基于GBS測(cè)序和連鎖分析的藜麥單株粒重QTL定位

吳文強(qiáng), 代越琪, 陳天青, 隋建樞, 羅永露, 王 偉, 何慶才

(1.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱糧研究所, 貴陽(yáng) 550006; 2.貴州金農(nóng)科技有限責(zé)任公司, 貴陽(yáng) 550006)

藜麥(ChenopodiumquinoaWilld.)屬藜科藜屬,原產(chǎn)于南美洲安第斯山脈,作為印第安人的傳統(tǒng)食物,被聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)認(rèn)定為唯一一種單體植物即可滿足人體基本營(yíng)養(yǎng)需求的食物[1-2],且具有耐旱、耐寒、耐鹽堿、耐瘠薄等特性[3-5]。近年來(lái),藜麥在世界各國(guó)的需求量大幅度上升,僅靠南美洲進(jìn)口藜麥品種已經(jīng)不能滿足藜麥?zhǔn)袌?chǎng)需求[6]。因此,歐洲、亞洲和非洲各國(guó)開始了一系列引種試驗(yàn)和藜麥栽培研究[7-8],為藜麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)。同時(shí),藜麥相關(guān)基因組學(xué)研究也取得了一定的成果,如Maldonado等[9]利用PI614889 和CHEN-109 構(gòu)建F2和F3群體,定位到生育期、株型、千粒重以及皂苷含量等發(fā)育相關(guān)QTL 15個(gè);以及Cervantes等[10]利用Red Carina 和Atlas 為親本,構(gòu)建94個(gè)F3個(gè)體與1 076個(gè)SNP定位到穗色、開花時(shí)間、成熟時(shí)間、株高以及千粒重等22個(gè)農(nóng)藝性狀相關(guān)QTL,其中pleio7.1與藜麥單株粒重相關(guān)。這些研究為解析藜麥單株粒重遺傳基礎(chǔ)提供了參考。然而,藜麥單株粒重作為復(fù)雜數(shù)量性狀,是大量微效等位基因共同作用的結(jié)果[11-12],基于少數(shù)藜麥種質(zhì)材料尤其是國(guó)外的種質(zhì),以及低密度標(biāo)記所揭示的遺傳基礎(chǔ),對(duì)于深度揭示認(rèn)識(shí)藜麥單株粒重變異的遺傳基礎(chǔ)所提供的信息較為有限。近年來(lái),隨著高通量的基因型鑒定技術(shù)的大量應(yīng)用,結(jié)合連鎖分析和高通量基因型鑒定技術(shù),深入解析重要性狀變異的遺傳研究,能夠有效縮小目標(biāo)QTL,提高定位結(jié)果的分辨率,該方法已被大量應(yīng)用在主要糧食作物重要性狀的遺傳區(qū)段鑒定上[13-14],為藜麥單株粒重的遺傳基礎(chǔ)解析提供了很好的借鑒。因此,選用國(guó)內(nèi)選育,且擁有較大種植面積的隴藜1號(hào)高代選系和與其在單株粒重上有較大差異的ZL00114高代選系為親本構(gòu)建作圖群體,并結(jié)合基因測(cè)測(cè)序(GBS),解析藜麥單株粒重變異的遺傳基礎(chǔ),挖掘相關(guān)性狀的遺傳區(qū)段,對(duì)于充分利用國(guó)內(nèi)藜麥種質(zhì)的遺傳優(yōu)勢(shì)及改良其單株粒重具有重要的科學(xué)理論意義和實(shí)踐利用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材 料

本研究以單株粒重較高的藜麥品種隴藜1號(hào)高代選系和單株粒重低的高代自育選系ZL00114為親本構(gòu)建的120個(gè)單株的F2分離群體以及120個(gè)F2∶3分離家系為材料。

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)及表型評(píng)價(jià)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),單行區(qū),行長(zhǎng)3 m,株距0.3 m,行距0.6 m,并于2021年冬季在海南南繁基地(九所)種植120個(gè)F2單株。于2022年夏季在貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地種植120個(gè)F2∶3家系, 田間管理同大田生產(chǎn),并于收獲后進(jìn)行單株粒重表型鑒定,每個(gè)F2∶3家系鑒定10株。

1.3 DNA提取和基因型鑒定

藜麥6葉期,取F2單株幼嫩葉片,利用改良CTAB法提取基因組DNA,并將合格的DNA樣品送北京康普森生物技術(shù)公司進(jìn)行DNA質(zhì)量評(píng)估和簡(jiǎn)化GBS,鑒定基因型。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用SAS9.0、IciMapping等軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和QTL定位,鑒定出控制藜麥單株粒重的遺傳區(qū)段。

2 結(jié)果與分析

2.1 高密度遺傳圖譜構(gòu)建

利用34 484個(gè)SNP構(gòu)建了高質(zhì)量的遺傳圖譜。結(jié)果(圖1)顯示,所有SNP分布于18條染色體上。其中第1條染色體上SNP分布最多,為5 493個(gè);第9條染色體分布最少,為234個(gè);其余各染色體上SNP分布數(shù)量分別是:第2條1 704個(gè)、第3條2 113個(gè)、第4條1 787個(gè)、第5條2 446個(gè)、第6條3 611個(gè)、第7條1 642個(gè)、第8條1 780個(gè)、第10條1 212個(gè)、第11條1 348個(gè)、第12條2 083個(gè)、第13條505個(gè)、第14條1 850個(gè)、第15條2 190個(gè)、第16條1 542個(gè)、第17條1 907個(gè)以及第18條1 037個(gè)。

注:每行代表一個(gè)SNP標(biāo)記,不同的顏色顯示不同的標(biāo)記密度;淺色表示標(biāo)記的密度低,而深色表示標(biāo)記的密度高。

2.2 控制藜麥單株粒重QTL

利用完備區(qū)間作圖法,定位到7個(gè)控制藜麥單株粒重相關(guān)QTL,結(jié)果列于表1。分析發(fā)現(xiàn),這些QTL分布于第3,4,5,7,12條染色體上,其中,第3、第7染色體上分別分布了2個(gè)相關(guān)QTL。結(jié)果顯示,單個(gè)位點(diǎn)可解釋6.09%～10.17%的單株粒重變異,單個(gè)QTL大小在10.54～401.86 kb之間。

表1 控制藜麥單株粒重相關(guān)QTL

定位于第3條染色體控制藜麥單株粒重的QTL有2個(gè) (表1,圖2),分別是qSPW3-1和qSPW3-2,qSPW3-1大小為265.76 kb,LOD值為2.59,可解釋藜麥單株粒重表型變異6.34%;qSPW3-2大小為401.86 kb,LOD值為2.99,可解釋藜麥單株粒重表型變異10.17%;其中qSPW3-2表現(xiàn)出較高的遺傳效應(yīng)。

注:x軸表示每個(gè)染色體上SNP標(biāo)記的物理位置;y軸表示LOD值,虛線表示閾值。下同。

定位于第4條染色體控制藜麥單株粒重的QTL是qSPW4,大小為10.54 kb,LOD值為2.55,可解釋藜麥單株產(chǎn)量表型變異7.58%(表1、圖3)。

圖3 定位于第4條染色體控制藜麥單株粒重QTL

定位于第5條染色體控制藜麥單株粒重的QTL是qSPW5,大小為194.87 kb,LOD值為3.56,可解釋藜麥單株產(chǎn)量表型變異6.09%(表1、圖4)。

圖4 定位于第5條染色體控制藜麥單株粒重的QTL

定位于第5條染色體控制藜麥單株粒重的QTL 有2個(gè),分別是qSPW7-1和qSPW7-2(表1、圖5)。其中,qSPW7-1大小為199.07 kb,LOD值為3.13,可解釋藜麥單株粒重表型變異的7.70%(表1);qSPW7-2大小為63.04 kb,LOD值為4.07,可解釋藜麥單株粒重表型變異9.33%(表1),表現(xiàn)出了較高的遺傳效應(yīng)。

圖5 定位于第7條染色體控制藜麥單株粒重的QTL

定位于第12條染色體的QTL是qSPW12,大小為102.09 kb,LOD值為2.98,可解釋藜麥單株粒重表型變異的6.63%(表1、圖6)。

圖6 定位于第12條染色體控制藜麥單株粒重的QTL

3 討 論

目前,藜麥Q(jìng)TL定位相關(guān)研究報(bào)道較少,尤其是單株粒重相關(guān)QTL定位,只有Cervantes等[10]利用Red Carina和Atlas為親本構(gòu)建94個(gè)F3個(gè)體與1 076個(gè)SNP定位到與藜麥單株粒重相關(guān)的QTL pleio7.1,為解析藜麥單株粒重遺傳基礎(chǔ),提供的理論依據(jù)有限。本研究以單株粒重差異較大的兩個(gè)親本構(gòu)建的雙親分離群體為材料,基于GBS測(cè)序和表型鑒定結(jié)果,利用完備區(qū)間作圖法定位到7個(gè)控制藜麥單株粒重的QTL(表1),均為新定位到的控制藜麥單株粒重相關(guān)QTL,分別是位于第3染色體的qSPW3-1、qSPW3-2;位于第4染色體的qSPW4;位于第5染色體的qSPW5,位于第7染色體的qSPW7-1、qSPW7-2;以及位于第12染色體的qSPW12;單個(gè)QTL表型變異貢獻(xiàn)率為6.09%～10.17%,可累計(jì)解釋藜麥單株粒重變異的58.34%;單個(gè)QTL變幅為10.54～401.86 kb。這些研究將為初步揭示藜麥產(chǎn)量相關(guān)性狀變異的遺傳基礎(chǔ)提供分子遺傳學(xué)依據(jù),為基于分子標(biāo)記輔助選擇的藜麥高產(chǎn)新種質(zhì)創(chuàng)制提供一定支撐。下一步,本研究將結(jié)合連鎖分析和關(guān)聯(lián)分析,針對(duì)雙親分離群體重組事件相對(duì)較小以及自然群體定位結(jié)果假陽(yáng)性較高的特點(diǎn),提高定位精度,為進(jìn)一步的精細(xì)定位和基因篩選提供參考。