不同磷水平下大麥分蘗期磷效率相關(guān)性狀QTL定位分析

胡德益 蔡 露 陳光登,* 張錫洲 劉春吉

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不同磷水平下大麥分蘗期磷效率相關(guān)性狀QTL定位分析

胡德益1蔡 露1陳光登1,*張錫洲1劉春吉2

1四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院, 四川成都 611130;2CSIRO Agriculture, 306 Carmody Road, St Lucia, QLD 4067, Australia

磷素營養(yǎng)與大麥品質(zhì)及產(chǎn)量密切相關(guān), 磷高效遺傳機(jī)制和品種改良是近年的研究熱點(diǎn)之一。本研究利用由大麥栽培品種Baudin和種質(zhì)材料CN4079雜交構(gòu)建的重組自交系(RIL)群體, 低磷脅迫(0.02 mmol L-1KH2PO4)與正常供磷(0.2 mmol L-1KH2PO4)條件下, 對(duì)地上部和地下部磷素利用效率、磷素吸收效率和干重, 以及分蘗數(shù)相關(guān)的QTL定位, 并預(yù)測(cè)相關(guān)位點(diǎn)基因。表型鑒定結(jié)果表明, 各性狀在RIL群體中表現(xiàn)連續(xù)變異, 并存在超親分離。兩種磷水平下, 共檢測(cè)到16個(gè)QTL, 分布在2H、3H和5H染色體上, 表型貢獻(xiàn)率14.1%~28.5%。3H染色體上含有3個(gè)磷素利用效率位點(diǎn), 其增效等位基因均來源于Baudin, 其中和與控制磷素吸收效率的和處于同一區(qū)段, 而與控制分蘗數(shù)的位點(diǎn)處于同一區(qū)段。5H染色體上含有3個(gè)磷素吸收效率位點(diǎn), 其中和的增效等位基因來自CN4079, 且與控制磷素利用效率的和, 以及控制干重的和處于同一區(qū)段。在磷效率相關(guān)的4個(gè)區(qū)段中, 除所處區(qū)間僅含有磷酸代謝與磷脂代謝相關(guān)基因外, 其他區(qū)間均包含磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因、磷酸代謝與磷脂代謝相關(guān)基因。

大麥; 磷效率; 分蘗期; 重組自交系; QTL定位

磷素是植物生長所需的大量營養(yǎng)元素之一, 土壤中總磷含量較為豐富, 但絕大部分磷素以有機(jī)態(tài)磷及Ca-P、Mg-P、Al-P、Fe-P與O-P等形態(tài)存在, 導(dǎo)致土壤有效態(tài)磷含量較低[1]。在低磷環(huán)境中, 植物通過調(diào)節(jié)自身生理活動(dòng)攝取磷素。研究發(fā)現(xiàn), 磷脅迫條件下, 作物可通過向根中分配更多比例的生物量盡量保證根系生長[2], 同時(shí)改善根系形態(tài)[3-4]與根構(gòu)型[5]以獲取更多磷素。但作物自身生理活動(dòng)的改變不足以應(yīng)對(duì)缺磷對(duì)其生長的影響, 缺磷導(dǎo)致作物小花數(shù)量減少, 從而顯著降低產(chǎn)量[6]。研究表明, 同種作物不同基因型個(gè)體磷效率存在差異[7-9], 且作物磷效率為數(shù)量性狀[10], 因此可通過定位研究發(fā)掘控制磷效率相關(guān)性狀QTL。目前, 已經(jīng)對(duì)水稻[11-12]、大豆[13-14]、菜豆[15]、油菜[16]等作物開展了磷效率相關(guān)位點(diǎn)的研究。Su等[17]在小麥中定位到20個(gè)地上部磷素吸收效率與磷素利用效率QTL, 富集于4B、5A、5D染色體上。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn), 7個(gè)控制磷素吸收效率的QTL均與農(nóng)藝性狀相關(guān)[18]。Guo等[19]研究發(fā)現(xiàn), 小麥1B、1D、4A和7A染色體上存在穩(wěn)定的共同協(xié)調(diào)氮、磷、鉀吸收效率與利用效率的QTL。Kjar等[20]在不同氮水平下對(duì)大麥成熟期磷含量進(jìn)行QTL定位, 在2H和5H染色體上檢測(cè)到與籽粒磷含量和秸稈磷含量的QTL, 表型貢獻(xiàn)率為15%~45%。Gong等[21]通過不同磷水平的田間試驗(yàn), 在2H和5H上定位了3個(gè)與磷素利用效率相關(guān)的QTL, 但僅在一年中檢測(cè)到。

作為第四大谷類作物, 大麥(L.)的全球種植面積約56萬公頃, 總產(chǎn)達(dá)1.2億噸, 在我國種植面積約為1.62萬公頃。磷素顯著影響大麥產(chǎn)量與品質(zhì)[22]。因此, 發(fā)掘大麥磷效率相關(guān)基因位點(diǎn), 對(duì)利用分子標(biāo)記輔助選育大麥磷高效品種, 促進(jìn)大麥種植中磷肥減施增效具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。大麥營養(yǎng)生長期是磷素需求最旺盛階段, 值得深入解析該生育階段磷素吸收和積累的規(guī)律與機(jī)制。然而, 目前對(duì)大麥磷素營養(yǎng)相關(guān)性狀開展的QTL定位研究均基于對(duì)大田條件下成熟期的磷含量或磷素利用效率的測(cè)定, 未考慮苗期表達(dá)的相關(guān)基因/位點(diǎn)。本研究通過分析水培條件下大麥分蘗期磷效率相關(guān)性狀QTL, 為大麥磷高效利用栽培品種的分子標(biāo)記輔助育種提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以大麥栽培品種Baudin為母本, 日本地方品種CN4079 (Australian Winter Cereals Collection編號(hào)為407903)為父本配制雜交組合, 采用單粒傳種法構(gòu)建F7:9RIL群體, 包含92個(gè)株系。

1.2 試驗(yàn)處理

設(shè)置2次獨(dú)立試驗(yàn)(試驗(yàn)1和試驗(yàn)2), 均在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)成都校區(qū)教學(xué)科研園區(qū)帶有防雨設(shè)施的大棚中進(jìn)行。每次試驗(yàn)設(shè)低磷(LP)與正常(NP) 2個(gè)處理, 3次重復(fù), 隨機(jī)排列。供試營養(yǎng)液為Hoagland營養(yǎng)液與阿農(nóng)微量元素混合液[19], 正常供磷水平營養(yǎng)液配方為KH2PO40.2 mmol L–1, K2SO40.75 mmol L–1, MgSO4·7H2O 0.65 mmol L–1, Ca(NO3)2·4H2O 2 mmol L–1, EDTA-Fe 0.1 mmol L–1, H3BO41×10–3mmol L–1, MnSO4·H2O 1×10–3mmol L–1, ZnSO4·7H2O 1×10–3mmol L–1, CuSO4·5H2O 0.5×10–3mmol L–1, (NH4)6Mo7O24·4H2O 0.05×10–3mmol L–1, 低磷脅迫水平將KH2PO4濃度調(diào)整為0.02 mmol L–1, 同時(shí)調(diào)整K2SO4濃度為0.84 mmol L–1以保證K+濃度為1.7 mmol L–1, 所有試劑均為分析純。

選取親本及RIL子代均勻飽滿的種子經(jīng)10% NaClO消毒1 min[15], 蒸餾水潤洗3次, 置裝有珍珠巖的育苗盤中。加入適量蒸餾水于室溫下催芽, 出芽后采用1/4營養(yǎng)液, 1周后改用1/2營養(yǎng)液培養(yǎng)。待幼苗長至三葉一心時(shí)用海綿將幼苗固定于泡沫板上, 并轉(zhuǎn)移至長60 cm、寬40 cm、高15 cm的水培槽中培養(yǎng)。每4 d更換一次營養(yǎng)液, 并間歇性通氣, 每隔2 h通氣2 h。檢測(cè)并適時(shí)調(diào)整pH, 確保營養(yǎng)液pH保持在6.2左右, 適時(shí)補(bǔ)充蒸餾水, 保證營養(yǎng)液體積為36 L。

1.3 表型指標(biāo)測(cè)定方法

于移苗后4周采樣, 從每重復(fù)取樣1株, 采樣前先調(diào)查各株系分蘗數(shù)。樣品經(jīng)自來水洗凈, 蒸餾水潤洗, 吸水紙擦干后從根基處剪開, 根基以上作為地上部, 根基以下作為地下部, 分別裝入信封袋中于105°C殺青30 min, 75°C烘干至恒重, 稱重, 粉碎并過2 mm篩后用于植株磷含量的測(cè)定。

采用H2SO4-H2O2消化-鉬銻抗比色法[23]測(cè)定磷含量。

磷素利用效率=∑干重/∑(磷含量×干重)

磷素吸收效率=∑(磷含量×干重)/3

用Microsoft Excel 2013整理數(shù)據(jù)和繪圖, 用SPSS 17.0測(cè)驗(yàn)顯著性和分析相關(guān)性。

1.4 遺傳圖譜構(gòu)建及QTL定位

取親本及RIL群體子代葉片150 mg, 用MiniBEST Plant DNA Extraction Kit快速提取試劑盒(TaKaRa)提取DNA, 并用0.5%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)其質(zhì)量。由澳大利亞Triticarte Pty. Ltd. (http://www. triticarte.com.au/)完成DArT標(biāo)記的檢測(cè), 采用JointMap 4軟件[24]進(jìn)行連鎖分析及構(gòu)建遺傳圖譜。

采用MapQTL 6.0軟件[25]進(jìn)行QTL定位分析, Kmskal-Wallis test方法用于標(biāo)記與表型間的初步測(cè)試, interval mapping (IM)法鑒定主效QTL, 迭代重復(fù)1000次, 顯著水平為0.01, 當(dāng)LOD>3.0時(shí)認(rèn)為該區(qū)間可能存在一個(gè)QTL。QTL名稱由性狀字母“”+性狀縮寫字母+試驗(yàn)單位“”+染色體編號(hào)等幾部分組成。

1.5 磷效率候選基因預(yù)測(cè)

在IPK Barley Blast Server (http://webblast.ipk- gatersleben.de/barley/index.php)數(shù)據(jù)庫, 使用QTL間的分子標(biāo)記序列與WGSMorex數(shù)據(jù)比對(duì)分析, 確定磷效率性狀QTL區(qū)間的候選基因。同時(shí), 提取候選磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(Pht)氨基酸序列, 在NCBI (https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi)數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行BLASTP分析, 并參考已知的擬南芥、大麥、玉米等物種Pht氨基酸序列[26-28], 利用MEGA5.05軟件(http://www.megasoftware.net/)的Neighbor-Joining Tree模型對(duì)候選Pht進(jìn)行進(jìn)化樹分析, 設(shè)Bootstrap值為1000, 以明確候選Pht所屬家族。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同磷水平下的大麥表型變異

2種磷水平下, 除分蘗數(shù)及低磷脅迫條件下的磷素吸收效率以外, CN4079各表型值均顯著高于Baudin (表1), RIL群體表型均呈現(xiàn)出連續(xù)分布的規(guī)律, 且存在顯著的超親分離現(xiàn)象(圖1、圖2和表1), 表明磷素利用效率、磷素吸收效率、干重與分蘗數(shù)均為多基因控制的數(shù)量性狀。

2.2 磷吸收利用效率、干重及分蘗數(shù)的相關(guān)性

除正常供磷水平下地上、地下部磷素利用效率與地上部磷素吸收效率, 及地下部磷素利用效率與地下部干重相關(guān)性不顯著外, 其余性狀間表現(xiàn)出顯著或極顯著相關(guān)性。其中正常供磷水平下地上、地下部磷素利用效率均與地下部磷素吸收效率極顯著負(fù)相關(guān), 低磷脅迫條件下地上、地下部磷素利用效率均與地上、地下部磷素吸收效率極顯著負(fù)相關(guān), 其余性狀間顯著或極顯著正相關(guān)(表2)。

2.3 遺傳連鎖圖譜構(gòu)建

共檢測(cè)到親本Baudin與CN4079間的948個(gè)多態(tài)性DArT標(biāo)記, 去除冗余的共分離標(biāo)記后, 得到542個(gè)DArT標(biāo)記用于構(gòu)建遺傳圖譜, 其中488個(gè)DArT標(biāo)記覆蓋總長821 cM的染色體, 其余54個(gè)DArT標(biāo)記未能標(biāo)記于染色體上, 標(biāo)記間平均距離為1.68 cM, 最大遺傳距離為21.3 cM, 位于4H染色體上。

2.4 磷吸收利用效率QTL分析

2種磷水平下共檢測(cè)出10個(gè)地上部與地下部磷素利用效率、磷素吸收效率QTL, 均分布于3H與5H染色體上(圖3和表3), 單個(gè)QTL可解釋表型變異的14.1%~28.5%。

共檢測(cè)到3個(gè)控制地上部磷素利用效率的QTL, 可解釋表型變異的14.9%~26.4%。其中在4個(gè)環(huán)境中均被檢測(cè)到, 其增效等位基因來源于CN4079。僅在低磷脅迫條件下被檢測(cè)到, 說明其為低磷脅迫下特定表達(dá)的QTL, 其等位基因來源于Baudin。檢測(cè)到2個(gè)控制地下部磷素利用效率的QTL與, 二者在4個(gè)環(huán)境中均被檢測(cè)到, 可解釋表型變異的14.1%~28.5%。

3個(gè)控制地上部磷素吸收效率的QTL, 可解釋表型變異的14.9%~26.1%。其中與均僅在低磷脅迫條件下被檢測(cè)出,僅在正常供磷水平下被檢測(cè)出。2個(gè)控制地下部磷素吸收效率的QTL可解釋表型變異的15.2%~20.1%。其中在3個(gè)環(huán)境中均檢測(cè)出, 其增效等位基因來源于Baudin, 而僅在試驗(yàn)2低磷脅迫條件下被檢測(cè)到, 其增效等位基因來自CN4079。

2.5 兩種磷水平下干重、分蘗數(shù)QTL分析

共檢測(cè)出4個(gè)與干重相關(guān)的QTL (表3), 其中在3個(gè)環(huán)境中被檢測(cè)到, 可解釋地上部干重表型變異的14.4%~16.8%;在4個(gè)環(huán)境中均被檢測(cè)到, 可解釋地上部干重表型變異的18.7%~24.6%;僅在試驗(yàn)2低磷脅迫條件下被檢測(cè)到, 可解釋地下部干重表型變異的16.7%。在4個(gè)環(huán)境中均被檢測(cè)到, 可解釋地下部干重表型變異的15.1%~16.9%。

A、C、E和G: 正常供磷水平; B、D、F和H: 低磷脅迫條件。白色和黑色箭頭分別指示親本Baudin和CN4079測(cè)定值的位置。

A, C, E, and G: normal-P condition; B, D, F, and H: low-P stress. The white and black arrows show the positions of measured values of parents Baudin and CN4079, respectively.

2個(gè)與分蘗數(shù)相關(guān)的QTL被檢測(cè)出, 等位基因均來源于CN4079。其中僅在正常供磷水平下被檢測(cè)出, 可解釋表型變異的16.1%~21.9%;在3個(gè)環(huán)境中被檢測(cè)到, 可解釋表型變異的14.3%~15.0%。

2.6 磷吸收利用效率候選基因預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)QTL定位結(jié)果, 10個(gè)磷吸收利用效率位點(diǎn)位于3H與5H染色體上的4個(gè)區(qū)間(圖3), 進(jìn)一步分析顯示, 該4個(gè)區(qū)間共含有27個(gè)與磷素代謝緊密相關(guān)的基因(表4)。其中,所在區(qū)間含有3個(gè)候選基因, 為磷酸與磷脂代謝相關(guān)酶; 其他區(qū)間均包含3類與磷素代謝密切相關(guān)的基因, 為磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(Pht)、磷酸代謝相關(guān)酶與磷脂代謝相關(guān)酶。此外, Pht候選基因分析結(jié)果表明所在區(qū)域Pht候選基因、和所在區(qū)域Pht候選基因歸屬于Pht2家族,所在區(qū)域Pht候選基因、均歸屬于Pht1家族(圖4)。

3 討論

3.1 大麥響應(yīng)磷脅迫的表型差異

本研究對(duì)大麥RIL群體磷素利用效率、磷素吸收效率、干重和分蘗數(shù)分析表明, 在4個(gè)環(huán)境中均表現(xiàn)出連續(xù)變異現(xiàn)象, 并存在明顯的超親分離現(xiàn)象, 這與水稻[29]、小麥[18]與大豆[30]相關(guān)性狀變化規(guī)律一致。此外, 除地下部干重, RIL群體各性狀均受磷水平影響顯著, 對(duì)甘藍(lán)型油菜[31]的研究表明, 磷脅迫條件下, 其磷素利用效率增加, 而干重、磷素吸收效率大幅降低, 這一結(jié)果與本研究一致。對(duì)小麥[18]和菜豆[32]分析發(fā)現(xiàn), 不同磷水平下的磷效率與干重、分蘗數(shù)顯著相關(guān), 本研究中磷素利用效率、磷素吸收效率與干重、分蘗數(shù)亦顯著相關(guān)。

圖2 RIL群體地上、地下部干重及分蘗數(shù)的頻次分布

A、C和E: 正常供磷水平; B、D和F: 低磷脅迫條件。白色和黑色箭頭分別指示親本Baudin和CN4079測(cè)定值的位置。

A, C, and E: normal-P condition; B, D, and F: low-P stress. The white and black arrows show the positions of measured values of parents Baudin and CN4079, respectively.

PUE: 磷素利用效率; PAE: 磷素吸收效率; DW: 干重。

PUE: phosphorus utilization efficiency; PAE: phosphorus absorption efficiency; DW: dry weight.

表3 兩種磷水平下磷素利用效率、磷素吸收效率、干重及分蘗數(shù)QTL定位結(jié)果

(續(xù)表3)

QTL檢測(cè)環(huán)境Environment標(biāo)記區(qū)間Marker intervalLOD加性效應(yīng)Additive貢獻(xiàn)率PVE (%) Qrpue.sau-5HT1-NPbPb-6239–bPb-12244.63–0.04320.3 T1-LPbPb-6239–bPb-90883.09–0.14614.1 T2-NPbPb-6239–bPb-12244.63–0.04220.3 T2-LPbPb-6239–bPb-23146.84–0.20828.5 地上部磷素吸收效率Shoot phosphorus absorption efficiency Qspae.sau-3HT1-LPbPb-3689–bPb-74483.73–0.55516.7 T2-LPbPb-2553–bPb-74483.71–0.67216.6 Qspae.sau-5H.1T1-NPbPb-4199–bPb-00294.26–1.43718.8 T2-NPbPb-8987–bPb-00296.18–2.15426.1 Qspae.sau-5H.2T1-LPbPb-3170–bPb-90883.250.52314.9 T2-LPbPb-6239–bPb-90884.160.71418.8 地下部磷素吸收效率Root phosphorus absorption efficiency Qrpae.sau-3HT1-NPbPb-6127–bPb-74483.36–0.24615.2 T1-LPbPb-1681–bPb-36034.54–0.11320.0 T2-NPbPb-6127–bPb-74483.76–0.36616.8 Qrpae.sau-5HT2-LPbPb-6239–bPb-33064.570.17720.1 地上部干重 Shoot dry weight Qsdw.sau-2HT1-NPbPb-9754–bPb-60883.180.38014.4 T2-NPbPb-9754–bPb-60883.740.51216.8 T2-LPbPb-9754–bPb-60883.190.50914.4 Qsdw.sau-5HT1-NPbPb-4199–bPb-00294.46–0.44219.6 T1-LPbPb-4199–bPb-00294.22–0.28718.7 T2-NPbPb-4199–bPb-00295.77–0.61924.6 T2-LPbPb-4199–bPb-00294.40–0.58719.4 地下部干重 Root dry weight Qrdw.sau-2HT2-LPbPb-9984–bPb-60883.720.08616.7 Qrdw.sau-5HT1-NPbPb-4199–bPb-00293.72–0.06316.7 T1-LPbPb-4199–bPb-91913.77–0.06416.9 T2-NPbPb-4199–bPb-00293.71–0.09416.6 T2-LPbPb-4199–bPb-00293.34–0.08215.1 分蘗數(shù) Tiller number Qtn.sau-2HT1-NPbPb-9754–bPb-80523.591.05916.1 T2-NPbPb-9984–bPb-08275.061.02821.9 Qtn.sau-3HT1-LPbPb-3320–bPb-72783.310.92715.0 T2-NPbPb-3320–bPb-72783.260.84214.8 T2-LPbPb-3320–bPb-72783.150.87214.3

T1和T2分別表示試驗(yàn)1和試驗(yàn)2; NP和LP分別表示正常供磷和低磷脅迫。加性效應(yīng)正值和負(fù)值分別表示增效等位基因來自CN4097和Baudin。

T1 and T2 represent Test 1 and Test 2, respectively; NP and LP indicate normal-P condition and low-P stress, respectively. PVE: phenotypic variation explained. The positive and negative additive effect indicate that the allele to increase the phenotypic value is from CN4097 and Baudin, respectively.

表4 大麥磷效率QTL區(qū)間候選基因預(yù)測(cè)結(jié)果

3.2 磷吸收利用效率QTL之間的關(guān)系

目前, 有關(guān)大麥磷吸收利用效率QTL定位研究比較缺乏, 均僅限于大田試驗(yàn)中成熟期的磷含量[20]或磷素利用效率[21], 且其位點(diǎn)均位于染色體2H和5H上, 受環(huán)境因素影響較大, 有的在兩年田間試驗(yàn)中僅有一年能被檢測(cè)出?，F(xiàn)有研究對(duì)于大麥磷素吸收最旺盛的營養(yǎng)生長期相關(guān)QTL定位未見報(bào)道, 本研究分析大麥分蘗期磷素效率特征, 明確控制大麥分蘗期磷吸收利用效率相關(guān)QTL, 挖掘各QTL間的關(guān)系, 對(duì)揭示大麥營養(yǎng)生長時(shí)期磷吸收利用遺傳機(jī)制具有一定的參考價(jià)值。

本研究定位到10個(gè)與磷吸收利用效率相關(guān)的QTL, 其中與位于同一區(qū)段, 在所有環(huán)境中均被檢測(cè)出, 當(dāng)前未有染色體3H上的磷相關(guān)位點(diǎn)報(bào)道, 說明與為大麥營養(yǎng)生長階段新的磷素利用效率QTL, 遺傳穩(wěn)定性好。磷素吸收效率位點(diǎn)、與磷素利用效率位點(diǎn)、處于同一區(qū)段, 這一區(qū)間含有3個(gè)與磷素代謝緊密相關(guān)的基因, 作用于磷酸及磷脂代謝, 因此, 磷酸與磷脂代謝作為磷素代謝的重要組成, 影響大麥磷吸收利用效率。地上部磷素利用效率位點(diǎn)僅在部分環(huán)境中被檢測(cè)到, 基因預(yù)測(cè)結(jié)果表明,所在區(qū)間內(nèi)包含4個(gè)與磷素代謝緊密相關(guān)的基因, 分別為磷脅迫調(diào)節(jié)因子、磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、磷酸甘油變位酶和磷脂轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白?；蚪M密切關(guān)聯(lián)的物種間常具有線性的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 大麥和小麥間的基因序列具有較高度的共線性[33], 因此, 在小麥中通過中國春缺體試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的3A染色體上攜帶的抑制耐低磷脅迫特性基因[34]可能為本研究3H位點(diǎn)的同源基因。進(jìn)一步對(duì)磷脅迫調(diào)節(jié)因子、磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的進(jìn)化樹分析表明, 二者均為Pht2蛋白, 研究表明, Pht2為一類在質(zhì)體上表達(dá)的磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[35], 因此,與可能僅作用于地上部磷素利用。

圖4 磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族候選基因系統(tǒng)進(jìn)化樹分析

紅色、紫色、藍(lán)色、綠色分枝分別表示Pht1家族、Pht2家族、Pht3家族、Pht4家族; 紅色圓點(diǎn)表示預(yù)測(cè)的候選基因。物種與轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)應(yīng)關(guān)系為擬南芥: AtPT 1~9、AtPT2.1、AtPT 3.1~3.3、AtPT 4.1~4.5; 大豆: GmPT 1~14、Soybean-MPT、GLYmaPht3.2; 大麥: HvPT 1~10; 蒺藜狀苜蓿: MtPT 1~6、MtPht2.1; 水稻: OsPT 1~13、Rice-MPT; 玉米: ZmPT 1~6、Maize-MPT; 馬鈴薯: SOLtuPht2.1; 菠菜: Phtc; 冰葉日中花: MEScrPht2.1; 百脈根: Lj-MPT; 小麥: TaPT2.1; 歐洲白樺: Mpt1。

The evolutionary tree branch of red, purple, blue, green indicate the Pht1 family, Pht2 family, Pht3 family, and Pht4 family, respectively. Plant species and corresponding transporters are:: AtPT 1–9, AtPT2.1, AtPT 3.1–3.3, AtPT 4.1–4.5;: GmPT 1–14, soybean-MPT, GLYmaPht3.2;: HvPT 1–10;: MtPT 1-6, MtPht2.1;: OsPT 1-13, rice-MPT;: ZmPT 1–6, Maize-MPT;: SOLtuPht2.1;: Phtc;: MEScrPht2.1;: Lj-MPT;: TaPT2.1;: Mpt1.

磷素吸收效率與利用效率常受不同的遺傳機(jī)制調(diào)節(jié), 本研究中, 正常供磷水平下地上部磷素吸收效率與磷素利用效率相關(guān)性不顯著, 定位結(jié)果也顯示, 磷素利用效率位點(diǎn)與等位基因來源于Baudin, 而磷素吸收效率位點(diǎn)與等位基因均來源于CN4079。同時(shí), 在以上檢測(cè)到的位于同一區(qū)段的4個(gè)QTL中, 僅有在正常供磷水平下被檢測(cè)出?；蚬δ芊治霭l(fā)現(xiàn),所在區(qū)段存在5個(gè)與磷素代謝密切相關(guān)的基因, 作用于磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)、磷酸及磷脂代謝過程, 這其中包含2個(gè)Pht1蛋白, 其氨基酸序列分別與HvPT4、HvPT6相近。研究表明, Pht1為高親和力轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白, 在地上部與地下部均能作用于磷素吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)[36], 而HvPT6是目前已知的唯一一個(gè)能夠在較高磷水平下的表達(dá)的大麥Pht1蛋白[37]。相比于其他僅在低磷脅迫條件下被檢測(cè)出的磷素吸收利用效率QTL, 根據(jù)等位基因來源, 說明Baudin在至區(qū)間內(nèi)極有可能含有基因。

本研究定位的4個(gè)區(qū)段均存在磷素代謝相關(guān)基因富集現(xiàn)象。地上部磷素吸收效率位點(diǎn)所在區(qū)間含有15個(gè)與磷素代謝密切相關(guān)的基因, 作用于磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)、磷酸及磷脂代謝過程, 其中, 預(yù)測(cè)的磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白為Pht2家族蛋白。因此, 磷效率不僅受多位點(diǎn)控制, 同時(shí)還受同一位點(diǎn)多基因調(diào)控, 這可能是當(dāng)前作物磷相關(guān)QTL定位結(jié)果重現(xiàn)性不理想的原因[21]。地上部磷素吸收效率位點(diǎn)與在染色體上距離相近, 但二者等位基因來源不同, 說明與為不同的控制位點(diǎn)。此外, 地上部磷素吸收效率位點(diǎn)與分別僅在正常供磷與低磷脅迫條件下被檢測(cè)出, 說明二者分別在不同磷水平下作用于大麥地上部磷素吸收效率。

3.3 磷吸收利用效率與干重、分蘗數(shù)QTL之間的關(guān)系

研究表明, 歐洲油菜[16]與小麥[18]控制磷效率的QTL與控制干重的QTL位于同一區(qū)段, 這與本研究磷素利用效率、磷素吸收效率與干重在染色體5H上的位點(diǎn)分布情況相似。磷素利用效率QTL、與干重QTL、等位基因來源均為Baudin, 說明以上4個(gè)QTL高度連鎖。同時(shí), 磷素吸收效率與干重在4種環(huán)境下均極顯著正相關(guān), 表明磷素吸收效率對(duì)大麥營養(yǎng)生長階段干物質(zhì)積累至關(guān)重要。

此外, 磷素利用效率與分蘗數(shù)在4種環(huán)境下均極顯著正相關(guān), QTL定位結(jié)果顯示, 磷素利用效率QTL與分蘗數(shù)QTL處于同一區(qū)段, 且二者等位基因均來源于同一親本, 這一結(jié)果與小麥[18]、玉米[38]磷素利用效率QTL定位研究結(jié)果相似。正常供磷水平下磷素吸收效率與分蘗數(shù)極顯著正相關(guān), 而低磷脅迫條件下兩次試驗(yàn)差異較大。這可能是因?yàn)榱姿匚招逝c分蘗數(shù)均為數(shù)量性狀, 受大量基因調(diào)控[39], 群體受低磷脅迫敏感程度存在較大的基因型差異, 低磷脅迫不僅影響分蘗數(shù)及干重, 對(duì)植株磷含量的影響更為顯著, 而磷素吸收效率由干重與磷含量共同決定, 低磷脅迫使群體磷素吸收效率的變化朝著更加無序的方向發(fā)展。同時(shí), 分蘗數(shù)是干重的重要構(gòu)成要素之一[40], 本研究分蘗數(shù)在2種磷水平下與地上部干重均極顯著正相關(guān), 且在2H染色體上檢測(cè)出位于同一區(qū)段分別控制分蘗數(shù)與地上部干重的QTL, 二者均在正常供磷水平下被檢測(cè)到, 且等位基因均來源于CN4079, 說明CN4079在該區(qū)段含有同時(shí)控制正常供磷水平下分蘗數(shù)與干重的基因/QTL。

本研究檢測(cè)到的磷效率及其相關(guān)QTL的遺傳分析, 可為大麥高效吸收利用磷養(yǎng)分的分子育種工作提供一定的理論基礎(chǔ), 然而QTL粗定位精度僅有10~30 cM[41], 高級(jí)群體定位精度在1 cM左右[42], 本研究QTL定位精度在1~30 cM之間。因此, 可通過構(gòu)建近等基因系等更高級(jí)群體對(duì)候選QTL進(jìn)一步精細(xì)定位, 以揭示在同一物理區(qū)間內(nèi)各QTL之間的關(guān)系。同時(shí), 隨著大麥基因組測(cè)序及功能序列組裝信息的發(fā)布[43], 基于遺傳穩(wěn)定的QTL定位基因的圖位克隆與研究具有廣闊的研究前景。

4 結(jié)論

兩種磷水平下, 在大麥分蘗期共檢測(cè)到16個(gè)磷吸收利用效率及其相關(guān)性狀的QTL, 分布在2H、3H、5H染色體上, 表型貢獻(xiàn)率在14.1%~28.5%之間。磷素利用效率位點(diǎn)、與遺傳穩(wěn)定, 受環(huán)境影響較小; 而控制磷素吸收效率的位點(diǎn)均在一定程度上受環(huán)境限制。、為控制大麥磷素利用效率的新主效QTL, 且與磷素吸收效率的位點(diǎn)位于同一區(qū)段。、、、、與位于同一區(qū)段, 同時(shí)調(diào)控大麥磷素利用效率、磷素吸收效率及干重, 且含有Pht1家族的2個(gè)基因。同時(shí), 本研究檢測(cè)到的與大麥磷效率相關(guān)的4個(gè)區(qū)段均存在與磷素代謝相關(guān)基因富集現(xiàn)象。

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Mapping QTLs for Phosphorus Efficiency at Tillering Stage under Different Phosphorus Levels in Barley (L.)

HU De-Yi1, CAI Lu1, CHEN Guang-Deng1,*, ZHANG Xi-Zhou1, and Chunji LIU2

1College of Resources, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China;2CSIRO Agriculture, 306 Carmody Road, St Lucia, QLD 4067, Australia

Phosphorus (P) nutrition has close relationship with the quality and yield of barley and the genetic mechanism of P-efficient and variety improvement become hot research topics in recent years. In this study, we mapped quantitative trait loci (QTLs) for P-efficient traits using a recombinant inbred line (RIL) population derived fro ma cross between Baud in and CN4079. P-utilization efficiency (PUE), P-absorption efficiency (PAE), and dry weight (DW) of shoots and roots, as well as tiller number (TN) were evaluated in low-P (0.02 mmol L-1KH2PO4) and normal-P (0.2 mmol L-1KH2PO4) conditions. QTL sassociated with these traits were mapped onto a barley linkage map and their candidate genes were predicted. Phenotyping results showed continuous variation and transgressive segregation in all traits tested. A total of 16 QTLs were detected on chromosomes 2H, 3H, and 5H under low-P and normal-P conditions, with explained phenotypic variance ranging from 14.1% to 28.5%. Three QTLs associated with PUE were mapped on 3H and their positive alleles were all from Baud in. Among them,andwere located in common region with PAE lociand, whereaswas very closely tocontrolling TN. Three QTLs for PAE were mapped on 5H, among whichandwere from CN4079. The two PAE loci were located in adjacent region intervals of PUE lociandand DW lociand. In the four chromosomal fragments harboring P-efficiency loci, except forthat contained candidate genes in phosphoric acid metabolism and phospholipid metabolism, the remaining loci all containedgenes in phosphate transporter and related genes in phosphoric acid metabolism and phospholipid metabolism.

L.; Tillering stage; Phosphorus efficiency; RIL; QTL mapping

10.3724/SP.J.1006.2017.01746

本研究由國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31401377), 四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014NZ0008)和四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(14ZA0002)資助。

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31401377), the Key Technology R&D Program of Sichuan Province (2014NZ0008), and the Key Project of Education Department of Sichuan Province (14ZA0002).

陳光登, E-mail: gdchen@sicau.edu.cn

E-mail: 934074633@qq.com

2016-12-12; Accepted(接受日期): 2017-07-23; Published online(網(wǎng)絡(luò)出版日期):2017-08-10.

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20170810.1616.006.html