大豆高密度遗传图谱的构建及产量和品质相关性状QTL定位

摘要

大豆起源于中国，是世界上最重要的农作物之一，为人们提供优质的蛋白质和油分。而大豆的生育期、株高、荚数、百粒重等重要农艺性状决定了大豆的产量，由于大豆中蛋白质，油分，生育期和农艺性状是受环境和遗传等多因素控制的，因此开展大豆品质与产量相关性状和相关基因的QTL定位研究，对大豆高产优质育种具有重要的意义。本研究利用中黄24为母本，华夏3号为父本杂交得到的166个重组自交系群体，于2014年在广州华南农业大学校农场种植，调查亲本和重组自交系的生育期性状；利用已构建的高密度遗传图谱对控制生育期性状的基因进行精细定位。利用桂早1号为母本，巴西13号为父本杂交得到的248个重组自交系群体,分别于2014年和2015年在广州华南农业大学校农场和华南农业大学增城基地种植，调查亲本和重组自交系群体的生育期性状和农艺性状；利用凯氏定氮法、索式抽提法和近红外分析法对大豆种子中的蛋白质和油分含量进行测定，通过对大豆生育期，农艺性状，蛋白质和油分的数据调查与测定，分析各个性状之间的关系。采用新一代分子标记技术，构建了一张高密度遗传图谱，并对控制大豆产量相关性状和品质性状的基因进行精细定位和分析，为大豆分子标记辅助育种提供参考依据。其主要研究结论如下：
　　1.对桂早1号和巴西13号进行全基因组重测序，重测序的片段总数分别为92.24 M和115.51M，碱基总数分别为8.3 G和10.4 G，以Williams82作为参考基因组，可拼装的测序片段数分别为83.98 M和103.41 M，可拼装的碱基数分别为7.56G和9.31 G，在基因组中覆盖率分别为94.49%和95.62%。测序平均深度分别为7.8X和9.61 X。同时将桂早1号×巴西13号构建的RIL群体进行0.2×RAD-seq，最终得到90.11Gb原始数据，平均每个个体363.34Mb。覆盖参考基因组的平均覆盖度为4.41%，平均测序深度为5.06X。利用realSFS软件鉴定群体中每个位点的情况，通过过滤得到亲本与群体的纯合基因型，共检测到了56，561个SNP位点，构建了一张高密度的遗传图谱，包含3715个bin，覆盖基因组总长度为3049.21 cM，连锁群长度在120.22-211.37 cM之间，标记间平均距离为0.8cM，每个连锁群上的bin标记数目在147-259个之间。2.2015年在广州和增城调查桂早1号×巴西13两亲本及后代重组自交系群体的生育期，两亲本在开花期及成熟期分别相差13天和35天，表明两亲本在生育期上存在显著差异；收获后进行考种，在株高、节数、分枝数、荚数和百粒重等均有明显差异；2014年利用近红外法分别对桂早1号和巴西13号的蛋白和油分含量进行测定，结果表明两亲本在广州和增城两点蛋白和油分含量上差异较大；2015年分别利用近红外法、凯氏定氮法和索氏抽提法对两点的蛋白和油分测定，结果表明两亲本在不同环境和不同方法测定下的蛋白和油分含量均有明显差异，且用凯氏定氮法和索氏抽提法所测得的蛋白和油分含量差异更大。其后代重组自交系的248个株系在品质性状，生育期性状和农艺性状上存在丰富的遗传变异和一定程度上超亲遗传。
　　3.利用桂早1号×巴西13号后代重组自交系群体进行主要性状的相关性分析，结果表明，广州和增城两个环境下株高与底荚高度、主茎节数、总荚数、有效荚数、二粒荚、三粒荚和单株粒重呈极显著正相关；两个环境下4个生育期性状与株高、底荚高度、主茎节数、总荚数、有效荚数、二粒荚、三粒荚和单株粒重均呈极显著正相关，但与百粒重、有效荚数的相关性不尽一致，说明这两个性状受环境影响较大。利用不同测定方法对248个重组自交系群体的蛋白质含量与油分含量进行测定，发现多年多点及不同测定方法的环境下蛋白质含量与油分含量均呈极显著负相关。
　　4.利用中黄24×华夏3号（ZHX3）和桂早1号×巴西13号（GB13）两个重组自交系群体构建好的高密度遗传图谱，对控制大豆4个生育期性状进行精细定位。在ZHX3群体中共检测到到22个与生育期有关的QTL，LOD值在2.71-20.38之间，可解释表型变异率为4.47%-42.07%。在GB13群体两个环境下共检测到55个QTL，主要集中在第4号、10号、12号和16号染色体，LOD阈值在2.576-86.1范围内，单个QTL可解释变异率在0.87%-73.04%之间，18个QTL在两个环境下均检测到，为较稳定的QTL。尤以第4染色体前端遗传距离21.6cM，物理位置4011556-4048162 bp处最密集， LOD值最高，控制生育期性状QTL位点的表型变异贡献率从42.06%～73.04%，其中控制结荚期的qPod4a和qPod4b与控制始粒期的qFil4a和qFil4b是第一次在该位置发现，贡献率从64.89%-73.04%，初步判定该位点为控制大豆生育期的主效位点，该区间包含3个基因（Glyma04g05260，Glyma04g05280, Glyma04g05290）。
　　5.对桂早1号×巴西13号248个重组自交系群体的12个产量相关性状进行检测，两个环境下共检测到100个与产量相关的QTL，主要集中在第4号、10号、12号和19号染色体，LOD阈值在1.75-53.58范围内，单个QTL可解释变异率在1.75%-53.58%之间。24个QTL在两个环境下均检测到，为较稳定的QTL，尤其第4染色体前端遗传距离21.6cM，物理位置4011556-4048162 bp处最密集，LOD值最高，控制株高、主茎节数和有效荚数等重要产量性状 QTL位点的表型变异贡献率从10.63%～53.58%，其中控制底荚高度的qBPH4a和qBPH4b；控制主茎节数的qNN4a、qNN4b 均是第一次在该位置发现，贡献率从27.45%-48.08%，且该位点与控制生育期性状的QTL位点完全重合，初步判段该位点是控制农艺性状的主效位点。将花色基因定位在13号染色体LOD值为83.9，加性效应值-0.8876，增效基因来自巴西13号，贡献率高达79.24%。
　　6.结合多年、多点及不同方法条件下测定的蛋白质含量和油分含量的表型数据，采用复合区间作图法共检测到59个与大豆蛋白质和油分含量相关的QTLs。其中和蛋白质含量相关的QTLs30个；与大豆油分相关QTLs29个。它们分别位于12条染色体区域内，其中，在第5、13、14、17、20条染色体分布较密集，尤其在第5染色体末端，物理位置38506373-38596800 bp；以及第20号染色体，物理位置31661175-32049510 bp处发现2个主效位点，这两个位点在不同年份，不同地点，不同方法均表现稳定，是控制大豆蛋白质和油分性状的主效位点。
　　综上所述，本研究以桂早1号×巴西13号重组自交系为研究对象，对亲本及后代群体进行了全基因组重测序，构建了一张高密度的遗传图谱，对大豆品质相关性状、生育期和农艺性状进行了精细定位，发掘与之紧密连锁的bin标记，为开展高产优质大豆品种的分子育种奠定了基础。

目录

声明

英文缩略词及英汉对照

第一章 前 言

1.1 研究背景

1.2 大豆产量相关性状和品质性状的研究

1.3 大豆品质检测方法

1.4 DNA分子标记

1.5 大豆遗传图谱的构建

1.6 QTL定位

1.7 研究目的与意义

第二章 大豆高密度遗传图谱的构建

2.1 引言

2.2 材料与方法

2.3 结果与分析

2.4小结

第三章 大豆农艺性状的精细定位

3.1引言

3.2 材料与方法

3.3 结果与分析

3.4小结

第四章 大豆生育期性状的精细定位

4.1引言

4.2材料与方法

4.3 结果与分析

4.4小结

第五章 大豆蛋白质与油分含量精细定位

5.1引言

5.2 材料与方法

5.3 结果与分析

5.4小结

第六章 全文讨论和结论

6.1全文讨论

6.2结论

致谢

参考文献

附录：GB13重组自交系测序数据测序数据量统计表