冰草可溶性碳水化合物含量等重要品質(zhì)性狀的QTL定位

李佳奇，于 卓，于肖夏，張 勝，楊東升，盧倩倩，吳國芳，牛亞青青

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010019)

冰草(AgropyronGaertn.)為禾本科小麥族多年生植物，在我國主要分布于內(nèi)蒙古的中西部及寧夏、甘肅、新疆等干旱地區(qū)[1]。其須根系發(fā)達(dá)且具沙套，分蘗數(shù)多、莖稈直立、密叢生長，具有抗旱、抗寒、抗病、耐貧瘠等優(yōu)異特性。冰草生長期長，再生性強(qiáng)，產(chǎn)草量較高，草質(zhì)柔嫩，適口性好，富含粗蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)等營養(yǎng)成分，為禾本科牧草中品質(zhì)較高的草種之一，是人工單播和混播草地建植的優(yōu)良牧草[2-5]。冰草具有防風(fēng)固沙、保持水土、環(huán)境綠化等多種用途[6]。此外，冰草也是近緣麥類作物抗逆性遠(yuǎn)緣雜交遺傳改良研究的重要種質(zhì)材料之一[7]。

牧草中的碳水化合物是草食家畜生長發(fā)育的重要營養(yǎng)物質(zhì)，主要包括可溶性碳水化合物(water soluble carbohydrate，簡稱WSC)和淀粉。其中WSC能夠有效促進(jìn)家畜對蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用，提高適口性、采食量和消化率[8]；淀粉(starch)是重要能量物質(zhì)，可維持家畜正常生長及生產(chǎn)等一系列生命活動(dòng)。牧草粗纖維(crude fibre)主要包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，雖然牧草中適量的的粗纖維可促進(jìn)家畜腸胃蠕動(dòng)和對其他營養(yǎng)成分的消化吸收，但牧草粗纖維含量越高其營養(yǎng)品質(zhì)越低[9]。目前，國內(nèi)外對牧草品質(zhì)育種的重要目標(biāo)是提高WSC和淀粉的含量，適當(dāng)降低牧草的粗纖維含量[10]。而傳統(tǒng)雜交育種等方法很難對牧草的可溶性碳水化合物、淀粉和粗纖維等品質(zhì)性狀進(jìn)行改良。隨著分子生物學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，牧草品質(zhì)的分子育種(轉(zhuǎn)基因育種、分子標(biāo)記輔助育種)越來越受到重視。

植物數(shù)量性狀QTL定位是深入開展優(yōu)異基因圖位克隆、功能解析及標(biāo)記輔助育種的基礎(chǔ)工作，目前在農(nóng)作物上已有不少研究報(bào)道[11-14]。對牧草QTL定位研究的報(bào)道卻很少，且多集中在產(chǎn)量等農(nóng)藝性狀方面，如苜蓿[15]、黑麥草[16]、鴨茅[17]、高丹草[18]等草種。關(guān)于牧草營養(yǎng)品質(zhì)性狀的QTL定位研究還十分薄弱，僅見于紫花苜蓿[19]、賴草[20]和雜花苜蓿[21]。在四倍體雜交冰草(蒙古冰草Agropyronmongolicum×航道冰草Agropyroncristatumcv.Fairway，2n=4x=28)上只有本課題組楊東升等[22]對粗蛋白、粗脂肪2個(gè)品質(zhì)性狀進(jìn)行了定位分析。

本試驗(yàn)以四倍體雜交冰草F2群體的246個(gè)無性系分離單株及其親本為材料，在課題組已構(gòu)建的雜交冰草高密度遺傳連鎖圖譜的基礎(chǔ)上(圖譜含1 729個(gè)SSR和SRAP標(biāo)記、平均間距1.96 cM、14個(gè)連鎖群、覆蓋基因組總長度3 270.5 cM)，重點(diǎn)對雜交冰草的WSC、淀粉和粗纖維3個(gè)品質(zhì)含量性狀的QTL進(jìn)行定位分析，以期為今后深入開展這些營養(yǎng)品質(zhì)性狀的QTL精細(xì)定位、主效基因圖位克隆、功能分析及標(biāo)記輔助育種研究提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

材料為246個(gè)四倍體雜交冰草F2無性系分離單株及其親本蒙古冰草與航道冰草，種植于呼和浩特市內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場，具灌水條件，沙壤質(zhì)土，pH為7.6，種植株距25 cm、行距40 cm。在生長期內(nèi)，及時(shí)防除雜草，并根據(jù)植株生長情況適時(shí)適量施肥(拔節(jié)期施尿素225 kg·hm-2，開花期施磷酸鉀肥料150 kg·hm-2)灌水，確保植株生長對養(yǎng)分和水分的需求。

1.2 營養(yǎng)品質(zhì)性狀的測定

2018年和2019年6月下旬，在冰草盛花期分別從各材料的株叢中隨機(jī)剪取的50個(gè)有效分蘗株，裝入標(biāo)有序號(hào)的羊皮紙袋內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室，置于溫干燥箱中105 ℃下殺青20 min后，轉(zhuǎn)入 60 ℃恒溫箱中烘干48 h。取出晾至室溫，待樣品重量恒定，用手提式高速粉碎機(jī)打成粉末狀后放入標(biāo)有同序號(hào)的塑封袋中。

用美國產(chǎn)近紅外谷物品質(zhì)分析儀(Spectra Star 2500XT)對各材料樣品的WSC、淀粉、粗纖維含量進(jìn)行測定，重復(fù)3次。

1.3 數(shù)據(jù)的整理與分析

利用Excel 2003對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，用SPSS 22.0 進(jìn)行分析。

1.4 各品質(zhì)性狀的QTL定位

在本課題組已構(gòu)建的高密度雜交冰草分子遺傳連鎖圖譜上，利用Map QTL 4.0 軟件對測定的各品質(zhì)性狀數(shù)據(jù)進(jìn)行QTL定位。操作過程為：用區(qū)間作圖法(Interval mapping，IM)在冰草14個(gè)連鎖群上對各品質(zhì)性狀數(shù)據(jù)進(jìn)行QTL掃描檢測，設(shè)置掃描步長為1 cM，連鎖系數(shù)LOD(logarithm of odds)閾值>2.5；依據(jù)掃描結(jié)果尋找各品質(zhì)性狀的QTL在不同連鎖群上與其緊密連鎖的分子標(biāo)記數(shù)目和位置，并確定其貢獻(xiàn)率和遺傳效應(yīng)。檢測到的各性狀QTL位點(diǎn)命名方法為：q+所測性狀的英文名縮寫+連鎖群+年份(1代表2018年，2代表2019年)+QTL數(shù)[23]。

2 結(jié)果與分析

2.1 冰草品質(zhì)性狀分析

由表1可知，2018年和2019年父本航道冰草的WSC和淀粉含量均極顯著高于母本蒙古冰草，而母本的粗纖維含量顯著高于父本，表明親本間的3個(gè)被測品質(zhì)性狀均存在顯著差異。2018和2019兩年一地條件下雜交冰草F2群體246個(gè)單株的WSC、淀粉和粗纖維含量性狀分離明顯，且多數(shù)單株的3個(gè)被測指標(biāo)值介于雙親之間，少部分單株呈超親現(xiàn)象，3個(gè)品質(zhì)性狀的變異系數(shù)范圍為5.22%～14.10%，表明F2群體的WSC、淀粉和粗纖維含量的遺傳變異豐富。

表1 雜交冰草3個(gè)品質(zhì)性狀分析

246個(gè)單株的3個(gè)品質(zhì)性狀均表現(xiàn)為明顯的單峰曲線，符合正態(tài)型分布規(guī)律，表明這3個(gè)性狀均為數(shù)量性狀遺傳，可對其進(jìn)行QTL定位分析[24](圖1)。

A和B分別代表2018年和2019年；F和M分別代表父本航道冰草和母本蒙古冰草。

2.2 冰草3個(gè)品質(zhì)性狀的QTL定位

如圖2所示，在LOD值>2.5條件下，兩年一地測定的冰草WSC、淀粉和粗纖維含量3個(gè)品質(zhì)性狀的QTLs有85個(gè)，它們分布在冰草的14個(gè)連鎖群上。在兩個(gè)不同年度條件下都出現(xiàn)的穩(wěn)定QTLs有11個(gè)，分布在LG1、LG3、LG8、LG9、LG10和LG14這6個(gè)連鎖群上，遺傳貢獻(xiàn)率在10.1%～41.4%之間，其作用方式以部分顯性為主(表2)。

▲表示在兩年一地條件下均檢測到的穩(wěn)定QTLs。

表2 雜交冰草3個(gè)品質(zhì)性狀的穩(wěn)定QTL及遺傳效應(yīng)

2.2.1 WSC含量的QTL

檢測到控制冰草WSC含量性狀的QTLs有37個(gè)，分布在14個(gè)連鎖群上，以LG14連鎖群分布最多(5個(gè))，遺傳貢獻(xiàn)率為14.2%～52.2%。兩年內(nèi)都檢測到控制WSC性狀的穩(wěn)定QTLs有5個(gè)，貢獻(xiàn)率超過20%的主效QTLs有3個(gè)，分別是qwsc1-1(2)-1、qwsc10-1(2)-2和qwsc14-1(2)-3。其中qwsc1-1(2)-1與bm10e11-1216--xtxp20-984標(biāo)記區(qū)間緊密連鎖，qwsc14-1(2)-3與Xtxp31-206--m10e8-351標(biāo)記區(qū)間緊密連鎖，qwsc10-1(2)-2與標(biāo)記m2e3-348*共分離。

2.2.2 淀粉含量的QTL

檢測到16個(gè)控制冰草淀粉含量性狀的QTLs，分布在LG3、LG4、LG7、LG9、LG10和LG14連鎖群上，遺傳貢獻(xiàn)率在10.8%～25.3%之間。兩年內(nèi)均檢測到的穩(wěn)定QTLs有2個(gè)，即qst3-1(2)-5和qst9-1(2)-1，其中qst3-1(2)-5為遺傳貢獻(xiàn)率超過20%的主效QTL，它與標(biāo)記Xtxp3-662共分離。

2.2.3 粗纖維含量的QTL

檢測到控制冰草粗纖維含量性狀的QTLs有32個(gè)，分布在14個(gè)連鎖群上，以LG12、LG4和LG1連鎖群分布最多，遺傳貢獻(xiàn)率為10.1%～41.4%。兩年內(nèi)均檢測到的穩(wěn)定QTLs有4個(gè)，分別是qcf1-1(2)-3、qcf1-1(2)-5、qcf1-1(2)-8和qcf8-1(2)-2，作用方式為部分顯性與超顯性，其中有2個(gè)遺傳貢獻(xiàn)率>20%的主效QTLs，即qcf1-1(2)-3和qcf8-1(2)-2，它們分別與bm9e6-1349--xtxp20-682和Xtxp183-627--m4coe9-317標(biāo)記區(qū)間緊密連鎖。

3 討 論

在植物多個(gè)性狀的QTL定位中，普遍存在一因多效現(xiàn)象，即一個(gè)QTL位點(diǎn)同時(shí)控制多個(gè)性狀[25]。如在水稻[26]、小麥[27]、玉米[28]等植物的重要性狀QTLs檢測中均發(fā)現(xiàn)一因多效現(xiàn)象。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在冰草11個(gè)穩(wěn)定的QTLs中，控制WSC含量性狀的qwsc1-1(2)-2和控制粗纖維含量性狀的qcf1-1(2)-3均位于連鎖群LG1上的169.7 cM處，與bm9e6-1349--xtxp20-984標(biāo)記區(qū)間緊密連鎖，且為遺傳貢獻(xiàn)率>20%的主效QTL。這表明冰草營養(yǎng)品質(zhì)性狀中也存在一因多效現(xiàn)象，該QTL位點(diǎn)在冰草目標(biāo)性狀標(biāo)記輔助選擇育種時(shí)有一定的應(yīng)用價(jià)值。

多數(shù)研究表明，在兩個(gè)及兩個(gè)以上的不同環(huán)境條件下均可檢測到控制植物某一數(shù)量性狀的QTL即為穩(wěn)定位點(diǎn)[29，30]。Cui等[31]用3個(gè)相關(guān)的RIL群體在4個(gè)環(huán)境條件下檢測到與小麥籽粒大小、籽粒重量相關(guān)的23個(gè)穩(wěn)定的QTLs；Hamwieh等[32]在3個(gè)不同濕度梯度的環(huán)境下，對鷹嘴豆的豆莢數(shù)、種子數(shù)等性狀進(jìn)行QTL定位共得到2個(gè)穩(wěn)定QTLs。本試驗(yàn)在對冰草WSC、淀粉和粗纖維含量3個(gè)品質(zhì)性狀兩年一地研究中，共定位了85個(gè)QTLs，在兩年均出現(xiàn)的穩(wěn)定QTLs有11個(gè)，占總數(shù)的12.94%，且遺傳貢獻(xiàn)率超過20%的主效QTLs有6個(gè)(控制冰草WSC含量的有3個(gè)、控制淀粉含量的有1個(gè)、控制粗纖維含量的有2個(gè))，所檢測出的穩(wěn)定QTLs數(shù)量較多，這可能其無性繁殖特點(diǎn)有關(guān)，具體還有待深入研究。

4 結(jié) 論

在課題組已構(gòu)建的冰草高密度分子遺傳連鎖圖譜上，定位了與冰草WSC、淀粉和粗纖維含量性狀的QTLs共85個(gè)，兩年一地環(huán)境條件下同時(shí)出現(xiàn)的穩(wěn)定QTLs有11個(gè)；其中遺傳貢獻(xiàn)率超過20%的主效QTLs有6個(gè)，分別是qwsc1-1(2)-1、qwsc10-1(2)-2、qwsc14-1(2)-3、qst3-1(2)-5、qcf1-1(2)-3和qcf8-1(2)-2。試驗(yàn)明確了各QTL在冰草14個(gè)連鎖群上的分子標(biāo)記位點(diǎn)及遺傳 效應(yīng)。