小麦不同矿质营养处理下苗期、产量和籽粒性状的QTL分析

【摘要】：小麦是我国主要的粮食作物之一,在粮食生产中具有举足轻重的作用,种植面积大,对肥料的需求量高。小麦对矿质营养元素的吸收利用大多为受多基因控制的数量性状,易受环境影响。QTL作图技术为数量性状遗传研究开辟了新的途径。它不仅有利于分子标记辅助选择和相关基因的克隆,也为未来的分子设计育种奠定了理论基础。因此,开展小麦矿质营养利用效率相关性状的QTL分析具有重要意义。本研究利用课题组创制的“川35050×山农483”RIL群体(2009年为F17)为材料,对小麦苗期相关性状(生物量,形态性状,N、P、K的吸收利用效率)和产量/籽粒性状(株高、穗数、千粒重等)进行了测定和QTL定位分析,并对N代谢过程中的关键酶谷氨酰胺合成酶基因TaGS1a与苗期、产量/籽粒性状进行QTL分析,以期了解营养吸收利用的遗传控制机制。获得了以下主要结果。 (1)小麦苗期不同N、P、K处理下营养相关性状的QTL分析。本试验中,在水培条件下,设置3个N水平、2个P水平、2个K水平,完全组合,包含12个处理(简称为HC-1)。共检测到373个QTL位点(590个性状-处理QTL),位于小麦的18条染色体上,除3D,4D,7D外。在不同处理条件下,单一QTL可解释表型变异的2.9-73.6%,LOD值最大值为16.2(SKUE)。有22个QTL位点是相对出现频率比较高的位点(relative high frequency QTLs,RHF-QTLs),这些位点均可在4个以上的处理中检测到。其中,16个RHF-QTLs的平均贡献率都达到20%以上,包括QSnc-1B.2,QSpc-1B.1,QSkc-1B.3,QSkue-1B.1,QRdw-4A.1,QRdw-4A.2,QSdw-4A.1,QTdw-4A.1,QRnc-4A.1,QSnc-4A.1,QRpc-4A.3,QRkc-4A,QTnue-4A.1,QTpue-4A,QTkue-4A.1和QMrl-5D.2,说明这些位点是比较重要的RHF-QTLs位点。涉及5个以上性状的位点形成了22个QTL簇,位于染色体1A,1B,1D,2B,3B,4A,4B,5D,6A,6B,7A和7B上。其中,有5个QTL簇涉及到218个QTLs(36.9%=218/590×100%)。并发现了N、P、K协同吸收利用的QTLs。 (2)小麦不同N处理下苗期营养相关性状和产量、籽粒相关性状的QTL分析。本试验中,设置苗期和成熟期2个试验:在水培条件下,设置6个N水平(简称为HC-2);在盆栽条件下,设置3个N水平。水培试验:共检测到203个QTL位点(243个性状-处理的QTL),位于小麦的20条染色体上,除3D外。在不同处理条件下,单一QTL可解释表型变异的3.2-56.9%,LOD值最大值为12.3。其中,有6个QTL位点是相对出现频率比较高的位点(relative high frequency QTLs,RHF-QTLs),这些位点均可在3个以上的处理中检测到,包括QRdw-1A.1,QSdw-1D,QTdw-7A,QTpc-1A,QTkc-1A.1,QSnue-1A.2,平均贡献率在9.6-25.7%。盆栽试验:共检测到92个QTL位点(107个性状-处理的QTL),位于小麦的18条染色体上,除3D,5D,7D外。在不同处理条件下,单一QTL可解释表型变异的3.5-50.0%,LOD值最大值为10.6。其中,有11个QTL位点是相对出现频率比较高的位点(RHF-QTLs),这些位点均可在2个以上的处理中检测到,包括QSn-1B,QSl-2D,QTgw-3A,QGh-3A.2,QGh-6A.1,QGh-6A.3,QFfd-1D,QGv-1D,QGv-3A,QGa-1D,QGa-3A,平均贡献率在7.1-24.0%。 苗期、籽粒性状的共定位:QTL簇包括20个QTL位点(包括C2–3,6–9,12,15–17,20–22,25,27,31,35,36,38和43)。其中,有3个QTL簇的位点是比较重要的,包括C6,C17,C36,主要涉及TGW和籽粒大小性状。我们推测该位点存在基因之间的相互作用,增加N、P、K含量或者利用效率可以提高籽粒相关性状,如千粒重、粒宽、粒高等。 (3)在水培试验HC-1和HC-2中,我们发现了一种N、P、K3种元素协同吸收利用的现象。我们定义,当某一个位点包含根、地上部、总植株的N、P、K其中的2种或3种元素的含量的QTL(QRnc, QSnc,QTnc,QRpc,QSpc,QTpc,QRkc,QSkc和QTkc)时,该位点为协同吸收(cooperative uptake)的位点。同样地,当某一个位点包含根、地上部、总植株的N、P、K其中的2种或3种元素的利用效率的QTL(QRnue,QSnue,QTnue,QRpue,QSpue,QTpue,QRkue,QSkue和QTkue)时,该位点为协同利用(cooperative utilization)的位点。两次水培试验中,HC-1有33个CUU-QTLs位点(L1-33),HC-1有20个CUU-QTLs位点(L34-53)。这53个CUU-QTLs位点中,仅仅涉及协同吸收(cooperative uptake)的位点有13个(包括L3,L5,L8,L11,L16,L21,L23,L26,L38,L42,L44,L45和L51),仅仅涉及协同利用(cooperative utilization)的位点有21个(包括L10,L12,L13,L18,L28,L31,L32,L33,L35,L36,L37,L39,L40,L41,L43,L47,L48,L49,L50,L52和L53),涉及协同吸收利用的位点有19个(包括L1,L2,L4,L6,L7,L9,L14,L15,L17,L19,L20,L22,L24,L25,L27,L29,L30,L34和L46)。 (4)小麦N代谢相关基因TaGS1a的单倍型分析及其与小麦苗期、籽粒性状的QTL分析。本试验中,对60份小麦品种(系)的TaGS1a的gDNA序列进行测序、比对,进而将多态性位点转化为功能标记并进行功能鉴定。结果显示,通过PCR扩增,获得约3.0kb的PCR产物,经转化大肠杆菌、质粒鉴定后进行测序。为分析测序结果的可靠性,比对TaGS1a mRNA多处与其他2个GS1基因(GS1b和GS1c)同源性高的非等位基因序列特征性SNP(single nucleotide polymorphism)和Indels(small insertion or deletion)位点信息,结果表明上述序列为TaGS1a的gDNA全长序列。对TaGS1a基因的结构分析表明,编码区自起始密码子(ATG)至终止密码子(TGA)长3415bp,由11个外显子组成,外显子中间有10个内含子。其中,有一段162bp的序列是TaGS1a基因特有的。通过对60份小麦材料的TaGS1a基因的gDNA序列进行比对分析,共发现11个位点变异,其中包括9个SNPs和2个InDels。对上述变异位点进行分析,发现TaGS1a基因共有2种单倍型,命名为Hap1和Hap2。根据1777bp处的SNP多态性转换为一种分子标记:酶切扩增多态性序列(Cleaved Amplified Polymorphic Sequences,CAPS),命名为TaGS1a-CAPS。利用中国春缺体-四体系对TaGS1a-CAPS标记进行定位,结果显示,该标记位于6D染色体上。通过连锁分析,该标记与SSR标记barc1112b连锁,遗传距离为2.5cM,由于找到的与TaGS1a-CAPS连锁的标记比较少,所以仅仅构建了一条包含3个标记的6D染色体图谱。