啤用大麦品质性状的遗传分析及相关QTL定位

摘要

大麦作为啤酒工业原料、畜牧业优质饲料和藏民主粮，其籽粒品质和麦芽品质正日益受到重视。自2002年，我国啤酒总产量已位居世界第一，因啤用大麦产量偏低和品质欠佳，每年需从国外大量进口啤酒大麦原料，啤用大麦品种品质急待改进。啤用大麦的主要品质性状是受多基因控制的复杂典型的数量性状，受其本身的遗传特性和环境条件的共同作用。啤用大麦品质性状之间也存在互作关系，即品质性状之间存在着相互促进和相互制约的关系。本研究以185个由中国江苏饲食兼用大麦品种泰兴9425和日本优质啤酒大麦品种Naso Nijo杂种F1的花药培养DH系及其亲本为材料，测定两年试验材料的籽粒品质和麦芽品质，分析各性状的遗传规律及相互关系;利用SNP和SSR标记构建DH群体遗传连锁图谱，对籽粒品质和麦芽品质进行QTL定位;开发与优异基因紧密连锁的分子标记，为优质啤用大麦品质的分子标记辅助选择育种奠定基础。结果如下:
　　1)亲本Naso nijo的直链淀粉含量显著高于泰兴9425，而其支链淀粉含量、支/直比、总淀粉含量均显著低于泰兴9425。对DH群体而言，除直链淀粉含量在年份间的差异不显著外，其余淀粉含量性状在年份间的差异均达到显著水平或极显著水平;淀粉含量各性状在DH系与年份互作间的差异也达到极显著水平。两年淀粉含量各性状的相关性基本一致，其中直链淀粉含量与总淀粉含量呈极显著的正相关，与支链淀粉含量、支/直比呈极显著的负相关;支链淀粉含量与总淀粉含量及支/直比呈极显著的正相关;总淀粉含量与支/直比呈极显著的负相关。2012年度和2013年度大麦直链淀粉含量分别符合两对连锁互补作用主基因+加性多基因遗传模型(E-2-7)和两对连锁抑制作用主基因模型+加性多基因遗传模型(E-2-9)，支链淀粉含量均符合两对连锁显性-上位性作用主基因+加性多基因遗传模型(E-2-4)，支直淀粉含量比分别均符合两对抑制作用主基因模型(B-1-9)和两对重叠作用主基因模型（B-1-8），总淀粉含量均符合三对等比例加性作用主基因+加性多基因遗传模型(G-2)。
　　2)亲本Naso Nijo淀粉的峰值粘度、谷值粘度、崩解值、终止粘度、回落值、糊化时间均显著高于泰兴9425，而其糊化温度显著低于泰兴9425。淀粉糊化特性各性状在基因型间、年份间和基因型×年份间的差异性均达到极显著水平。淀粉糊化特性各性状间的相关系数在两年份间基本一致。除糊化温度和糊化时间与部分糊化特性相关不显著外，其它糊化特性各性状间均呈极显著正相关。直链淀粉含量与峰值粘度、崩解值、终止粘度呈显著或极显著的正相关，与糊化温度呈负相关;支链淀粉含量与糊化温度呈正相关;总淀粉含量与糊化温度呈极正相关，与崩解值、终止粘度呈显著或极显著的负相关。
　　3)亲本Naso nijo的麦芽微粉浸出率、α-氨基氮、可溶性氮、库尔巴哈值、糖化力及麦芽综合质量均显著高于泰兴9425，而粘度、麦芽总氮显著低于泰兴9425。除麦汁粘度和糖化力在基因型×年份间及α-氨基氮在年份间不显著外，其余麦芽品质各性状在基因型间、年份间及基因型×年份间的差异性均达到极显著水平。麦芽质量评分与籽粒品质性状中的直链淀粉含量、峰值粘度、谷值粘度呈正相关。
　　4)以569个SNP和58个SSR标记构建该DH群体的遗传连锁图谱，图谱全长986.7cM。采用Windows QTL Cartographer V2.5作图软件分年度对大麦品质性状QTL进行定位，两年共检测到6个与淀粉含量各性状相关的QTLs，其中两年份间均被检测到的QTLs为2个，分别为QAC-5H和QAPC-3H-2。QAC-5H在两年的表型变异解释率分别为6.84％和9.91％，QAPC-3H-2在两年变异的解释率分别为5.75％和6.02％。两年共检测到22个与淀粉糊化特性相关的QTLs，其中两年均被检测到的QTLs为6个，分别为QPV-5H、QTV-7H、QBD-7H-2、QFV-4H、QTTPV-4H和QTTPV-5H。其中QTTPV-5H的贡献率最大，两年份分别解释表型变异的12.80％和10.88％。两年共检测到41个与麦芽品质相关的QTLs，两年均检测到的QTLs为12个，分别为QME-3H-2、QVS-3H、QAN-1H-1、QAN-5H、QTN-3H-2、QSN-1H-1、QSN-1H-2、QSN-5H、QSN-7H-2、QKI-3H、QKI-5H-2和QDP-3H-1。其中QAN-5H、QSN-5H、QKI-5H-2的贡献率较大，均大于10％， QKI-5H-2的贡献率最大，两年份分别解释表型变异的28.73％和15.46％。
　　5)根据已经公布的大麦品种Morex全基因组数据库的信息，以目标区段内水稻同源片段预测候选基因，QAC-5H水稻共线性区间共有81个水稻基因，QAPC-3H-2水稻共线性区间共有225个水稻基因;与直链淀粉含量QAC-5H相关的候选基因是糖基转移酶第一家族基因（Gts-1），与支链淀粉含量QAPC-3H-2相关的候选基因是ATP酶(ATPase); QAC-5H的候选基因GTs-1602bp处的碱基差异导致谷氨酸变为赖氨酸，并引起蛋白质三级结构中β-折叠片发生改变，QAPC-3H-2的候选基因ATPase4671bp处碱基A的缺失，未导致碱基改变;特异性引物GTs-1 marker对DH群体进行扩增，两年直链淀粉含量明显提高，从25.67％提高到27.31％和25.78％提高到27.32％;特异性引物ATPase marker，可以明显降低支链淀粉含量，分别从40.72％降低为36.15％和39.46％降低为35.78％;同时利用特异性引物GTs-1 marker和ATPase marker对18个品种进行扩增，显著性提高了直链淀粉的含量，降低了支链淀粉的含量。

目录

摘要

符号说明

第1章 文献综述

1 大麦籽粒品质的遗传研究

1．1 大麦籽粒淀粉含量各性状的遗传研究

1．2 大麦籽粒淀粉糊化特性的遗传研究

1．3 大麦籽粒蛋白质含量的遗传研究

2 大麦麦芽品质的遗传研究

2．1 啤用大麦主要品质性状

2．2 啤用大麦品质性状遗传研究进展

2．3 影响啤用大麦麦芽品质性状的因素

2．4 啤用大麦品质性状间的相互关系

3 遗传连锁图谱的构建

3．1 作图群体的特点

3．2 构建遗传图谱的分子标记及其特征

3．3 大麦分子遗传连锁图构建进展

4 QTL定位的原理和方法

4．1 单标记分析方法

4．2 区间作图法

4．3 复合区间作图法

4．4 基于混合线性模型的复合区间作图法

5 大麦QTL定位研究进展

5．1 大麦农艺性状QTL的研究进展

5．2 大麦籽粒品质性状QTL的研究进展

5．3 大麦麦芽品质性状QTL的研究进展

6 论文选题依据及意义

第二章 大麦籽粒淀粉含量的遗传研究

1 试验材料

2 试验设计与方法

2．1 田间设计

2．2 样品测定方法

2．3 数据统计分析

3 结果与分析

3．1 DH群体及亲本淀粉含量各性状的表现

3．2 DH群体及亲本淀粉含量各性状的分布

3．3 DH群体淀粉含量各性状的方差分析

3．4 DH群体淀粉含量各性状的相关性分析

3．5 大麦直链淀粉含量的遗传模型及效应分析

3．6 大麦支链淀粉含量的遗传模型及效应分析

3．7 支、直链淀粉含量比遗传模型及效应分析

3．8 大麦总淀粉含量的遗传模型分析

4 小结与讨论

4．1 基因型对大麦淀粉含量各性状的影响

4．2 环境对大麦淀粉含量各性状的影响

4．3 大麦淀粉含量各性状的相关性

4．4 大麦淀粉含量各性状的遗传模型分析

第三章 大麦籽粒淀粉糊化特性的遗传研究

1 试验材料与试验设计

2 试验方法

2．1 籽粒淀粉糊化特性的测定方法

2．2 数据统计分析

3 结果与分析

3．1 DH群体及亲本淀粉糊化特性的表现

3．2 DH群体及亲本淀粉糊化特性的分布

3．3 DH群体淀粉糊化特性的方差分析

3．4 DH群体淀粉糊化特性的相关分析

3．5 DH群体淀粉糊化特性与淀粉含量的相关性

4 小结与讨论

4．1 基因型对大麦淀粉糊化特性各性状的影响

4．2 环境对大麦淀粉糊化特性各性状的影响

4．3 大麦淀粉糊化特性各性状的相关性

4．4 大麦淀粉糊化特性与其它品质性状的相关性

第四章 大麦麦芽品质的遗传研究

1 试验材料与试验设计

2 试验方法

2．1 大麦麦芽品质性状的测定方法

2．2 数据统计分析

3 结果与分析

3．1 DH群体及亲本麦芽品质性状的表现

3．2 DH群体及亲本麦芽品质性状的方差分析

3．3 DH群体麦芽品质各性状与籽粒品质各性状的相关性

4 小结与讨论

4．1 基因型对大麦麦芽品质各性状的影响

4．2 环境对大麦麦芽品质性状的影响

4．3 大麦籽粒品质与麦芽品质的相关性

第五章 遗传图谱的构建及主要品质性状的QTL定位

1 试验材料与试验设计

2 试验方法

2．1 基因组DNA提取

2．2 SSR标记的筛选

2．3 STS标记的筛选

2．4 遗传图谱的构建及QTL分析

3 结果与分析

3．1 引物筛选和多态性分析

3．2 DH群体遗传图谱的构建

3．3 DH群体淀粉含量各性状的QTL分析

3．4 DH群体淀粉糊化特性各性状的QTL分析

3．5 DH群体麦芽品质各性状的QTL分析

4．讨论与小结

4．1 DH群体遗传图谱的构建

4．2 与淀粉含量各性状相关的QTL

4．3 与淀粉糊化特性各性状相关的QTL

4．4 与麦芽品质各性状相关的QTL

4．5 大麦品质性状基因的一因多效性

第六章 淀粉含量相关QTL的候选基因分析

1 实验方法

1．1 候选基因预测方法

1．2 候选基因同源序列分析

1．3 特异引物设计和PCR扩增

1．4 目的片段的克隆及PCR鉴定

1．5 候选基因序列分析

2 结果与分析

2．1 定位区段内候选基因预测

2．2 候选基因的相关信息

2．3 候选基因的验证

3 讨论

3．1 候选基因的分析

3．2 候选基因可靠性

3．3 大麦淀粉含量各性状候选基因的验证

第七章 全文结论

1 大麦籽粒淀粉含量各性状的遗传研究

2 大麦籽粒淀粉糊化特状的遗传研究

3 大麦麦芽品质的遗传研究

4 大麦遗传图谱的构建及主要品质性状QTL定位

5 大麦淀粉含量各性状候选基因的验证

本研究创新点

1、分析大麦的籽粒和麦芽品质各性状的遗传差异及其相互关系

2、分析与大麦籽粒和麦芽品质性状相关的QTL及其效应

3、对淀粉含量相关QTL的候选基因进行分析验证

参考文献

附表

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

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