劉相玉,張裕舒,劉柳,劉識,高鵬,王迪,王學征
(1東北農(nóng)業(yè)大學園藝園林學院/農(nóng)業(yè)部東北地區(qū)園藝作物生物學與種質創(chuàng)制重點實驗室,哈爾濱 150030;2黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院大慶分院,黑龍江大慶 163319)
【研究意義】甜瓜(Cucumis meloL.)是葫蘆科甜瓜屬植物,世界重要的園藝作物之一。主要種植在溫帶和熱帶國家,并以亞洲為主要產(chǎn)地。在我國,甜瓜的種植面積和產(chǎn)量均為世界首位,同時我國也是甜瓜的消費大國,因此,對甜瓜展開育種研究具備廣大的市場優(yōu)勢與前景。甜瓜的性狀中,甜瓜的單果重、果實長度、果實寬度、果實形狀及可溶性固形物含量等性狀均是影響甜瓜產(chǎn)量及品質的重要因素。本試驗在基因組重測序技術廣泛應用的背景下,利用二代測序技術構建高覆蓋度的CAPS標記,建立高密度遺傳圖譜,針對甜瓜果實單果重相關的系列性狀進行基因定位,為果實單果重相關基因的挖掘奠定基礎?!厩叭搜芯窟M展】近些年,國內外學者對甜瓜栽培措施、生理生化、遺傳規(guī)律等方面展開了大量的研究。其中部分結果表明,甜瓜的單果重、果實長度、果實寬度及果肉厚度等性狀主要受遺傳因素影響[1-6]。并且甜瓜果實的相關性狀均為數(shù)量性狀,受多個主效及微效基因控制。遺傳圖譜是基因定位研究的重要工具,基于不同類型的分子標記,研究者們構建了多張遺傳連鎖圖譜和整合圖譜[7-10],并成功定位到與果實產(chǎn)量、單果重、果實長度、果實寬度及果實形狀相關的多個QTL位點。ZALAPA[11]等在探究甜瓜產(chǎn)量相關性狀時共檢測到包括單株果重、單果平均重在內5個性狀的37個QTL位點,試驗結果表明甜瓜種質資源中高度分枝類型的基因更具增產(chǎn)潛力。RAMAMURTHY等[12]以蛇形甜瓜品系和厚皮甜瓜品系為親本,構建了包含200個單株的F2群體,對單果重和果實形態(tài)等數(shù)量性狀進行QTL分析,共檢測到31個QTL位點,其中23個位點與前人研究成果一致,新定位到了8個有關單果重、可溶性固形含量等性狀的QTL位點,在第8號染色體上檢測到 2個和單果重有關的位點貢獻率分別為20.60%和12.8%,為主效QTL。DIAZ等[13]以栽培甜瓜和野生甜瓜雜交后代為群體,定位到與單果重、果實長度、果實寬度有關的QTL位點各4個,在2號、4號、6號及8號條染色體上位點呈簇出現(xiàn),且定位區(qū)間相同或相近,可能存在一因多效的現(xiàn)象。單果重作為甜瓜產(chǎn)量的重要指標之一,結合分子育種技術探究與單果重有關性狀的遺傳機理,可以加快育種進程?!颈狙芯壳腥朦c】盡管前人已對甜瓜果實性狀展開了系統(tǒng)的研究,但一部分性狀的研究仍需進一步完善和擴充。在當前對甜瓜單果重QTL分析的報道中,由于傳統(tǒng)分子標記的特點,遺傳圖譜密度較低,并且后代群體性狀分離范圍較小,因此總體上基因定位精度較低。隨著技術的不斷更新進步,對甜瓜單果重的遺傳機理亟需進一步的研究?!緮M解決的關鍵問題】本研究利用果型與單果重具有顯著差異的甜瓜栽培品系M4-130和野生甜瓜品系X207為親本構建F2:3群體,基于甜瓜全基因組高通量測序數(shù)據(jù)開發(fā) CAPS分子標記構建甜瓜遺傳連鎖圖譜,結合田間表型數(shù)據(jù)對甜瓜單果重、果實長度、果實寬度、果肉厚度、果形指數(shù)及可溶性固形物含量等性狀作QTL分析,探究甜瓜單果重相關性狀遺傳規(guī)律,并為定位區(qū)間進行初步的功能與代謝通路注釋,以期為單果重相關性狀的進一步定位和基因克隆提供依據(jù)。
母本材料為M4-130,純系,果實長橢圓形、果皮厚、果實大(單果重833.0 g)。父本材料為X207,野生品種,純系,果實圓形、果皮薄、小果型(單果重23.0 g)(圖1)。
圖1 M4-130、X207果實縱切圖Fig. 1 M4-130 and X207 longitudinal cut of fruit
田間試驗于2017年3月至2018年9月進行。2017年3—9月,于向陽基地播種P1、P2、F1代各30株,每個小區(qū)種10株,3次重復。隨機種植F2代群體400株,分株編號自交授粉,獲得 F3代種子。2018年 3—9月播種100個F2:3家系,每個家系種植10株,田間種植株行距35 cm×50 cm,單蔓整枝,第13—15節(jié)位留單果,采收果實用以田間表型數(shù)據(jù)調查及遺傳分析。
根據(jù)《甜瓜種質資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》對P1、P2、F1、F2及 F2:3代群體果實相關性狀進行調查,包括單果重、果實長度、果實寬度、果肉厚度、果型指數(shù)、可溶性固形物含量。其中,果實長度、果實寬度、果肉厚度也是決定單果重的重要指標。參照《甜瓜種質資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》[14]對每個果實每個性狀測量3次,取平均值作為結果。性狀調查方式:單果重:電子天平測量,精確到0.1 g;果實長度:直尺測量,取果實縱徑最長處,精確到0.1 cm;果實寬度:直尺測量,取果實橫徑最長處,精確到0.1 cm;果肉厚度:直尺測量,上、中、下部厚度取平均值,精確到0.1 cm;果型指數(shù):果實長度與果實寬度比值;可溶性固形物含量:手持糖度儀測量。
1.4.1 群體基因組 DNA的提取 采集 P1、P2、F1及F2代生長點附近嫩葉,分別標號,分袋保存于實驗室-80℃冰箱,用以基因組 DNA的提取。采用改良的CTAB法提取甜瓜基因組DNA[15]。提取后的DNA用1%的瓊脂糖凝膠電泳及超微紫外分光光度計SMA3000檢驗純度和質量。
1.4.2 CAPS分子標記的開發(fā)及篩選 以親本基因組重測序數(shù)據(jù)為依據(jù),以發(fā)布的甜瓜基因組數(shù)據(jù)為參考,利用東北農(nóng)業(yè)大學西甜瓜實驗室自編Perl語言腳本提取兩親本間的SNP位點前后約500 bp的堿基序列,利用 SNP2CAPS[16]軟件查找雙親存在差異的酶切位點,并在酶切位點上下游100—500 bp設計引物,將SNP位點轉化為CAPS標記。
在甜瓜全基因組的 12條染色體上均勻選取 400個CAPS位點,并用Primer6軟件進行引物設計。利用親本及F1代DNA對已開發(fā)的CAPS標記進行PCR擴增和酶切檢驗。CAPS標記PCR擴增體系:2 μL模板 DNA,上、下游引物各 1 μL,0.2 μLTaq酶,0.3 μL dNTPs,1 μLTaqBuffer,4.5 μL 超純水。擴增程序采用降落PCR擴增[17]:94℃預變性7 min;94℃變性1 min,60℃退火30 s,72℃延伸1 min,30個循環(huán),每循環(huán)降低0.5℃;最后,94℃變性1 min,45℃退火30 s,72℃延伸1 min,72℃終止延伸7 min。
酶切體系為:PCR擴增產(chǎn)物5 μL,0.2 μL限制性內切酶,1 μL限制性內切酶緩沖液,3.8 μL超純水。酶切反應在水浴鍋中進行,具體酶切溫度根據(jù)不同限制性內切酶最適溫度設定。酶切產(chǎn)物用 1%瓊脂糖凝膠電泳檢測。
試驗以F2代分離群體為遺傳連鎖圖譜的作圖群體,以 F2:3代性狀的家系平均值作為家系性狀值進行QTL定位。利用IciMapping V3.3對具有多態(tài)性且應用于F2代基因分型的CAPS分子標記構建遺傳連鎖圖譜。用復合區(qū)間作圖法構建遺傳連鎖圖譜,并對F2:3群體進行QTL分析,以1.0 cM步行速度在全基因組掃描,LOD>2.5為可檢測QTL位點存在的閾值。QTL命名方式為性狀英文縮寫+連鎖群+QTL編號。
兩親本在單果重、果實長度、果實寬度、果肉厚度及可溶性固形物含量等性狀上都有較大的差異,M4-130在單果重、果實長度、寬度及果肉厚度均大于X207,可溶性固形物小于X207。如表1所示,F(xiàn)1群體單果重、果實長度、寬度、果肉厚度及可溶固形物含量均介于雙親之間,果形指數(shù)存在超親分離現(xiàn)象。F2:3分離群體各家系各性狀數(shù)值介于雙親之間(圖2),各性狀數(shù)值基本符合正態(tài)分布(圖 3)。相關性分析表明,甜瓜單果重與果實長度、果實寬度、果肉厚度及可溶性固形物均呈顯著正相關,與果形指數(shù)呈負相關(表2)。
2.2.1 甜瓜基因組 DNA提取 利用改良的 CTAB法提取甜瓜基因組 DNA,1%瓊脂糖凝膠電泳檢測,圖4為電泳檢測結果。父母本、F1及F2代分離群體 DNA濃度及純度均可用于分子標記的檢測,無蛋白質和RNA雜質,對分子標記檢測不存在影響。
圖2 親本、F1及F2:3群體果實縱切圖Fig. 2 Parent, F1 and F2:3 group fruit longitudinal cut map
表1 甜瓜單果重性狀雙親值及在F2:3群體中的分布Table 1 Parents values of traits related to fruit of melon and distribution in F2:3 population
表2 甜瓜果實各性狀相關性分析Table 2 Correlation analysis of fruit traits in melon
圖3 F2:3群體相關性狀頻次直方圖Fig. 3 Histogram for the fruit traits of F2:3 population
圖4 甜瓜基因組DNAFig. 4 DNA electrophoregram of muskmelon
2.2.2 CAPS標記的篩選與驗證 基于親本的測序結果,利用Primer6在甜瓜12條染色體上均勻設計400對CAPS引物。利用提取的親本及F1代DNA,對設計的400對CAPS引物作PCR和酶切反應,驗證引物的多態(tài)性。圖5為部分引物經(jīng)PCR和酶切反應后產(chǎn)物的電泳條帶。驗證結果顯示,400對CAPS引物中具有多態(tài)性的為185對,多態(tài)率為46.25%。引物命名為所在染色體號+引物編號。
圖5 CAPS引物在親本及F1多態(tài)性表現(xiàn)Fig. 5 Polymorphism of CAPS markers among parental materials and F1 generation
2.2.3 甜瓜遺傳連鎖圖譜的構建 利用 QTL IciMapping V3.3軟件對篩選出具有多態(tài)性的CAPS標記作遺傳圖譜,排除條帶不清晰及偏分離標記,用于作圖的標記共185對,如圖5所示,圖譜包含12個連鎖群,覆蓋基因組長度為1 600.45 cM,標記間平均距離為8.65 cM,連鎖群長度介于91.53—166.20 cM。該圖譜最長連鎖群為7號連鎖群,長度為166.20 cM,包含15個CAPS標記,最短連鎖群為1號連鎖群,長度為91.53 cM,包含13個CAPS標記,包含最多標記的連鎖群為10號連鎖群,共20個標記(表3和圖6)。
圖6 甜瓜遺傳連鎖圖譜構建與甜瓜單果重相關性狀QTL分析Fig. 6 QTL analysis for melon fruit weight traits on genetic linkage map
表3 甜瓜遺傳連鎖圖譜基本參數(shù)Table 3 Parameter of melon genetic linkage map
2.3.1 單果重 QTL分析 如表 4所示,共檢測到 7個QTL位點,分別為于FW3.1、FW4.1、FW5.1、FW6.1、FW8.1、FW8.2及FW11.1總貢獻率為87.2730%,LOD值介于2.9070—16.8746,在檢測到的7個QTL中,有4個QTL的貢獻率大于12%。其中FW8.1的貢獻率最大,為 25.8774%,LOD值為 16.8746,為主效QTL,位于標記8-2883和8-5972之間,距標記8-5972遺傳距離為3.93 cM,距標記8-2883遺傳距離為2.46 cM。FW3.1的貢獻率最小,為 2.7054%,LOD值為3.0173,定位標記在 3-6670和 3-0640之間,距標記3-6670遺傳距離為5.50 cM,距標記3-0640遺傳距離為5.50 cM。
2.3.2 果實長度QTL分析 如表4所示,共檢測到與果實長度相關的7個QTL位點,分別為FL2.1、FL3.1、FL4.1、FL5.1、FL6.1、FL8.1及 FL11.1總貢獻率為97.0993%,LOD值介于2.6505—19.9334之間,其中FL3.1與單果重FW3.1,F(xiàn)L4.1與單果重FW4.1,F(xiàn)L5.1與單果重FW5.1,F(xiàn)L6.1與單果重FW6.1定位位置一致,由表2可知,果實長度與單果重極顯著相關,可能與基因多因一效或一因多效遺傳有關[18]。檢測到 7個QTL貢獻率大于5%,其中FL8.1貢獻率最高,為19.9334%,定位標記在8-8589和8-8413之間,位點偏向標記8-8413,遺傳距離為0.22 cM。FL5.1貢獻率最小,為5.1442%,位于標記5-9232和5-5773之間,標記間距離為3.29 cM。
2.3.3 果實寬度 QTL分析 檢測到與果實寬度相關的QTL位點共5個(表4),分別為FWID3.1、FWID4.1、FWID8.1、FWID10.1及 FWID11.1,貢獻率均超過10%,其中FWID8.1貢獻率最大,為18.4669%,定位在標記8-0306和8-2169之間,距兩側標記遺傳距離分別為5.71 cM和1.09 cM,此定位位置與FW8.2位置一致。
2.3.4 果肉厚度 QTL分析 檢測到與果肉厚度相關QTL位點2個(表4),分別為FT6.1、FT11.1,兩位點貢獻率均大于10%。FT6.1的貢獻率為12.0802%,位于6-1444和6-6615標記之間,位置偏向6-6615側。FT11.1貢獻率為15.2309%,位于11-8315和11-3692標記之間。
2.3.5 果形指數(shù)QTL分析 關于果型指數(shù),只檢測到1個QTL,在2-1803和2-2808之間,與兩側標記間距分別為2.18 cM和0.55 cM(表4)。
2.3.6 可溶性性固形物含量QTL分析 如表4所示,檢測到與可溶性固形物含量相關的到2個QTL位點,分別為SS6.1和SS12.1。SS6.1貢獻率為16.4299%,位于標記 6-1444和 6-6615之間,SS12.1貢獻率為10.0947%,位于標記12-5356和12-4957之間。
在本試驗中,性狀定位的重疊區(qū)間共有5個,由于果實長度、果實寬度、果肉厚度均是衡量單果重的重要指標,性狀間具有極顯著的相關性,因此,定位區(qū)間的重疊與果實性狀間極高的相關性呈現(xiàn)了本試驗數(shù)據(jù)的雙向驗證。其中,有3個定位區(qū)間物理距離較小,因此選取 4號染色體單果重 FW2.1和果實長度FL2.1定位區(qū)間,物理距離為298 kb,5號染色體FW5.1和FL5.1定位區(qū)間,物理距離為169 kb,8號染色體FW8.2和FWID8.1定位區(qū)間1.3 Mb,對區(qū)間內的223個基因功能注釋及代謝通路注釋。表5為區(qū)段內223個基因的GO(Gene Ontology)二級功能注釋,在GO的3大類別中,代謝過程(Metabolic process)、細胞(Cell)及細胞構成(Cell part)、聯(lián)結(Binding)與催化活性(Catalytic activity)基因數(shù)量占比較高。
表4 甜瓜果實相關性狀QTL分析及其遺傳效力Table 4 QTLs and the effects of the fruit traits in melon
對 223個基因進行代謝通路注釋并進行富集分析,將顯著性0.05水平的富集通路整理成表。表6所示,幾丁質降解通路II(chitin degradation II)顯著性最高,且基因數(shù)量最多。其次還有膽堿生物合成(Choline biosynthesis III)等。幾丁質酶是幾丁質降解的主要成分酶,幾丁質酶可以促進植物的營養(yǎng)生長,同時參與植物生長發(fā)育的調控,在細胞分裂、分化及在植物生長發(fā)育的信號分子中產(chǎn)生作用。
表5 223個基因功能注釋Table 5 The table for the result of gene annotation
表6 顯著富集的代謝通路Table 6 Significant enrichment of metabolic pathways
在試驗材料選擇方面,本試驗利用野生種質資源作為親本之一。由于野生種質資源具有豐富的多樣性,其性狀與栽培品種差異大,因此可開發(fā)性狀數(shù)量多且后代群體性狀分布范圍廣。本試驗選取野生甜瓜品系X207作為親本之一,其具有與 SEBASTIAN[19]和MICHEL[20]的研究中野生品種記錄相一致的特征,主要性狀表現(xiàn)為小葉片和小花,莖蔓細小、高度分枝,生長勢強,花為雌雄同株,果實卵圓形或圓形,果實?。?0.0—50.0 g),種子小,果肉薄且無法食用等。野生品種 X207具備的性狀特征與栽培品種之間具有極大的遺傳背景差異,在單果重等數(shù)量性狀基因定位方面具有較大的優(yōu)勢。
隨著不斷研究,通過綜合SNP標記和CAPS標記的優(yōu)點,形成了一種以SNP位點變異為基礎的CAPS標記,利用生物信息學手段從植物基因組重測序數(shù)據(jù)中分析出大量的SNP位點、酶切位點及相應的限制性內切酶,再利用CAPS手段識別DNA序列的多態(tài)性。本研究是基于全基因組重測序數(shù)據(jù)開發(fā)的 CAPS標記,多態(tài)率為46.25%,因此更加具有針對性?;陔p親重測序數(shù)據(jù)所開發(fā)的CAPS標記更加準確、有效,在各作物間的多態(tài)性為39.50%—56.83%[21]。束永俊等[17]基于大豆基因組重測序數(shù)據(jù)共設計 CAPS標記139個,其中79個CAPS標記具有多態(tài)性,多態(tài)率為56.83%。周慧文等[22]基于西瓜重測序數(shù)據(jù)及已公布的西瓜全基因組數(shù)據(jù),共設計了420個CAPS標記,其中247個CAPS具有多態(tài)性,多態(tài)率為58.80%。由于CAPS標記可以通過簡單的PCR、酶切和瓊脂糖凝膠電泳完成,所以將SNP標記轉化為CAPS標記,能夠提升 SNP標記在甜瓜分子育種中的應用進程。明確SNP位點在甜瓜基因組上的分布情況可以更加高效精確的進行甜瓜遺傳圖譜的構建及基因精細定位。
本研究利用基于親本材料全基因組重測序數(shù)據(jù)開發(fā)了185個CAPS標記,構建了一張遺傳距離全長為1 600.45 cM,標記間平均距離為8.65 cM的高密度遺傳圖譜。6號染色體上6-1444和6-6615兩標記之間物理距離較遠,原因可能是標記空缺區(qū)段或測序結果染色體部分缺失,尚需進一步增加篩選密度,通過新標記或其他標記及方法完善構建圖譜。
本研究中開發(fā)的CAPS標記基因組座位已知,可以明確各標記間的物理距離,便于日后遺傳圖譜的加密及基因精細定位等研究工作。與其他標記相比,CAPS標記具有以下優(yōu)勢:(1)CAPS標記來自親本間廣泛分布的SNP位點,具有分布廣、分型準、多態(tài)率高等優(yōu)勢。本試驗中CAPS引物多態(tài)性達46.25%;(2)用1%瓊脂糖凝膠電泳對CAPS標記進行檢測,操作方便且易于觀察;(3)在測序的基因組中有龐大的單堿基突變位點為構建高飽和遺傳連鎖圖譜提供更大可能性;(4)所構建遺傳連鎖圖譜與實際染色體相對應,基因定位更有意義。
本試驗組合栽培品種與野生品種作為親本材料,單果重、果實長度、果實寬度及果肉厚度等性狀均差異顯著。通過 F2:3群體相關性分析結果顯示,單果重與果實長度、果實寬度、果肉厚度及可溶性固形物含量均呈顯著相關,說明單果重受果實長度、果實寬度、果肉厚度及可溶性固形物含量影響較大,甜瓜單果重隨著果實長度、寬度及果肉厚度的增加而增加,在定位分析中,這些性狀大多數(shù)在相同的連鎖群上,定位區(qū)間相同或相近,這種現(xiàn)象不僅存在于甜瓜中,也存在于其他植物中[23-30]。
欒非時等[31]利用美國厚皮甜瓜品系和中國薄皮甜瓜品系構建F2群體,在8號染色體上定位到與1個與單果重有關的 QTL位點,貢獻率為 78.24%。RAMAMURTHY等[12]利用蛇瓜和厚皮甜瓜構建的 F2群體進行QTL定位,發(fā)現(xiàn)在8號染色體存在2個與單果重相關QTL位點,貢獻率分別為20.60%和12.80%,與本試驗在8號染色體上檢測到的2個QTL位點一致,其中 FW8.1的貢獻率為 25.88%,表明控制甜瓜單果重的主效基因位于 8號染色體上。WANG等[32]用不同基因型親本構建兩個F2群體遺傳連鎖圖譜,檢測到4個與果實長度有關位點,分別位于2、7、7、8號染色體,貢獻率均低于15%,屬于微效QTL位點,檢測到2個與果實寬度有關的QTL位點,定位到第5、11號染色體上,貢獻率均小于 15%,屬于微效 QTL位點,果實長度與本試驗2、8染色體結果一致,果實寬度與本試驗定位的11號染色體位置相同。欒非時[33]等利用厚皮甜瓜和薄皮甜瓜構建的 F2群體進行 QTL分析,定位到3個與單果重有關的微效位點,與本試驗中5、6、11號染色體定位結果一致。定位到5個與果實長度有關的QTL位點,其中3、5、6、11號染色體的定位結果與本試驗結果一致,甜瓜的單果重、果實長度、果實寬度等性狀都為數(shù)量性狀受多基因調控,且受群體類型和環(huán)境影響較大。DIAZ[13]等以栽培甜瓜和野生甜瓜雜交后代為群體,單果重、果實長度、果實寬度均定位在2號、4號、6號及8號染色體上,果實厚度相關QTL位點在4號和8號染色體上,果形指數(shù)在2號、4號及6號染色體上,在這四條染色體上位點呈簇出現(xiàn),且定位區(qū)間在相同或相鄰,而本試驗中在3號、4號、6號、8號及11號染色體上均有位點成簇出現(xiàn),可能存在一因多效的現(xiàn)象。學者 DIAZ試驗材料與本試驗所用材料類型相似,均使用野生品種作為親本之一,其4、6、8號染色體上定位結果與本試驗定位結果一致,少數(shù)染色體定位結果不一致,可能由于受到栽培環(huán)境的影響。
由于單果重性狀是多基因控制的數(shù)量性狀,其差異受到多個基因的直接或間接影響,影響因素十分復雜。并且在當前的基因注釋數(shù)據(jù)庫(GO、KEGG)中,區(qū)間內基因的注釋也較有限,因此難以確定某個基因是否與性狀相關,當前只能初步得到區(qū)間內基因的功能與所參與通路的注釋概況?;虻耐诰蛉孕枰M一步的探索。
本研究構建了包含185個CAPS標記的遺傳圖譜,共檢測到24個QTL位點,明確了其在連鎖群上分布情況及位點遺傳效應。檢測到與單果重相關位點7個,其中FW8.1的貢獻率高達25.88%,LOD值為16.88,為主效QTL;與果實長度相關位點7個,總貢獻率為97.10%;與果實寬度相關位點5個,與果肉厚度相關位點2個,與果形指數(shù)相關位點1個,與可溶性固形物含量相關位點1個。通過遺傳分析和相關性研究,發(fā)現(xiàn)單果重與果實長度、果實寬度及果肉厚度極顯著相關,定位位點集中在3、4、5、6、8、11號染色體上,且定位區(qū)間相同或相近。研究結果為進一步探究甜瓜單果重的遺傳機理和主效基因的精細定位及克隆奠定了理論基礎。