玉米（Zea mays L.）磷效率及相关性状QTL定位

【摘要】： 磷作为植物生长发育的必需元素之一,是植物体内重要功能物质如核酸、ATP和磷脂等的重要组成部分,对作物生长发育具有重要的调控作用。在有限的耕地上提高玉米的产量,需加大肥料的投入,在提高产量的同时,肥料利用率的提高也是我们面临的迫切任务。人类赖以生存的食物中磷起着不可替代的作用,但磷素不足已成为限制目前世界农业产量的重要因素。仅靠“高投人”途径,只能引起资源枯竭,成本增加,经济效益下降,环境污染加重,因此,缺磷以成为作物增产的限制因子之一。由于土壤对磷的强烈化学固定作用,一方面植物可吸收利用的土壤有效磷缺乏。另一方面土壤中又有大量植物不能利用的储备态磷。 植物高效利用磷的营养性状受遗传基因控制,其遗传学机制的实质是在低磷胁迫条件下,由于某些“沉默”基因的诱导表达或DNA序列的特定改变而导致植物在形态学或生理学过程的适应性改变,由此来增加对土壤难溶态磷的活化、吸收及运转代谢能力,从而可以获得超出一般基因型植物产量的基因型个体。从玉米的研究结果看,植物对磷胁迫的适应性反应是多因素综合作用的结果,是受微效多基因控制的数量遗传性状,而且磷效率性状还同时受到多个基因系统的控制,它们之间存在着积加作用或上位作用等基因互作。 对玉米磷高效基因进行定位,为磷高效玉米基因型的遗传改良、磷高效玉米种质资源的鉴别以及基因工程的应用提供有效途径,为分子标记辅助选育磷高效玉米新品种打下基础。 玉米遗传连锁图谱构建 对33个玉米基因型磷效率的表型性状进行系统聚类分析,同时以33个玉米基因型的AFLP分析的遗传相似系数进行聚类分析,两个系统聚类图进行比较后发现,玉米基因型磷效率的亲缘关系远近与玉米基因型的来源以及地理分布关系不大。综合以上表型性状和AFLP的遗传相似性分析,筛选出高磷效率玉米基因型082,低磷效率玉米基因型掖107。本实验选定082和掖107作为磷效率QTL定位的试验材料。 利用筛选出的082(母本)和掖107(父本)杂交,产生F1,F1套袋自交产生F2,F2套袋产生F2:3,在西南大学农场和开县两个点种植F2:3,设置两个磷水平(低磷和正常磷),裂区设计,3次重复,P为主处理,241个材料和两个亲本以及F_1为副处理。开县出苗后第21天收获,西南大学出苗后分别于第21天和35天收获,考察磷效率及其相关生物性状。 本研究构建了玉米基因组的13个遗传连锁群,与标准的遗传连锁图作比较发现,第一、二、五染色体上的标记各被划分为两个连锁群。作图还发现,有46对标记未被定位到遗传连锁图上。第六染色体上的标记umc1006,原来位于bin 6.02在本连锁图上被定位在六染色体上的bin 6.06,第七染色体上的标记bnlg1161,原来位于bin 7.04在本连锁图上被定位在七染色体上的bin 7.02。其余标记分布的节段和次序和MaizeGDB上公布连锁图谱很吻合,适合进一步做QTL分析。13个连锁群覆盖的标记位点为421个,总的遗传距离为1681.3cM,覆盖率83.15%,单个连锁群标记数15～72个,长度90.54～241.73cM,标记间平均距离为3.84cM。 复合区间作图分析 复合区间作图分析,在开县正常供磷条件下第21天、开县低磷条件下第21天、西南大学低磷条件下第21天和西南大学低磷条件下第35天,检测到1个影响根重的QTL:RW6-KXNP,分布在第6条染色体上,所在标记区间为dupssr15-P1M7/a,邻近标记为dupssr15,在染色体上的位点(Bins)为6.06,LOD值分别为3.31。单个QTL解释根重变异的4%。在RW6-KXNP位点,082等位基因的加性效应增加根重0.18%,增加根重的表型值为显性,RW6-KXNP位点表现以部分显性为主。 复合区间作图分析,在开县正常供磷条件下第21天、开县低磷条件下第21天、西南大学低磷条件下第21天和西南大学低磷条件下第35天,检测到2个影响酸性磷酸酶的QTL:AP1-KXNP和AP9-KXNP,分别分布在第1和9二条染色体上,所在标记区间分别为bnlg1268a-umc1290a和P1M3/d-P1M3/g,邻近标记分别为bnlg1268a和P1M3/g,在染色体上的位点(Bins)分别为1.09和9.04,LOD值分别为2.82和2.61。单个QTL解释酸性磷酸酶变异的9-16%,2个QTL共解释酸性磷酸酶变异的25%。在AP1-KXNP位点,082等位基因的加性效应减少酸性磷酸酶0.003%;在AP9-KXNP位点,082等位基因的加性效应增加酸性磷酸酶0.0014%。在AP1-KXNP和AP9-KXNP位点,增加酸性磷酸酶的表型值为显性。AP1-KXNP位点表现以显性为主,AP9-KXNP位点表现以超显性为主。 复合区间作图分析,在开县和西南大学,检测到5个影响磷效率的QTL:PE1-KX、PE4-KX、PE5a-KX、PE5b-KX和PE5c-KX,分别分布在第1、4、5、5和5染色体上,所在标记区间分别为bnlg1556-bnlg1564、mmc0341-umc1101、mmc0282-phi333597、bnlg1346-bnlg1695和bnlg118a-umc2136,邻近标记分别为bnlg1556、mmc0341、mmc0282、bnlg1346和umc2136,在染色体上的位点(Bins)分别为1.06、4.08、5.05、5.07和5.08,LOD值分别为2.51、2.86、3.42、3.05和2.78。,5个QTL共解释株高变异的55%。在PE1-KX、PE4-KX、PE5a-KX和PE5b-KX,在PE5c-KX位点,082等位基因的加性效应增加株高0.013%。5个QTL增加株高的表型值为显性。在PE1-KX、PE4-KX和PE5a-KX位点表现以超显性为主,PE5b-KX位点表现以显性为主,PE5c-KX位点表现以部分显性为主。 复合区间作图分析,在开县正常供磷条件下第21天、开县低磷条件下第21天、西南大学低磷条件下第21天和西南大学低磷条件下第35天,找到1个影响根重的QTL,2个影响酸性磷酸酶的QTL,这3个QTL在不同地点、不同P水平和不同生育期在染色体上位点稳定;在开县和西南大学,检测到5个影响磷效率的QTL,这8个QTL为主效QTL,经过进一步验证,可以利用来作为分子标记辅助选育高磷效率玉米基因型的标记。 多区间作图分析 多区间作图分析,在开县正常供磷条件下,检测到3个影响磷吸收量的QTL:PAE2-KXNP\PAE6-KXNP和PAE9-KXNP,分别分布在第2、6和9染色体上(表4-32,图4-11),所在标记区间分别为umc1185-umc1555、umc1918-umc2316和umc1033-umc1131,邻近标记分别为umc1185、umc2316和umc1131,在染色体上的位点(Bins)分别为2.03、6.03和9.02。单个QTL解释磷吸收量变异均为4-8%,3个QTL共解释磷吸收量变异的16%。 多区间作图分析,在开县低磷条件下,检测到2个影响磷吸收量的QTL:PAE6-KXDP和PAE9-KXDP,分别分布在第6和9染色体上(表4-32,图4-11)),所在标记区间分别为umc1918-umc2316和P1M3/f-P1M7/g,邻近标记分别为umc2316和P1M7/g,在染色体上的位点(Bins)分别为6.03和9.03。单个QTL解释磷吸收量变异均为10-11%,2个QTL共解释磷吸收量变异的21%。多区间作图分析,在西南大学第21天时,检测到2个影响磷吸收量的QTL:PAE6-SUDP1和PAE9-SUDP1,分别分布在第6和9染色体上(表4-32,图4-11)),所在标记区间分别为umc2055-umc2006和P1M3/d-P1M3/g,邻近标记分别为umc2006和P1M3/g,在染色体上的位点(Bins)分别为6.04和9.04。单个QTL解释磷吸收量变异均为5-7%,2个QTL共解释磷吸收量变异的12%。 多区间作图分析,在西南大学第35天时,检测到1个影响磷吸收量的QTL:PAE6-SUDP2,分别分布在第6染色体上(表4-32,图4-11)),所在标记区间分别为umc1918-umc2316,邻近标记分别为umc2316,在染色体上的位点(Bins)分别为6.03。QTL解释磷吸收量变异均为14%。在PAE6-SUDP2位点,082等位基因的加性效应增加磷吸收量0.26%。 多区间作图分析,在开县,检测到5个影响磷效率的QTL:PE2-KX、PE4-KX、PE5a-KX、PE5b-KX和PE5c-KX,均分布在第2、4、5、5和5染色体上(表4-43,图4-14),所在标记区间分别为P2M2/e-dupssr25、P4M7/a-umc1101、mmc0282-phi333597、P4M7/c-bnlg1695和bnlg118a-umc2136,邻近标记分别为dupssr25、P4M7/a、mmc0282、P4M7/c和umc2136,在染色体上的位点(Bins)分别为2.08、4.09、5.05、5.07和5.08。单个QTL解释磷效率变异为7-21%,5个QTL共解释磷效率变异的67%。 多区间作图分析,在西南大学,检测到5个影响磷效率的QTL:PE1-SU、PE4-SU、PE5a-SU、PE5b-SU和PE5c-SU,均分布在第1、4、5、5和5染色体上(表4-43,图4-14),所在标记区间分别为bnlg1556-bnlg1564、P4M7/a-umc1101 mmc0282-phi333597、P4M7/c-bnlg1695和bnlg118a-umc2136,邻近标记分别为bnlg1556、P4M7/a、mmc0282、P4M7/c和umc2136,在染色体上的位点(Bins)分别为1.07、4.09、5.05、5.07和5.08。单个QTL解释磷效率变异为7-21%,5个QTL共解释磷效率变异的65%。在PE1-SU、PE5b-SU和PE5c-SU位点,082等位基因的加性效应分别减少磷效率0.017%、0.082%和0.094%, 等位基因座的增效性与减效性 等位基因座具有增效性与减效性,无论是高值亲本还是低值亲本,它们既含有对性状起增效作用的等位基因,又含有对性状起减效作用的等位基因,且起增、减效作用的等位基因在高值亲本和低值亲本中的分布是不均匀的,即增效基因在双亲中的分布不完全符合“高值亲本中含有较多的对这些性状起增效作用的等位基因,低值亲本中含有较多的起减效作用的等位基因”原则。 调控不同性状的QTL分布在染色体同一区域与“一因多效” 调控不同性状的QTL分布在染色体同一区域与“一因多效”,在本研究中,同样也出现了影响不同性状的QTLs位于分布在染色体同一区域,有两种原因:同一个QTL,能影响不同性状的表现,即“一因多效”;不同的QTLs,但紧密连锁,即控制不同性状的QTLs在染色体上成簇分布。无论是单个QTL的“一因多效”还是不同QTLs间的紧密连锁,QTL区域的连锁与共分离表现在性状上表现出一定程度的相关,即数量性状的表型相关可能源于其QTL位点的相关,这类性状与QTL相关的对应关系具有重要的生理学意义。研究还发现了若干个磷效率及其相关根系性状QTLs成簇分布区域。 不同地点、不同P水平和不同生育期,检测到的QTL数量和位点均有变化 不同地点、不同P水平和不同生育期,检测到的QTL的数量和位点均有较大的变化。不同作图方法检测到的QTL在数量和位置上都有较大的不同。说明选择合适的QTL检测方法非常重要,本试验用复合区间作图分析方法检测到8个主效QTL,比较而言,可以认为复合区间作图分析方法优于多区间作图分析方法。

【关键词】：玉米 磷效率 根系性状 根系分泌物 QTL
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：S513
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