俎峰 趙凱琴 張云云 田正書 劉亞俊 奚俊玉 束正齊 符明聯
摘要:【目的】對甘藍型油菜花期和生育期QTL進行定位,為精細定位和克隆早花基因及開展分子標記輔助早熟油菜品種選育提供理論依據。【方法】以極早熟甘藍型油菜G28、甘藍型油菜H008及以二者為親本構建的175個F1DH株系為材料,利用甘藍型油菜60K SNP芯片分型技術繪制高密度遺傳連鎖圖譜,并采用完備復合區間作圖法對2016─2017年度麗江和臨滄2個生長環境下甘藍型油菜的花期(FT)和生育期(MT)田間調查數據進行QTL掃描分析。【結果】F1DH株系花期與生育期具有較明顯的超親現象,表明雙親材料控制花期和生育期的位點不同。F1DH株系在麗江生長環境下花期與生育期相關系數為0.63,在臨滄生長環境下二者相關系數為0.79,即花期與生育期呈較高的正相關。利用SNP芯片構建的高密度遺傳連鎖圖譜共包含19條連鎖群,7601個SNPs位點,總長3838.2 cM。在麗江和臨滄2個生長環境下共檢測到6個花期QTL和5個生育期QTL,分布于A02、A07、C02、C03、C06、C07和C09連鎖群上,可分別解釋2.96%~17.40%和4.98%~11.82%的遺傳變異。花期QTL qFTA02-1和qFTC03-2在2生長個環境下均可檢測到,加性效應值相反,其中qFTA02-1具有最高的LOD值(20.43)、貢獻率(17.40%)和加性效應值(3.27 d),且與生育期QTL qMTA02-1置信區間重疊,是最主要的花期主效QTL;qFTC03-2為次要的花期主效QTL。在qFTA02-1置信區間內發現2個擬南芥花期調控關鍵基因FLC和FY的油菜同源基因拷貝BnaA02g00370D和BnaA02g01670D。【結論】花期主效QTL qFTA02-1和qFTC03-2可用于分子標記輔助選育早熟油菜品種。BnaA02g00370D和BnaA02g01670D可能為qFTA02-1置信區間內控制甘藍型油菜花期性狀的目標基因。
關鍵詞: 甘藍型油菜;花期;生育期;QTL定位;SNP芯片
中圖分類號: S634.303.6 ? ? ? ?文獻標志碼: A 文章編號:2095-1191(2019)03-0500-06
0 引言
【研究意義】油菜(Brassica napus)是世界范圍內廣泛種植的主要油料作物,也是我國唯一的冬季油料作物(陳盛等,2017;徐文等,2018)。花期(Flower time,FT)與生育期(Maturity time,MT)高度正相關是油菜早熟性狀選擇的重要指標(Zhao et al.,2005;倪正斌等,2018),但二者作為數量性狀由多基因控制,且與環境的互作效應顯著(關周博等,2016;蔡東芳等,2017),在無分子標記輔助的情況下較難實現直接選擇。因此,開展油菜花期與生育期的數量性狀座位(QTL)定位研究,以實現分子標記輔助選擇早熟性狀,對提高早熟油菜品種選育效率具有重要意義。【前人研究進展】大量研究表明,油菜花期與生育期具有較高的遺傳力,適宜開展QTL定位研究(Zhao et al.,2005;Long et al.,2007;關周博等,2016;黃吉祥等,2016;姜成紅等,2017)。1995年,Ferreira等首次利用甘藍型油菜DH群體構建的RFLP標記遺傳連鎖圖譜檢測花期QTL,在LG9(A09)連鎖群檢測到1個在3個生長環境下均穩定出現的QTL,貢獻率高達28%。Zhao等(2005)利用甘藍型油菜SG-DH群體構建的SSR標記遺傳連鎖圖譜檢測花期和成熟期QTL,在3個生長環境下共檢測到7個主效QTL,分別位于A01、A02、C01、C02、C04、C06和C09連鎖群上,其中A01、C02和C06連鎖群上的花期QTL與成熟期QTL區間重疊或一致。Long等(2007)利用甘藍型油菜TN-DH群體及其衍生的RCF2群體構建電泳標記遺傳連鎖圖譜,在11個生長環境下累計檢測到42個花期QTL,分布于絕大部分連鎖群上,其中A10和C06連鎖群上的QTL貢獻率最大,不同環境下可分別解釋26%~52%的遺傳變異,并證實qFT10-4區間內擬南芥花期關鍵基因FLC的甘藍型油菜同源基因拷貝BnFLC10是油菜品種冬、春性分化的關鍵基因。黃吉祥等(2016)利用分子標記加密甘藍型油菜SG-DH群體構建的遺傳連鎖圖譜檢測9個生長環境下的花期QTL,共檢測到7個在3個生長環境下穩定出現的花期QTL,QTL加性效應值為0.58~3.85 d,累計解釋遺傳變異的84%,其中位于A02、C02和C06連鎖群上的3個QTL效應值最大。【本研究切入點】雖然前人已針對油菜花期與生育期開展了大量QTL定位研究,但油菜生長環境多為平原或低海拔地區,至今鮮見有關高海拔生長環境下油菜花期與生育期QTL定位的研究報道。【擬解決的關鍵問題】利用甘藍型油菜60K SNP芯片分型技術(Raman et al.,2014)繪制F1DH株系群體的高密度遺傳連鎖圖譜,采用完備復合區間作圖法對麗江(海拔1819.5 m)和臨滄(海拔2378.8 m)試驗點的F1DH株系群體花期和生育期田間調查數據進行QTL掃描分析,并分析推測主效QTL位點內的候選基因,旨在解析高海拔地區甘藍型油菜花期和生育期性狀遺傳規律,最終實現花期和生育期性狀主效QTL定位,為今后精細定位和克隆早花基因及開展分子標記輔助早熟油菜品種選育提供理論依據。
1 材料與方法
1. 1 試驗材料
供試材料為極早熟甘藍型油菜種質G28、早熟甘藍型油菜種質H008及以G28為母本、H008為父本構建的175個F1DH株系,種子由云南省農業科學院經濟作物研究所油菜中心提供。DNA提取試劑盒DP350購自天根生化科技(北京)有限公司;甘藍型油菜60K SNP芯片及配套試劑(Brassica 60K_Cons_ ParkinAAFC)購自美國Illumina公司;SNP芯片分型試驗平臺購自美國Illumina公司。
1. 2 田間種植及花期和生育期測定
2016年10月,175份F1DH株系及其親本分別播種于云南省臨滄市博尚鎮勐準村(東經100o03'19",北緯23o43'03",海拔1819.50 m)和麗江市玉龍縣黃山鎮長水村(東經100o11'59"、北緯26o51'54",海拔2378.8 m)2個試驗點(以下簡稱臨滄試驗點和麗江試驗點)。隨機區組排列,設2次重復。5葉期每行定植10~12株,行距30 cm,株距20 cm,田間管理按照試驗點當地的高產栽培措施進行。2017年4─5月按照各株系成熟度分批收獲。
花期和生育期2個性狀的測定方法:初花時間判定標準為一行材料中30%植株開第一朵花的時間,播種到該時間點的間隔記為花期;成熟時間判定標準為一行材料中70%植株角果呈黃色、籽粒呈黑色的時間,播種到該時間點的間隔記為生育期。
1. 3 DNA提取
將175個F1DH株系及其雙親(G28和H008)種子置于光照培養箱進行發芽,子葉平展時進行單株取樣。采用DNA提取試劑盒提取樣品DNA,并以瓊脂糖凝膠電泳檢測其質量,-20 ℃保存備用。
1. 4 SNP芯片分析
利用華中農業大學作物遺傳改良國家重點實驗室油菜研究團隊的SNP芯片分型試驗平臺,參照甘藍型油菜60K SNP芯片及配套試劑產品說明對供試材料進行SNP芯片基因分型試驗。
1. 5 遺傳連鎖圖譜構建與QTL分析
利用JoinMap 4.0與MSTMap綜合計算F1DH株系內SNP位點間遺傳距離,繪制遺傳連鎖圖譜。利用IciMapping 4.1中的ICIM-ADD模型對2016─2017年度F1DH株系在臨滄和麗江試驗點的花期和生育期2個性狀田間調查數據進行QTL掃描分析,參數設置為Missing Phenotype:Deletion;Step:1.00;LOD值:3.0(Meng et al.,2015)。不同生長環境下檢測到的同一性狀QTL置信區間(1-LOD)內重疊則視為同一QTL,重疊部分為置信區間。QTL命名采用“q+性狀英文首字母大寫縮寫(花期即FT;生育期即MT)+連鎖群編號+QTL個數”。如甘藍型油菜第1連鎖群上的第一個控制花期的QTL命名為qFTA01-1。
1. 6 SNP芯片探針序列BLAST分析
從NCBI網站上下載甘藍型油菜參考基因組(Darmor-bzh)和CDS序列V4.1版及擬南芥參考基因組序列TAIR10版。利用blast+2.7.1軟件包的makeblastdb命令搭建甘藍型油菜參考基因組、CDS和擬南芥基因組的本地化數據庫,參數設為-hash_index, -parse_seqids和-dbtype nucl。使用blastn命令提交SNP芯片探針序列到本地化數據庫進行BLAST分析,參數設為-evalue e-18、-num_alignments 1、 -outfmt 6及50個探針堿基序列中僅允許有1個堿基錯配。最后使用blastdbcmd命令提取基因序列。
2 結果與分析
2. 1 F1DH株系及其雙親的花期和生育期測定結果
175個F1DH株系及其雙親的花期與生育期測定結果如表1所示。雙親材料(G28和H008)在麗江和臨滄試驗點的花期分別相差32和28 d,生育期分別相差30和16 d;F1DH株系在這兩個試驗點的花期最小值間相差29 d,最大值間相差31 d,生育期最小值間相差33 d,最大值間相差17 d。可見,在麗江和臨滄2個生長環境下,F1DH株系的花期和生育期具有較明顯的超親現象,表明雙親材料控制花期和生育期的位點不同。通過計算性狀間相關系數可知,F1DH株系在麗江試驗點花期與生育期相關系數為0.63,在臨滄環境下二者相關系數為0.79,表明花期與生育期呈較高的正相關。
2. 2 遺傳連鎖圖譜構建及花期和生育期QTL分析結果
由175個F1DH株系及其雙親的SNP芯片基因分型試驗結果可知,雙親材料(G28和H008)間有20183個SNPs位點。對175份DH株系SNP數據進行評估后,利用JoinMap 4.0與MSTmap構建甘藍型油菜高密度遺傳連鎖圖譜。該遺傳連鎖圖譜包含19條連鎖群,7601個SNPs位點,總長3838.2 cM。
利用IciMapping 4.1中的ICIM-ADD模型在2個生長環境(麗江和臨滄)下共檢測到8個花期QTL,其中麗江試驗點6個,臨滄試驗點2個,可解釋2.96%~17.40%(即貢獻率,下同)的遺傳變異;共檢測到5個生育期QTL,其中麗江試驗點4個,臨滄試驗點1個,可解釋4.98%~11.82%的遺傳變異。8個花期QTL分別分布在A02(3個)、C03(3個)、C07(1個)和C09(1個)連鎖群上,其中,分布在A02連鎖群上的3個花期QTL中有2個QTL的置信區間完全一致,合并為1個QTL,分布在C03連鎖群上的3個花期OTL中有2個花期QTL的置信區間重疊,合并為1個QTL,故最終獲得6個花期QTL,分別命名為qFTA02-1、qFTA02-2、qFTC03-2、qFTC03-1、qFTC07-1和qFTC09-1。5個生育期QTL分別分布在A02、A07、C02、C03和C06連鎖群上,命名為qMTA02-1、qMTA07-1、qMTC02-1、qMTC03-1和qMTC06-1。值得關注的是位于A02連鎖群上的qFTA02-1置信區間與qMTA02-1相重疊(表2)。綜上所述,在麗江和臨滄2個生長環境下均檢測到2個穩定出現的花期QTL即qFTA02-1和qFTC03-2,加性效應值相反,但未檢測到穩定出現的生育期QTL,其中qFTA02-1具有最高的LOD值、加性效應值和貢獻率,且置信區間與qMTA02-1相重疊,推測qFTA02-1是最主要的花期主效QTL,qFTC03-2為次要的花期主效QTL。
2. 3 花期主效QTL qFTA02-1的物理圖譜映射及候選基因分析結果
由表2可知,qFTA02-1在麗江和臨滄2個生長環境下均可檢測到,其LOD值最高可達20.43,可解釋高達17.40%的遺傳變異,加性效應值也高達3.27 d,且與qMTA02-1置信區間重疊,是花期性狀最主效QTL。提交qFTA02-1兩側SNP標記(Bn-A02-p1264906和Bn-A02-p3344176)探針序列到本地化數據庫,BLAST比對分析結果顯示,qFTA02-1置信區間位于參考基因組A02染色體0.11~0.84 M(表3)。依據參考基因組注釋信息發現,該置信區間內存在260個基因,將基因序列提交至本地化擬南芥基因數據庫進行BLAST比對分析,發現BnaA02g00370D和BnaA02g01670D分別與擬南芥花期控制基因FLC(AT5G10140)和FY(AT5G13480)高度同源,序列相似度高達89.61%和89.62%,將二者命名為BnFLC-A2和BnFY-A2,可作為花期QTL qFTA02-1置信區間內的候選基因進行深入研究。
3 討論
本研究發現在麗江和臨滄2個生長環境下雙親材料(G28和H008)花期分別相差32和28 d,生育期分別相差30和16 d;F1DH株系在這兩個試驗點花期相差29~31 d,生育期相差17~33 d,其原因可能是麗江與臨滄的自然環境差異較大,與黃吉祥等(2016)的研究結果相似。黃吉祥等(2016)在9個生長環境下對油菜F1DH株系及其親本的花期進行調查,結果發現晚熟親本2001年在德國生長環境下的花期與2013年在我國杭州生長環境下的花期相差59 d,早熟親本2001年在德國生長環境下的花期與2007年在我國杭州生長環境下的花期相差69 d。由此可見,雖然大量研究證實植物的花期和生育期遺傳力較高(Zhao et al.,2005;Long et al.,2007),但二者作為數量性狀仍受自然環境的嚴重影響。
QTL定位是結合性狀表型數據,利用分子標記技術將控制數量性狀的基因或基因簇作為一個整體定位到連鎖群上,并估計其遺傳效應,結果準確性主要由性狀的遺傳復雜度與性狀表型數據的準確性共同決定(李慧慧等,2010;任照彬等,2018)。本研究在麗江和臨滄2個生長環境下檢測到2個穩定出現的花期QTL(qFTA02-1和qFTC03-2),但未檢測到穩定出現的生育期QTL。這可能與田間測定生育期的標準(70%植株角果皮呈黃色、籽粒呈黑色)易受主觀因素影響,而花期判定標準(30%植株開出第一朵花)易分辨,受主觀因素影響較小。此外,雖然花期與生育期高度正相關(Zhao et al.,2005;關周博等,2016),是早熟性狀選擇的重要指標,但初花過后應還有其他基因參與植株的生殖生長發育進程,與花期相比,生育期遺傳更復雜。因此,在今后QTL定位研究中需盡可能分解性狀,量化性狀判定指標,從而降低性狀的遺傳復雜度,減少主觀因素影響,提高性狀判定的準確度,有助于檢測出穩定的QTL。
對模式植物擬南芥功能基因組學研究較深入,基因注釋信息詳盡,能為同為十字花科的油菜相關研究提供豐富參考信息(Parkin et al.,2005;王釗輝等,2017)。甘藍型油菜參考基因組序列的公布有助于研究人員在QTL定位后通過BLAST比對查詢QTL置信區間內擬南芥基因的油菜同源基因拷貝。Xu等(2016)利用SNP芯片技術對523個甘藍型油菜品系進行花期性狀全基因組關聯分析,結果檢測到41個與油菜花期顯著關聯的SNP,提取最顯著關聯SNP位點兩側的油菜基因組序列到擬南芥基因組數據庫進行BLAST比對分析,發現距離該SNP位點13 kb的位置存在一個重要的擬南芥光周期控制基因CONSTANS(CO)的同源基因拷貝BnaC09g41990D。本研究利用上述相同的研究思路,在qFTA02-1置信區間內發現2個控制擬南芥花期基因(FLC和FY)的油菜同源基因拷貝BnaA02g00370D和BnaA02g01670D,命名為BnFLC-A2與BnFY-A2。FLC作為春化途徑中的關鍵基因,編碼MADS-box基因家族轉錄因子,負向調控開花性狀,晚花植株低溫春化前FLC基因高效表達會抑制植株開花,春化后FLC基因甲基化,表達水平下降,植株開花(Sanda and Amasino 1996;Helliwell et al.,2006)。該基因在大白菜和甘藍型油菜上的同源基因拷貝功能與擬南芥FLC基因功能相似,均能調控植株花期(Kim et al.,2007;Hou et al.,2012)。FY是花期自主調控途徑的重要基因,編碼mRNA編輯因子,對FLC基因具有雙向調控功能,通過抑制或誘導FLC基因表達以調控開花時間(Feng and Michaels,2011)。但目前鮮見有關FY基因油菜同源基因拷貝的研究報道。推測FLC和FY基因的油菜同源基因拷貝BnaA02g00370D和BnaA02g01670D均為qFTA02-1置信區間內控制甘藍型油菜花期性狀的目標基因,需進行深入研究。
4 結論
花期主效QTL qFTA02-1和qFTC03-2可用于分子標記輔助選育早熟油菜品種。BnaA02g00370D和BnaA02g01670D可能為qFTA02-1置信區間內控制甘藍型油菜花期性狀的目標基因。
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(責任編輯 陳 燕)