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《甘肃农业大学》 2017年
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辣椒胞质雄性不育育性恢复的遗传与候选基因鉴定

魏兵强  
【摘要】:利用植物胞质雄性不育(cytoplasmic male sterility,CMS)“三系”配套法生产杂交种子不但可以省去人工去雄,降低制种成本,还能确保杂交种子纯度,是植物杂种优势利用的重要途径。但目前真正利用雄性不育“三系”配套生产辣椒杂交种子的例子并不多见,究其原因,主要是因为不育系和恢复性的转育较为困难,尤其是恢复系的转育。解决这两个问题的关键是弄清辣椒胞质雄性不育及其育性恢复的遗传和分子机理。前人研究表明,辣椒胞质雄性不育受细胞质不育基因(S-)与核不育基因(msms)共同控制,主要由于线粒体基因组的重排,引起线粒体能量代谢和物质代谢失调,从而导致雄性不育,并已克隆出相关不育基因。而目前关于恢复基因的认识仅停留在核内恢复基因(Rf)能够使CMS育性恢复的水平上,但究竟有几个Rf基因,其遗传机理如何,是在DNA水平、转录水平还是翻译水平使CMS育性恢复,还不得而知。因此,揭示辣椒胞质雄性不育及其育性恢复的遗传与分子机理,对于恢复系的转育与选育具有重要的理论指导意义,从而可以加速辣椒CMS“三系”配套法在杂交种子生产过程中的应用。本研究以辣椒胞质雄性不育系8A,恢复系R_1和R_2,以及其杂交衍生群体为材料,首先利用植物数量性状主基因+多基因混合遗传分析方法,对辣椒CMS育性恢复进行六世代联合分析,并利用分子标记技术对进行QTL定位分析,弄清辣椒CMS育性恢复的遗传机理和数量性状位点;同时对8A与R_1,以及其F2分离群体中极端不育池SP与极端恢复(可育)池RP进行转录组比较分析,寻找差异表达基因,对差异表达基因进行功能注释,探索辣椒CMS育性恢复的分子机理,并利用BSR法对恢复基因进行定位分析,根据定位区间差异表达基因和功能注释结果,鉴定筛选辣椒CMS育性恢复候选基因。取得的主要结果如下:(1)辣椒胞质雄性不育系×恢复系的六世代混合遗传分析结果表明,辣椒CMS育性恢复受两对加性-显性上位性主基因+加性-显性上位性多基因控制,且基因遗传力很高,在0.9388以上。8A×R_1组合中,第1对主基因同时表现加性效应和显性效应,加性效应值和显性效应值分别为-0.9540和1.2490,而第2对主基因主要表现为加性效应,加性效应值为-0.9540,显性效应仅为-0.0447,2对主基因具有相同的加性效应。8A×R_2组合中,2对主基因均同时表现加性效应和显性效应,第1对主基因的显性效应大于第二对主基因,分别为0.8959和0.3512,2对主基因具有相同的加性效应,效应值为-0.8734。(2)构建了一张由12个连锁群组成,总跨度553.45 c M的辣椒种内分子遗传图谱。利用该遗传图谱,对辣椒CMS育性恢复进行了QTL定位,共定位到2个主效QTLs和7个微效QTLs。2个主效QTLs的遗传力很高,合计为92.58%。第1个主效QTL——q IF-3-1,可解释表型变异的46.68%,显性效应和加性效应值分别为1.28和0.84。第2个主效QTL——q IF-5-1,可解释表型变异的47.10%,显性效应和加性效应值分别为1.76和-0.02。7个微效QTL中,q IF-4-1,q IF-5-2 and q IF-8-1主要表现为加性效应,q IF-1-1,q IF-2-1,q IF-6-1和q IF-12-1主要表现为显性效应。(3)利用Illumina Hiseq2500测序平台,对R_1、8A、RP和SP等4个材料进行转录组测序,结果表明,在8A vs R_1间共找到3790个差异表达基因,其中在R_1中上调表达2274个,下调表达的1516个。在SP vs RP间共找到1762个差异表达基因,其中在RP中上调表达1490个,下调表达272个。在8A vs R_1和SP vs RP中均存在差异表达基因共944个,其中均上调表达基因891个,均下调表达基因53个。(4)通过对8A vs R_1和SP vs RP中均上调表达的891个基因的KEGG代谢通路分析,富集最显著和与育性有关的代谢通路有:三羧酸循环、糖酵解途径、磷酸戊糖途径、氧化磷酸化、淀粉与蔗糖代谢、泛素介导的蛋白质水解、β-丙氨酸代谢、苯丙氨酸代谢、酪氨酸代谢、半胱氨酸与蛋氨酸代谢、ABC转运体、磷脂酰肌醇信号系统和磷酸肌醇代谢。(5)筛选出Capana00g002348、Capana00g004424、Capana02g000930、Capana00g003267、Capana01g002849、Capana05g002270、Capana01g004065、Capana06g002131和Capana02g001595等9个与辣椒CMS育性恢复紧密相关的基因,它们分别依次编码果糖激酶、磷脂酰肌醇磷酸激酶、果胶裂解酶、外多聚半乳糖醛酸酶、果胶酯酶、纤维素合成酶、束状阿拉伯半乳聚糖蛋白、磷脂酶C(PLC)和ABC转运蛋白。(6)利用BSR法,将辣椒CMS育性恢复基因分别定位到Chromosome 03和Chromosome 06的两个区间上。位于Chromosome 03的区间跨度0.24Mb,包含19个参考基因;位于Chromosome 06的区间跨度16.47Mb,包含231个参考基因。总区间16.71Mb,共包含250个参考基因。(7)根据定位区间的差异表达基因分析,以及功能注释,在Chromosome 06的定位区间上筛选到2个辣椒CMS育性恢复候选基因Capana06g002866与Capana06g002871,均编码类泛素结合酶NEDD8。荧光定量PCR分析表明,2个候选基因在F1各个时期的表达量均明显高于8A,并在8A的4个发育时期表达量变化不明显,而在F1中的第Ⅰ、Ⅱ时期基本不变,到第Ⅲ、Ⅳ时期迅速升高,至第Ⅳ时期达到最大,并远远高于第Ⅰ、Ⅱ时期,说明2个候选基因的表达与花药的正常发育进程显著正相关。
【学位授予单位】:甘肃农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:S641.3

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