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金花菜的遗传多样性及连锁图谱构建

任海龙  
【摘要】:苜蓿属(Medicago)大约有87个种,包括了最重要的豆科牧草——紫花苜蓿(Medicago sativa)和豆科模式植物——蒺藜苜蓿(Medicago truncatula),在畜牧业生产和农业中占有重要地位。金花菜(Medicago polymorpha L)属豆科苜猜属一年生苜蓿,由于低光周期敏感性和春化性而广泛分布于世界各地。金花菜除能固定大气中的N2,生产出高质量的牧草外,还具有土壤修复、培肥地力、防止水土流失等作用,被广泛应用于牧草、饲料、绿肥、草地农业系统、冬季覆盖作物和救荒牧草等领域。除此之外,金花菜还有很多优良的农艺性状:如土壤和气候的适应性、持久性、良好的冬季生长能力和耐放牧等,可用于过度放牧或焚烧后退化草场的恢复,被认为是苜蓿改良的重要遗传资源。近年来,随着人们对食品安全的关注,金花菜作为绿色有机食品,日益受到消费者的喜爱和政府的重视,以市场为导向的金花菜产业迎来了前所未有的发展,种植面积不断扩大,总产不断增加,加工产品也越来越丰富,是极具发展前景的多用途豆科牧草。相比快速发展的产业化进程,金花菜的遗传育种工作明显滞后,生产上仍以地方乡土品种为主,缺乏品质优良的高产品种,生产中存在诸多问题尚待解决。开展金花菜的遗传多样性及遗传图谱构建无论是对金花菜的品种选育,还是对其他一年生苜蓿,乃至在多年生紫花苜蓿的理论研究都具有重要的参考价值。本论文的主要研究结果如下:(1)以不同来源的5份金花菜种子为试验材料,研究其在不同温度(5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃)条件下的萌发情况。结果表明,种子硬实是限制金花菜萌发的主要因素,不同来源金花菜种子的硬实度差异较大,破除种皮可明显提高金花菜的萌发率;金花菜种子在20℃时萌发率最高,40℃时不能萌发,25℃时幼芽生长最快。(2)不同来源的金花菜在株高、分枝数、叶长、叶宽和刈割产量上普遍存在差异。金花菜草产量与第二次刈割产量呈极显著正相关,不同刈割茬次间存在补偿作用。金花菜的主要农艺性状对草产量的影响以第二次刈割产量最大,其后依次为株高、第三次刈割产量、第一次刈割产量、分枝数、叶长、叶宽、第四次刈割产量和根长。(3)金花菜在叶长、叶宽、株高、分枝数、茎粗、茎叶比、鲜重、干重、鲜干比等性状中存在着丰富的遗传变异,其中株高和分枝数的变异最大,可作为区分不同金花菜材料的重要形态学指标。相关性分析表明:叶长、叶宽和株高呈极显著显著正相关;分枝数、茎粗和茎叶比呈极显著正相关;鲜重和干重呈极显著正相关;茎粗与鲜重和干重呈著正相关。该结果对金花菜基于表型性状的品种选育具有重要的指导作用。(4)通过高通量测序共获得包括23.68 Mb个读长的6.26 Gb的数据量,87,207个高质量的SLAF标签,其中25,616个SLAF标签为多态性标签,平均测序深度为11.37×。在25,616个多态性SLAF标签中,共获得SNP标记 52,237 个。研究结果表明,金花菜的核酸多样性(θω = 0.0045 and π = 0.0043)水平与蒺藜苜蓿相当。通过全基因组SNP标记可以把10份不同来源的金花菜材料分成野生型、栽培型和中间型3个类群,这种划分与基于表型性状的聚类相一致,但与地理来源不相关。野生型可能是栽培型的祖先种,并且具有较高的核酸多样性,栽培型和野生型类群遗传分化明显,群体间基因交流很少。本研究开发了大量的SNP标记,这些全基因组SNP标记将为我们更好的理解金花菜的遗传驯化历史及种群间的关系提供帮助。(5)以金花菜材料“海安”为父本,“温岭”为母本,进行人工杂交,构建了一个由124个单株组成的F2代作图群体。测序共得到85.18 Gb原始数据,包括了 453.95 M的长度在100 bp左右双端读长数据。通过信息分析,共得到261,501个SLAF标签,其中多态性的SLAF标签23,221,多态率为8.88%,亲本平均测序深度为32.39×;子代平均测序深度8.27×。在23,221个多态性SLAF标签中,有17,345个标签成功通过基因型编码,占74.70%。通过筛选去除质量低、缺少亲本信息、严重偏分离和其他不适合构建图谱的标记,最终共有2,408个SLAF标记连锁到图谱上。最终构建了含有7个连锁群,总图距839.01 cM,平均图距0.35 cM的高密度金花菜遗传连锁图谱。遗传图谱的标记总数为2,408个。最大的连锁群LG6,有324个标记,覆盖195.28cM,相邻标记间最大距离为0.60 cM;LG1是最密的连锁群,包括760个标记,相邻标记间的平均距离为0.19 cM;最小的连锁群是LG4,含有162个标记,长度65.68 cM,相邻标记间的平均距离为0.35 cM。本研究构建了金花菜首张遗传连锁图谱,这张高密度遗传图谱将为金花菜重要性状的QTL定位、比较谱图的构建和分子标记辅助育种提供帮助。同时,本研究共定位了与金花菜产量相关的7个农艺性状的9个QTLs,分别位于LG1、LG3和LG6上,包括控制叶长的2个QTLs、控制叶宽的1个QTL、控制分枝数的1个QTL、控制株高的1个QTL、控制初花期天数的1个QTL、控制单株干重的1个QTL和控制单株荚重的2个QTLs。


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