小麦全粉色泽相关性状的QTL定位和PDS基因的系统发育分析

摘要

小麦(Triticum aestivum L.)是世界上重要的粮食作物之一，也是我国主要的粮食作物。色泽是小麦面粉的重要品质性状。小麦面粉特别是全粉色泽，主要取决于类胡萝卜素等色素类物质的积累和多酚氧化酶(polyphenol oxidase，PPO)等氧化还原酶类对色素类物质的氧化降解。类胡萝卜素是一种抗氧化剂和维生素A前体，对人类健康和营养有重要意义。数量性状位点(quantitative trait locus，QTL)分析可以把复杂的数量性状分解成不同的QTL，在特定遗传背景和环境条件下，对各QTL进行染色体定位和遗传效应解析。面粉色泽、类胡萝卜素含量、PPO活性等性状在遗传上属于数量性状，适于利用QTL分析。有关类胡萝卜素(包括叶黄素、β-胡萝卜素等)的QTL鲜有报道。八氢番茄红素脱氢酶(phytoene desaturase，PDS)是类胡萝卜素合成关键限速酶之一，前人对小麦近缘种PDS基因克隆及植物PDS基因系统发育的研究鲜有报道。本研究以“川35050×山农483”衍生的重组自交系群体(recombinant inbred lines，RILs)为材料，选取全麦粉色泽(L*a*b*值)(LV、AV、BV)、类胡萝卜素(叶黄素、β-胡萝卜素)含量(lutein content，LUC；beta-carotene content，BCC)、多酚氧化酶活性(polyphenol oxidase activity，PPOA)等6个性状为测试目标，分析相应性状的QTL；以小麦及其近缘种植物为材料，克隆小麦及近缘种类胡萝卜素合成关键基因PDS基因；利用自己克隆和GenBank公布的植物PDS基因，分析植物PDS基因的系统发育；并利用EST－SSR标记，进行小麦近缘属系统发育。获得了以下主要结果。
　　 1)全粉色泽相关性状表型变异分析和相关分析。表型变异分析表明：6个性状的基因型和环境间的变异都达到了极显著水平(p≤0.01)；在3个环境下，各个性状都表现群体变异大、超亲现象明显；群体连续变异表现出其多基因遗传的特性；LV和BV的遗传力超过了50％。相关分析表明：LUC与BCC/BV/PPOA显著正相关，与LV/AV显著负相关；LV与AV/BV/PPOA显著负相关；BCC和AV显著负相关；BV和PPOA显著正相关；LUC和AV，BCC和LV/BV/PPOA，AV和BV/PPOA间相关不显著。
　　 2)全粉色泽相关性状QTL分析。在3个环境及其平均值中，6个性状共检测到77个QTL。检测到的QTL位于除1D外的20条染色体上。同时在单(多)个环境和平均值中都检测到的QTL有14个，其他63个QTL仅出现在单(多)个环境或平均值中。每个位点在不同环境下可解释表型变异的3.9－48.7％。LOD最大值为11.9。36个加性QTL为正值，其增效效应来自川53050,41个加性QTL为负值，其增效效应来自山农483。共检测到影响LUC、BCC、LV、AV、BV和PPOA的QTL分别为9、17、13、12、13和13个。6个性状的15个QTL，在至少两个环境或一(多)个环境和平均值中被检测到，是相对稳定的QTL。其中，3个QTL(QLv-6A.1、QBv-1A.2和QBv-6A.1，)在所有3个环境和平均值中被检测到，2个QTL(QLuc-5B和QLv-2B)在两个环境和平均值中被检测到，1个QTL(QPLv-2D.2)在两个环境中被检测到。QLv-2B、QLv-2D.2和QLv-6A.1分别可以解释表型变异的14.6、20.6和18.6％(平均值)，说明这3个QTL是主效QTL。6个性状的37个QTL位点形成了17个QTL簇(Cl-C17)，特别是集中分布于1B(2个簇)、5D(3个簇)和6A(3个簇)。其中，3个QTL簇(C4、C8、C13)由相对稳定的QTL组成，这3个位点尤为重要，其附近的标记有助于标记辅助选择(maker assisted selection，MAS)。
　　 3)小麦及其近缘种PDS基因的克隆与PDS基因的系统发育。在普通小麦、野生一粒小麦、栽培一粒小麦、波斯小麦、野生二粒小麦、阿拉拉特小麦等含AA基因组的材料中获得了PDS基因。所克隆PDS基因在一粒系小麦(野生一粒小麦、栽培一粒小麦)与其他材料间(普通小麦和二粒系小麦)间存在一个氨基酸残基的差异(L/V)。植物PDS基因序列比对和系统发育分析表明：植物PDS基因无论在核酸序列还是氨基酸序列上都具有较高水平的同源性；禾本科植物PDS基因相对比较保守；最大似然法获得系统发育树树最接近传统植物分类；26条序列分为藻类、双子叶植物和单子叶植物等3个分枝。适应性进化分析表明：PDS基因在整个植物进化中经历过正选择，发现了两处正选择位点(3Q、10A)；但在单子叶植物和双子叶植物分化后，PDS基因受到的选择压力相对较小。
　　 4)基于EST-SSR的小麦近缘属系统发育。从小麦等物种中开发的EST-SSR在翦股颖中有很好的通用性。基于EST-SSR标记，把29份小麦近缘属植物分为含AA基因组材料、山羊草属材料、其他基因组材料等3个分枝。