小麦高密度遗传图谱构建和品质性状的QTL分析及分子标记开发

摘要

本研究利用RIL群体（山农01-35×藁城9411F8∶9）173个家系进行了小麦DArt和SNP(90K)基因芯片分析，构建了1张高密度遗传图谱;在4年5个环境下进行了小麦籽粒特性、面团流变学特性、淀粉糊化特性、馒头和面包加工等特性的基因定位，开发了4个粒重分子标记的，主要取得了如下结果:
　　1.高密度遗传图谱的构建:构建了覆盖小麦21条染色体的高密度遗传图谱，该图谱共含有6244个多态性标记，其中SNP标记6001个、DArT标记216个、SSR标记27个，染色体总长度为4895.29 cM，标记间平均距离0.77 cM。该遗传图谱是国内外利用RIL群体构建的含有多种标记的最精密遗传图谱之一，具有参考图谱的重要意义。
　　2.利用高密度图谱定位到控制品质性状的重要QTL:
　　2.1籽粒特性QTL定位:检测到位于1B、4B、5B和6A染色体上7个控制千粒重加性QTL，其中，QGW4B.4-17在多个环境下被检测到，可增加粒重2.19-3.06g，增效效应位点来自实验室创制的材料山农01-35中。
　　检测到3个粒长QTL，位于1B，4B染色体上;定位到7个粒宽QTL，最大可增加粒宽0.11mm;检测到13个籽粒硬度条件和非条件QTL，位于3B，4A，4B，5A，5B和6D上，其中QKH4B.4-17，QKH5B.5-489, QKH4B.4-2，QKH5B.5-492，QKH6D.2-4在多个环境中检测到，QTL效应主要作用于粒宽、粒厚，而与粒长无关。
　　2.2蛋白值含量、沉淀值、干湿面筋含量和面筋指数QTL定位:共检测到7个蛋白质含量加性QTL，位于2A，3A，3B，4B和7B染色体上;检测到10个沉淀值QTL，位于1B，1D，3A，4B和7A染色体上，PVE％为4.9-16.48％，加性效应值为1.16-2.64ml，增效基因位点均来自藁城9411;检测到6个湿面筋QTL，位于3B，4B，6B和7B染色体上，PVE％为4.1-11.7％;其中增效基因位点Glu-D1，QWG3B.3-55和QWG4B.4-13来自母本山农01-35; Glu-D1可解释面筋指数变异率16.1％。
　　2.3面团流变学特性的QTL定位:
　　2.3.1面团流变学特性QTL在染色体上的位置:共检测到6个面团稳定时间非条件QTL，6个条件QTL，分别位于1A，1D，3B，5B，7A和1A，1B，3A，3B和6A上;定位到6对面团稳定时间上位性QTL，其中QST5B.5-481-QST5B.10-69的PVE％高达13.9％，可增加面团稳定时间1.23分钟;定位到9个中线峰值时间的非条件QTL，效应值为0.13-0.35min，PVE％为2.4-36.7％;定位到9个中线峰值高度QTL，位于1B，2B，3A和7B染色体上，效应值为0.64-2.17，PVE％为3.7-30.0％;定位到6个面团阻力条件和非条件QTL，位于1A，1B，1D，4A和5A染色体;定位到14个控制面团延展性QTL，位于1B，2B，4A和6B染色体上;检测到6个膨胀系数QTL，位于1B和2B染色体上;定位到控制面团涨力(W)的3个基因簇和4个QTL，主要位于1A，1B，1D，4B，5A，7B和7D染色体上。检测到8个面团抗拉阻力QTL，位于1A，1B，1D，3A，5A和6B，其中QF3A.3-17位点PVE％为10.76％，超过了Glu-A1，可增加抗拉阻力6.68g。此外，5B染色体上定位到1个面团延伸性QTL，PVE％为3.2％，可增加面团拉伸0.95mm;在1A，1B，3A，7A染色体上定位到5个拉伸曲线积分面积QTL。
　　2.3.2在QTL/基因水平上评价Glu-1控制面团流变学特性的重要性及其与品质性状QTL之间的关系:经过多种面团流变学特性QTL定位表明，Glu-D1控制粉质仪参数(面团形成时间、稳定时间、公差指数、断裂时间、粉质质量数，最大PVE％分别为24.1％、24.1％、13.2％、22.5％、24.6％)、揉混仪参数（中线峰值时间、8分钟线高度、中线峰值宽度尾线宽、8分钟带宽、峰右侧斜率，最大PVE％分别为36.7％、11.5％、11.2％、14.2％、16.5％、15.5％)、吹泡示功仪参数（面团阻力、面团涨力，最大PVE％分别为17.3％、23.9）和面团拉伸特性(抗拉阻力、延伸性，最大PVE％分别为9.4％、22.4％)，是控制面筋强度的最重要基因位点。
　　Glu-A1控制粉质仪参数（面团形成时间、面团稳定时间，最大PVE％分别为13.3％和10.7％）、揉混参数（中线峰值时间、尾线高度、8分钟线高、峰右侧斜率，最大PVE％分别为15.7％、7.0％、8.29％和9.47％）、吹泡示功仪参数（面团阻力、面团涨力，最大P VE％分别为8.1％和7.9％）和面团拉伸特性(抗拉阻力，最大PVE％为6.5％)。
　　经条件和非条件QTL综合分析，Glu-A1和Glu-D1位点是通过影响沉淀值、面筋指数而调控面团流变学特性的重要QTL，与蛋白质含量和干湿面筋数量没有关系;这从QTL/基因水平上确认了Glu-A1，Glu-D1对品质的重要贡献，确定了高分子麦谷蛋白亚基影响品质的基本性质。在1B染色体上检测到2个排除7+8亚基影响的重要基因位点，其中1B.1-24主要控制面团稳定时间、沉降值、延伸性、面团涨力、中线峰值高度和宽度;1B.1-3基因位点主要控制中线峰值高度和宽度、中线峰值时间、延伸性、膨胀系数、拉力比数等重要品质指标，增效基因位点均来自藁城9411。
　　2.4淀粉糊化特性基因定位:在1A，4A，4B、6A和7A染色体上定位到6个峰值粘度QTL，PVE％为2.35-32.64％。其中QPV4B.4-17在多个环境中检测到，PVE％为17.82-32.26％。定位到1A.4-1-4B.4-17互作基因位点同时控制峰值粘度、低谷粘度、反弹值、峰值时间。定位到受木瓜蛋白酶切位点影响的控制峰值粘度的基因位点1A.4-1，4A.2-16和4B.4-17;此外，木瓜蛋白酶处理面粉中新定位到5个稀懈值基因位点，分别位于1A，3B，4A，5A染色体，PVE％为2.79-12.54％。
　　2.5食品加工品质QTL定位及其与品质性状的相关性:利用品尝评分和质构仪测定相结合的方式，首次开展利用同一个群体进行蒸煮品质和烘焙品质的基因定位。共检测到馒头和面包品质基因位点27个，其中5B染色体上QVol5B.5-408和QH5B.5-488分别控制面包体积和馒头高度;QVol5B.5-408基因位点与控制面团稳定时间的QST5B.5-410和面筋指数QGI5B.5-406位置临近，是控制面筋强度的重要基因位点。
　　通过37个小麦品质参数与馒头、面包体积、评分及质构参数进行平均值相关分析表明:吹泡参数和拉伸特性参数与馒头品质相关系数最大;拉伸特性中的最大阻力(Force)、拉伸面积和峰前面积与面包体积相关系数最高，分别为0.52*，0.52**和0.58**;吹泡参数中面团涨力W和弹性指数Ie与面包总评分相关性系数最高，分别为0.44**和0.51**。
　　2.6定位到同时控制产量要素（千粒重）和品质的2个重要QTL位点:其中4B.4-17控制粒重、粒宽、粒长等籽粒特性，同时与蛋白质含量、湿面筋、干面筋、面粉吸水率、馒头质构参数（馒头硬度，最大抗压阻力1，压缩积分面积）和峰值粘度等品质指标密切相关，是重要的控制产量要素和面团及馒头品质的重要基因位点。
　　5B.5-488染色体区段控制面团稳定时间，断裂时间，评价值和馒头高四个加工品质指标，该基因位点同时与粒重、粒宽、粒径三个籽粒性状相关，其中籽粒特性增效位点来自山农01-35，而与加工品质有关的增效基因效应来自藁城9411。首次定位到的以上两个基因位点，对深入开展产量、品质协同提高具有重要价值。
　　3.分子标记开发:根据QGW6A.2-164，QGW4B.4-17和QGW6A.2-232等基因位点的SNP序列开发了4个CAPS分子标记，经过遗传群体、自然群体和育种高代材料进行有效性验证，其中具有等位变异QGW6A-164-G的品种（株系）平均粒重、粒长、粒宽、粒厚平均值高于等位变异QGW6A-164-A;两种等位变异的千粒重、粒宽和粒厚的差异均达到了极显著的水平，证明开发的标记可以有效应用子粒重分子标记辅助选择和基因聚合育种。
　　本研究构建了高密度遗传图谱，定位到籽粒特性和加工品质参数的重要基因位点，为产量要素和品质基因的精细定位和基因挖掘奠定了基础，对利用分子标记辅助选择和分子聚合育种的方法培育产量、品质协调的小麦新品种有重要理论价值和现实意义。

目录

声明

符号说明

摘要

前言

1．1 小麦籽粒特性QTL研究进展

1．1．1 千粒重的研究进展

1．1．2 籽粒硬度研究进展

1．2 蛋白含量QTL研究进展

1．3 面筋含量和面筋强度研究进展

1．3．1 面筋强度研究进展

1．3．2 贮藏蛋白组分含量基因定位

1．4 面包和馒头品质基因定位研究进展

1．4．1 面包品质基因定位

1．4．2 馒头品质基因定位

1．5 条件QTL基因定位

1．6 小麦遗传图谱构建研究进展

1．7 分子标记开发及小麦基因克隆研究进展

1．8 分子标记开发方法

1．9 研究切入点

2．材料与方法

2．1 试验材料

2．2 实验方法

2．3 统计分析

3．结果与分析

3．1．遗传图谱构建

3．1．1 遗传图谱标记分析

3．1．2 分子标记 偏分离位点的分布

3．2 小麦千粒重及粒形、硬度的QTL定位

3．2．1 小麦籽粒粒重、粒形及籽粒硬度表型分析

3．2．2 小麦籽粒粒重、粒形及籽粒硬度相关性分析

3．2．3 粒重、粒形及籽粒硬度QTL定位

3．2．4 籽粒硬度条件及非条件QTL分析

3．3．蛋白质、沉降值、面筋表型分析及QTL定位

3．3．1 蛋白质、沉降值、面筋表型分析

3．3．2 蛋白质、沉降值、面筋QTL分析

3．4 面团流变学特性表型分析和基因定位

3．4．1 不同环境下RIL群体粉质仪参数表型分析和基因定位

3．4．2 揉混仪参数表型分析及QTL定位

3．4．3 吹泡示功仪参数表型分析及QTL定位

3．4．4 面团拉伸特性的表型分析及基因定位

3．5 淀粉糊化特性QTL分析

3．5．1 RIL群体及亲本糊化特性表型分析及基因定位

3．5．2 面粉添加木瓜蛋白酶糊化特性表型分析及基因定位

3．6 馒头加工品质表型及QTL分析

3．6．1 馒头加工品质表型分析

3．6．2 馒头加工品质的基因定位

3．7 面包加工品质表型及QTL分析

3．7．1 面包体积、比容、品尝评分表型分析

3．7．2 面包表皮、芯色泽表型分析

3．7．3 面包加工品质的基因定位

3．8 品质参数与馒头面包加工品质的相关性分析

3．9 粒重分子标记CAPS开发

3．9．1 粒重分子标记QGW4B．4-17CAPS1开发

3．9．2 粒重分子标记QGW4B．4-17CAPS2开发

3．9．3 粒重分子标记QGW6A-232CAPS开发

3．9．4 粒重分子标记QGW6A-164CAPS开发

3．9．5 粒重分子标记QGW6A-164CAPS验证

4．讨论

4．1 遗传图谱的构建

4．2 小麦粒重、硬度QTL分析与前人研究的比较

4．3 Glu-A1和Glu-D1控制小麦品质的重要作用

4．4 食品品质的基因定位及与前人结果的比较

4．5 同时控制籽粒特性和加工品质的基因位点

4．6 分子标记的开发

5．结论

创新点

参考文献

致谢

攻读博士期间发表的论文