青藏高原一年生野生大麦耐盐性评价及优异等位基因的挖掘

摘要

土壤盐碱化是制约全球农作物产量和威胁粮食安全最为严重的非生物胁迫因子之一,盐碱地的改造与开发利用已成为农业可持续发展中亟待解决的重要问题。通过筛选和遗传改良途径培育耐盐农作物新品种,是高效利用盐碱地、提高土地综合生产力的最根本途径,发掘特异种质资源、明确耐盐机制是培育耐盐农作物新品种的基础。本文以我国特有的珍稀大麦遗传资源--青藏高原一年生野生大麦(H.vuare subsp-spontaneum)为主要研究材料,评价耐盐性的遗传差异,分析耐盐的生理与遗传特性,并挖掘优异的耐盐等位基因。主要研究结果如下:
　　 1.青藏高原一年生野生大麦不同材料的耐盐性存在着广泛的遗传变异。以地上部相对生物量为耐盐性评价指标,对征集的189份青藏高原一年生野生大麦进行300 mM NaCl的胁迫处理,结果显示,与目前公认的耐盐栽培品种CM72相比,有139份材料显示更强的耐盐性,说明从青藏高原一年生野生大麦中可以筛选到优异耐盐基因型。耐盐性与地上部Na+含量及地上部的Na+／K+呈极显著的负相关(r=-0.455,p=0.0012；r=-0.495,p=0.0004),而与地上部K+含量呈显著正相关(r=0.296,p=0.04)。以上结果表明,维持地上部Na+、K+离子平衡是青藏高原一年生野生大麦耐盐的主要机制之一。
　　 2.检测到6个与耐盐性有关的QTL。利用高密度的DH群体(Yerong／Franklin)对25个大麦盐耐性相关性状进行QTL分析,共检测到6个QTLs,分别被定位在大麦2H、6H和7H染色体上。其中在2H上检测到2个QTL,它们在2H的125和150cM处,控制地上部K+相对减少量以及盐胁迫条件下地下部的Na+／K+；在6H的79cM处检测到一个控制盐胁迫处理条件下地上部干物质重的QTL；在7H的58和72 cM处分别检测到控制对照条件下地下部Na+含量及盐胁迫条件下地下部和整株的干物质重,这两个QTLs可解释10-18％的遗传变异。利用比较基因组学研究发现,位于2H和7H上QTLs的候选功能基因可能为HKT类基因.
　　 3.利用DArT标记证明青藏高原一年生野生大麦的遗传多样性十分丰富。利用覆盖全基因组的1125个DArT标记,对青藏高原一年生野生大麦的群体结构和连锁不平衡(LD)进行系统分析,结果表明该群体的遗传结构较为复杂,可分为8个亚群；全基因组LD衰减所延伸的距离为20cM,其中2H,6H和7H染色体的LD衰减较快,它们所延伸的距离分别12.5,10和15cM,进行全基因组关联作图的精度较高。利用全基因组关联分析,共检测到30个分布于7条染色体上与300mM NaCl胁迫条件下地上部相对生物量显著相关的DArTs标记位点(P<0.05),其中分别位于2H和7H染色体的149.4cM和58 cM处的两个DArTs标记,与在Yerong／Franklin DH群体中经连锁作图定位的与耐盐性相关的QTLs一致,佐证了QTL作图的准确性,说明连锁作图与关联作图联合分析是研究作物数量性状遗传的一种有效工具。
　　 4.阐明了HvHKT1和HvHKT2两个耐盐等位基因的结构和功能。在明确HKT类基因为耐盐候选基因的基础上,系统地分析了HvHKT1和HvHKT2的结构、表达模式和功能。通过同源克隆分别得到了全长为2,505和2,055 bp的两个耐盐等位基因HvHKT1和HvHK2,其中HvHKT1为首次报道(GenBank登录号为JF496205)；研究发现HvHKT1和HvHKT2蛋白质跨膜结构域的第一个Loop分别是第129位的色氨酸(S129)和第91位的甘氨酸(G91),该处决定Na+、K+吸收的选择性。运用Real-Time PCR对HvHKT1和HvHKT2在盐胁迫条件下的表达模式进行研究,发现两者在响应盐胁迫的特性上存在着差异,即HvHKT1受盐胁迫的诱导表达,而HvHKT2的表达受盐胁迫的抑制。进一步对候选基因进行关联分析,发现HvHKT1主要与盐胁迫条件下Na+的吸收有关,而HvHKT2主要调控K+的转运,说明HvHKT1和HvHKT2在调控Na+、K+平衡上发挥着重要作用。此外,利用等位基因特异PCR将HvHKT1定位于大麦2H染色体108.7cM处的DArT MarkerbPb-8737上,进一步证明了以上遗传分析研究得出的结论。