大豆产量相关性状QTL的关联分析及候选基因GmGA3ox单倍型鉴定

摘要

大豆[Glycine Max(L.)Merr.]是重要的粮食和经济作物，其产量的形成与许多重要的农艺性状和经济性状直接或间接相关，如开花期、成熟期、产量组分以及光合性能等。这些性状均属复杂的数量性状，应用传统育种方法进行遗传改良已经越来越难。随着生物技术的发展，利用分子育种技术培育高产大豆品种成为现代大豆育种计划的主要内容之一。通过鉴定大豆基因组中与大豆产量相关性状紧密关联的功能位点或单倍型，开发新的功能标记对目标性状进行分子标记辅助选择，或利用大豆产量相关功能基因进行转基因育种，可大大提高大豆高产育种效率，达到定向选育的目的。
　　 为了发掘大豆基因组中控制大豆产量相关性状的功能基因/QTL，本研究在大豆产量性状一致性QTL候选区域内利用SSR等标记进一步对产量性状QTL进行了关联定位，并对大豆产量、产量组分及光合相关性状进行了基于SNPs及单倍型的全基因组关联分析。在此基础上，结合大豆基因组序列信息，利用生物信息学方法筛选与大豆产量相关的候选基因，通过候选基因关联分析策略验证其功能、鉴定出优异单倍型，为大豆高产分子育种提供有效的依据。主要结果如下:
　　 1.利用关联分析方法在大豆产量性状QTL候选区域内对大豆产量性状QTL进行了关联定位。结果表明，产量相关性状在196份栽培豆组成的自然群体内存在广泛的表型变异;除了百粒重与花期、株高间相关不显著外，其余性状间均存在极显著相关;染色体6、7、19上共线性或非共线性位点组合均存在一定程度的LD，并且LD衰减速率较快;基于MLM模型，在5个环境中共检测到40个标记位点与产量相关性状显著关联，其中有26个标记位点在所有环境中均能被稳定检测到，7个标记位点在所有环境中同时与2个或2个以上产量性状共关联;稳定关联的标记位点等位变异数目差异较大，而且不同等位变异对表型的效应差异也较显著，在高产育种中可利用不同位点的优异等位变异进行优良性状聚合育种。位于染色体7上的Satt150在5个环境中均被稳定检测到与产量及其他相关性状存在显著关联，并且与国内外多次报道的主效QTL位点一致。基于连锁不平衡的原理，将大豆产量性状QTL进一步缩小到Satt150两侧标记518 kb区间内(GMES2109～Saa316)，为下一步进行产量相关候选基因的筛选和功能标记辅助育种奠定了基础。
　　 2.为了进一步发掘大豆基因组内与产量及产量组分存在关联的功能区域，本研究以191份栽培豆为研究群体，通过2年5环境试验，利用1536个SNPs和209个单倍型，对大豆产量及产量组分进行了全基因组关联分析。研究结果表明，191份栽培豆组成的自然群体内存在广泛的表型变异和遗传多样性;利用1142个SNPs（最小等位基因频率大于10％）将该群体聚为两个亚群，个体间不存在或仅存在较弱的亲缘关系，群体内位点间LD衰减距离大约为500kb。全基因组关联分析共检测到19个SNPs和5个单倍型在3个或3个以上环境中与单株荚数、单株粒数、百粒重和产量存在显著关联，部分显著关联的位点位于前人利用连锁分析检测到的QTL。内或与其紧密相邻。在显著关联的位点中，检测到9个标记位点与2个以上不同的产量性状同时关联;稳定检测到4个SNPs和1个单倍型位点在所有环境中均与百粒重存在显著关联，并且各位点等位变异所对应的百粒重均值差异板显著，优良等位变异与较差等位变异间的百粒重均值差异达4g。这些位点均有助于更好地揭示大豆产量及产量组分的遗传机制，为将来通过分子育种技术改良大豆产量，实现高产稳产奠定了基础。
　　 3.根据大豆产量性状QTL候选区域关联定位及全基因组关联分析结果，结合大豆基因组序列信息，利用生物信息学手段，在染色体7上筛选到大豆产量相关的候选基因GmGA3ox。通过对191份栽培豆中的GmGA3ox序列进行多态性分析，共检测到的16个SNPs和4个Indel（最小等位基因频率大于10％），并且存在5个明显的单倍型域。关联分析共检测到5个SNP/Indel在3个以上环境与产量间存在显著关联，其中有2个多态性位点在所有环境中均被检测到与产量显著关联。在3个以上环境中，共检测到1个单倍型（GmGA3ox_H4）与百粒重存在显著关联，2个单倍型（GmGA3ox_H4、GmGA3ox_H5）与产量显著关联。其中，GmGA3ox_H4在所有环境中均被检测到与百粒重存在显著关联，对百粒重的表型变异解释率达9.67％，最优单倍型与最差单倍型间百粒重差异达4g; GmGA3ox_H5则在所有环境中均与产量显著关联，对产量的表型变异解释率达20.19％，最优单倍型与最差单倍型产量差异达1倍;序列结构分析发现GmGA3ox_ H4和GmGA3ox_H5均位于3’非编码区内，可能参与mRNA的转录后调控，引起GA代谢途径及相关代谢通路的变化，从而引起大豆百粒重及产量的改变。
　　 4.对叶绿素含量(CCI)、叶绿素荧光参数（JIP-test参数）及光合速率(PN)进行的全基因组关联分析结果表明，2009年和2010年研究（光合速率为2008年）中，共检测到47个SNPs、11个单倍型与CCI显著关联，30个SNPs、8个单倍型与Fv/Fm显著关联，33个SNPs、5个单倍型与ABS/RC显著关联，25个SNPs、5个单倍型与ETo/TRo存在显著关联，20个SNPs、7个单倍型与PIABs存在显著关联，15个SNPs、2个单倍型与PN显著关联。在所有检测到的位点中，共检测到26个SNPs位点同时与2个或2个以上的性状存在显著关联。其中，4个与JIP-test参数关联的位点同时与PN共关联;12个SNPs和2个单倍型与大豆产量或产量组分共关联。共稳定检测到8个SNPs和2个单倍型在两年中均与相应的光合性状存在显著关联，稳定关联的SNP及单倍型的等位变异对光合性状的表型效应差异均达极显著水平，在大豆分子育种中，利用这些稳定关联的位点的优异等位变异进行MAS，可能会达到同步改良大豆光合性能和提高产量的效果。

目录

声明

摘要

缩略词表

第一章 文献综述

1．1 大豆高产育种研究进展

1．1．1 传统育种在大豆产量改良中的成就

1．1．2 分子标记辅助选择在大豆产量改良中的研究进展

1．2 关联分析在植物遗传育种中的应用

1．2．1 连锁不平衡的概念及衡量

1．2．2 连锁不平衡的影响因素

1．2．3 不同植物的连锁不平衡水平

1．2．4 关联分析策略和应用方法

1．2．5 关联分析在植物中的应用现状

1．2．6 关联分析在植物中的应用展望

1．3 研究目的与意义

1．4 研究技术路线

第二章 大豆产量性状QTL候选区域SSR关联分析

2．1 材料与方法

2．1．1 试验材料

2．1．2 试验设计

2．1．3 性状测定

2．1．4 DNA提取

2．1．5 SSR标记选择及PCR扩增

2．1．6 数据分析

2．2 结果与分析

2．2．1 产量性状的表型变异

2．2．2 产量性状间的相关

2．2．3 群体遗传结构

2．2．4 产量性状QTL候选区域内的连锁不平衡

2．2．5 产量性状与标记间的关联分析

2．2．6 与产量性状稳定关联的标记位点优异等位变异发掘

2．3 讨论

2．3．1 表型相关的遗传基础

2．3．2 群体结构对关联分析的影响

2．3．3 关联分析的解析力与QTL精细定位

2．3．4 稳定关联标记位点的优异等位变异育种利用

第三章 大豆产量及产量组分的全基因组关联分析

3．1 材料与方法

3．1．1 试验材料

3．1．2 试验设计及性状测定

3．1．3 DNA提取

3．1．4 SNP分型

3．1．5 数据分析

3．2 结果与分析

3．2．1 大豆产量及产量组分表型变异

3．2．2 产量及产量组分间的相关

3．2．3 群体遗传多样性及单倍型组成

3．2．4 群体结构及遗传亲缘关系

3．2．5 LD衰减情况

3．2．6 产量及产量组分全基因组关联分析

3．3 讨论

3．3．1 群体遗传多样性及群体结构

3．3．2 连锁不平衡(LD)

3．3．3 与大豆产量及产量组分关联的关键SNPs和单倍型

第四章 大豆产量相关候选基因GmGA3ox单倍型鉴定

4．1 材料与方法

4．1．1 试验材料

4．1．2 田间试验设计

4．1．3 性状测定

4．1．4 DNA提取

4．1．5 候选基因GmGA3ox克隆

4．1．6 数据分析

4．2 结果与分析

4．2．1 候选基因GmGA3ox的筛选

4．2．2 GmGA3ox基因序列多态性

4．2．3 位点间LD及单倍域

4．2．4 GmGA3ox基因多态性位点及单倍型与大豆产量及其组分关联分析

4．2．5 单倍型序列结构分析

4．3 讨论

4．3．1 GmGA3ox基因与大豆产量性状相关

4．3．2 GMGA3ox基因优异单倍型鉴定及功能标记开发

第五章 大豆光合相关性状的全基因组关联分析

5．1 材料与方法

5．1．1 试验材料

5．1．2 试验设计

5．1．3 性状测定

5．1．4 DNA提取与SNP分型

5．1．5 数据分析

5．2 结果与分析

5．2．1 光合相关性状表型变异

5．2．2 光合相关性状间相关

5．4．3 光合相关性状全基因组关联分析

5．3 讨论

5．3．1 环境对光合相关性状关联位点的影响

5．3．2 关键标记位点与多个光合相关性状共关联

5．3．3 光合相关性状关联位点与产量性状QTL共区间

全文结论

本研究主要创新之处

参考文献

附录

攻读博士期间发表及待发表的论文

致谢