甘蓝型油菜根系形态对低磷胁迫的反应及其QTL分析

摘要

油菜是我国的主要油料作物之一,种植面积和总产均居世界首位。位于长江中下游的甘蓝型油菜主产区磷素缺乏,而甘蓝型油菜对缺磷敏感,限制了此产区油菜产量的提高。通过遗传育种的方法,开发和培育高效吸收利用磷营养的油菜品种具有很好的发展前景。根系形态构型的适应性变化是植物响应低磷胁迫的重要机制。为阐明油菜磷高效遗传特性,本研究以磷高效亲本鄂油长角和磷低效亲本B104-2所构建的重组自交系(命名为BE-RILs,F10)为材料,采用纸培试验,调查了高磷和低磷条件下BE-RILs的苗期干物重,磷含量和根系形态性状。在利用SSR、AFLP、SRAP等分子标记所构建的遗传连锁图谱的基础上,对BE-RILs表型性状进行数量遗传位点(QTL)的定位,并利用QTL元分析和比较作图对油菜适应低磷胁迫的遗传机制进行了解析。主要结果如下:
　　 1甘蓝型油菜磷效率遗传连锁图的构建及与拟南芥基因组的比较作图分析以BE-RILs各株系的基因组DNA为模板,利用SSR、AFLP、SRAP等分子标记分析群体株系基因型,通过作图软件Jionmap4.0,构建了一张含有553个分子标记的遗传连锁图,包括202个SSR,62个AFLP,234个SRAP和55个功能标记。此遗传连锁图长度为1592.7 cM,两相邻标记的平均距离为2.9 cM。利用BE-RILs遗传图谱上已知序列信息的标记作为锚定标记,将该遗传图谱与拟南芥基因组进行比较作图分析,在BE-RILs遗传图谱的10个连锁群的部分区段定位了27个保守区段。
　　 2布置三次纸培试验,调查两亲本和BE-RILs在高磷和低磷条件下的表型性状设计以蓝色无磷吸水纸为支撑的纸培系统,在根系收获后,利用WinRhizo根系分析软件测定根系总根长,根系表面积,根体积和平均根系直径,同时测定植株干重和磷含量。结果发现,在低磷条件下,相对于磷低效亲本B104-2,磷高效亲本鄂油长角不但形成了较大根系系统,而且吸收了较多磷和生成了较多干物质,但有较低的磷利用效率。说明鄂油长角的高效机制在于低磷条件下形成发达根系,从而获得较多磷和形成较高干物质。BE-RILs群体各表型性状在低磷和高磷条件下均呈连续的分布,并存在着广泛的变异,变异系数处于20.5-40.6％之间,这表明BE-RILs群体的双亲对这些性状所贡献的等位基因在其后代群体中有广泛的分离。
　　 3磷效率QTL的检测和分析
　　 3.1两个磷水平下苗期各性状显著性QTL检测利用Wincart2.5的复合区间作图法对三次纸培试验两个磷水平下的地上部干重,根系干重,总干重,根冠比,总根长,根系表面积,平均根系直径,根体积,根尖数,磷含量,磷吸收累积量和磷利用效率12个性状进行了QTL定位。共检测到136个显著性QTL,其中高磷条件下63个和低磷条件下73个。这些QTL主要集中分布在A1,A3,A6,C1,C2,C3,C6和C8这8个连锁群上,单个QTL解释的表型遗传变异率在7.95％-22.00％之间。
　　 3.2磷效率QTL的整合对置信区间重叠的显著性QTL利用QTL元分析软件进行整合。首先对同一性状在不同试验中重叠显著性QTL进行整合,得到94个(高磷44个和低磷50)一致性QTL。第二步对不同性状相互重叠的一致性QTL进行整合,得到37个特异性QTL,包括高磷特异的QTL10个,低磷特异的QTL15个,稳定表达的QTL12个。
　　 3.3功能标记在QTL区间的分布有10个功能标记定位在特异性QTL的置信区间内,低磷特异QTL置信区间内的有5个,高磷特异QTL置信区间内的只有1个,其他4个位于稳定表达的QTL置信区间内。这5个位于低磷特异QTL区间内的标记为BnSQD1-C1,BnGPT2-C1,BnPHO1-C1,BnIPS2-C3和BnGPT1-C3,其相应的低磷特异QTL为uq.Cla,uq.Clb,uq.Clb,uq.C3a和uq.C3c。利用这些低磷特异QTL区间内的标记对BE-RILs各株系进行筛选,得到聚合不同优良等位基因的株系。
　　 3.4同源基因在BE-RILs图谱上的in silico定位在完成与拟南芥基因组比较作图的基础上,把拟南芥中423个磷代谢途径相关基因,响应低磷胁迫的转录因子,根系发育和激素传导相关基因的位置信息,用电子作图方法定位在BE-RILs遗传图谱的810个基因座位上,其中67个基因位于特异性QTL区间所对应的保守区段内,预测为QTL候选基因。这些QTL信息和候选基因为解析油菜适应低磷胁迫机制奠定了基础,为下一步定位克隆这些基因提供了丰富的信息。

目录

文摘

英文文摘

缩略语表

1 前言

1.1 引言

1.2 文献综述

1.2.1 植物对低磷胁迫的反应

1.2.2 数量性状位点(QTL)的研究

1.2.3 油菜遗传连锁图的构建和控制重要农艺性状基因的定位

1.2.4 分子标记辅助选择的研究进展

1.2.5 植物磷效率相关性状QTL的研究

1.3 研究背景和研究内容

1.3.1 研究意义

1.3.2 研究基础

1.3.3 研究目标

1.3.4 研究内容

1.3.5 技术路线

2 材料与方法

2.1 实验材料

2.2 基因型分析

2.2.1 基因组DNA的提取

2.2.2 分子标记的检测

2.2.3 垂直板电泳

2.2.4 分子标记的记录

2.2.5 群体基因型的计算

2.2.6 分子遗传图谱的构建

2.3 纸培试验与性状的考察

2.3.1 纸培试验的设计

3.3.2 性状的考察与测定

2.4 统计分析方法

2.5 QTL的检测和分析

2.5.1 QTL的检测

2.5.2 QTL簇的整合

2.6 候选基因在BE-RJLs遗传图谱的in silico定位

2.6.1 BE-RILs遗传图谱与拟南芥的比较作图

2.6.2 候选基因的收集和QTL区间对应候选基因的分析

3 结果与分析

3.1 甘蓝型油菜磷效率遗传连锁图的构建

3.1.1 筛选亲本多态性引物

3.1.2 BE-RILs群体各株系基因型的检测

3.1.3 BE-RILs群体基因型构成

3.1.4 分子遗传连锁图谱的构建

3.1.5 偏分离标记在连锁图上的分布

3.2 甘蓝型油菜苗期性状对不同磷水平的反应

3.2.1 亲本的表型

3.2.2 BE-RILs群体各表型性状的变异

3.2.3 BE-RILs群体各表型性状的相关性

3.2.4 BE-RILs群体籽粒重和磷含量的变化

3.3 甘蓝型油菜在不同磷水平下苗期各性状的QTL检测和分析

3.3.1 三个实验中两个磷水平苗期性状的显著性QTL的检测

3.3.2 显著性QTL在全基因组的整合(Consensus-QTL)

3.3.3 Consensus-QTL在全基因组的整合(Unique-QTL)

3.3.4 功能标记在Unique-QTL区间内的分布

3.4 候选基因在BE-RILs遗传图谱的in silico定位

3.4.1 BE-RILs遗传图谱与拟南芥基因组的比较作图

3.4.2 QTL区间对应候选基因的分析

4 讨论

4.1 偏分离现象的普遍性

4.2 遗传图谱的可靠性

4.3 调查根系形态的合适方法

4.4 甘蓝型油菜的高效机制

4.5 甘蓝型油菜低磷胁迫下的QTL定位

4.6 低磷特异QTL对应候选基因的分析

4.7 QTL在油菜分子辅助育种可行性

4.8 油菜籽粒重和磷含量对磷高效的影响

4.9 筛选磷高效油菜的特异性指标

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 本研究的主要创新点

5.3 本研究的不足之处

5.4 进一步的工作

参考文献

致谢

附录

附录 Ⅰ部分实验的试剂配方

附录 Ⅱ实验数据

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