4.1 条件QTL定位的适用性

2.4.2 B3C1HP群体中条件QTL定位与传统QTL定位的比较

2.5 结论

第三章 候选基因定位及其与QTL的关系

3.1 前言

3.1.1 CG(candidate gene，候选基因)在马铃薯遗传研究中的应用

3.1.2 QTL定位常用方法

3.1.3 F1群体和拟测交(pseudo-testcross)策略

3.1.4 QTL与生物信息学分析

3.2 材料与方法

3.2.1 植物材料和晚疫病抗性表型数据

3.2.2 CG标记

3.2.3 遗传图谱构建

3.2.4 QTL定位

3.2.5 晚疫病抗性主效基因定位

3.2.6 QTL区域生物信息学分析

3.3 结果与分析

3.3.1 B3C1HP群体遗传图谱构建

3.3.2 SM定位

3.3.3 IM定位

3.3.4 MQM定位

3.3.5 MCIM定位

3.3.6 CIM定位

3.3.7 CG与QTL的关系

3.3.8 晚疫病抗性主效基因(Rpi-bch)定位

3.3.9 QTL区域生物信息学分析

3.4 讨论

3.4.1 B3C1HP群体遗传图谱构建

3.4.2 不同QTL定位方法的比较

3.4.3 CG与QTL的关系

3.4.4 dPI09c(P109)与晚疫病抗性主效基因

3.4.5 条件QTL与已报道的马铃薯晚疫病抗性QTL的关系

3.5 结论

3.6 研究展望

3.6.1 QTL区域CG定位

3.6.2 QTL定位与关联分析

3.6.3 dPI09b和dPI09c的精细定位以及克隆

参考文献

附 录

附录A SSR、STS和CIP标记引物序列

附录B 位置CG标记引物

附录C 功能CG标记引物

附录D 对应于PI09的DM基因组区段内与PI抗性相关的基因

附录E 攻读博士学位期间发表的论文

致谢