大豆葉柄角的QTL定位分析

王存虎 劉 東 許銳能 楊永慶 廖 紅

大豆葉柄角的QTL定位分析

王存虎 劉 東 許銳能 楊永慶*廖 紅

福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 / 根系生物學(xué)研究中心, 福建福州 350002

葉柄角是大豆株型的重要構(gòu)成因素, 影響大豆冠層結(jié)構(gòu)、光合作用效率以及最終產(chǎn)量。解析大豆葉柄角的遺傳基礎(chǔ)對(duì)提升大豆產(chǎn)量具有重要意義。本研究以2個(gè)葉柄角具有顯著差異的親本BLA和SLA以及它們衍生的RIL群體為材料, 構(gòu)建高密度的遺傳圖譜, 對(duì)大豆不同部位的葉柄角進(jìn)行QTL分析, 并利用近等基因系驗(yàn)證部分QTL。遺傳分析結(jié)果顯示, 葉柄角呈連續(xù)正態(tài)分布, 符合數(shù)量性狀遺傳特征。利用GBS技術(shù)構(gòu)建了包含859個(gè)Bin標(biāo)記的大豆高密度遺傳圖譜, 總遺傳長(zhǎng)度為2326.9 cM, 標(biāo)記間平均距離為2.763 cM; 共檢測(cè)到14個(gè)調(diào)控葉柄角的QTL, LOD值在2.58~4.80之間, 可解釋遺傳變異范圍在6.9%~12.4%之間, 其中5個(gè)QTL定位在第12染色體上且成簇存在; 構(gòu)建的和的近等基因系表型結(jié)果顯示, 葉柄角在同一對(duì)近等基因家系間差異顯著, 表明和是2個(gè)可信的QTL。本研究為進(jìn)一步克隆調(diào)控葉柄角功能基因奠定了基礎(chǔ), 為大豆理想株型育種提供了遺傳材料。

大豆株型; 葉柄角; QTL定位; 近等基因系

株型是植株整體特征的集中表現(xiàn), 由株高、分枝數(shù)、葉柄角等多種性狀決定。這些器官在空間上的合理分布, 將有利于提高植物的光能利用率, 促進(jìn)養(yǎng)分吸收, 調(diào)節(jié)源–庫(kù)關(guān)系, 進(jìn)而促進(jìn)產(chǎn)量提高[1-4]。對(duì)大豆而言, 植株增高, 可以增加單位面積內(nèi)的空間利用率, 有利于CO2的擴(kuò)散, 提高最適葉面積指數(shù)和群體光合效率[5-6], 但植株過(guò)高, 抗倒伏性變差, 且不利于下部葉片受光, 影響單個(gè)植株的光合效率。有研究表明, 株高在90 cm以下時(shí), 株高與產(chǎn)量呈正相關(guān); 當(dāng)株高在150 cm以上時(shí), 株高與產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)[7-8]。在我國(guó)7個(gè)超高產(chǎn)大豆品種中, 4個(gè)為半矮桿(株高70~90 cm), 分別為新大豆1號(hào)、中黃13、MN413和JN96-24342[9], 這些研究結(jié)果表明培育株高適宜的品種是提高大豆產(chǎn)量的重要因素之一。

葉柄角是決定群體透光和受光姿態(tài)的重要指標(biāo), 是群體葉片空間分布狀態(tài)的一種衡量。例如水稻葉片挺立、夾角小有利于葉片雙面受光, 對(duì)光的反射率較小, 可以提高冠層光合效率, 增加干物質(zhì)的積累, 同時(shí)改善群體下層光照, 增強(qiáng)根系活力, 進(jìn)而提高水稻產(chǎn)量[10-12]。徐慶章等[14]測(cè)定5種不同密度下群體的光合速率表明, 玉米最佳莖葉夾角為10°。李登海等[13]認(rèn)為減小葉夾角會(huì)有利于改善如葉寬、葉長(zhǎng)等與產(chǎn)量相關(guān)的一些性狀, 這也是選育緊湊型玉米提高玉米產(chǎn)量的主要原因。在大豆中類(lèi)似研究結(jié)果較少, 但以上研究結(jié)果暗示著通過(guò)調(diào)控大豆葉柄角度, 改良大豆株型, 具有提升大豆產(chǎn)量的空間。因此, 解析大豆葉柄角的遺傳機(jī)制, 對(duì)大豆株型育種具有重要意義。2012年王吳彬等[15]利用一個(gè)大豆的CSSL群體(SojaCSSLP1)對(duì)葉柄角進(jìn)行QTL定位, 共檢測(cè)到5個(gè)QTL, 其中與Sat_286連鎖的QTL可被穩(wěn)定地檢測(cè)到, 該位點(diǎn)可解釋22%的遺傳變異。然而由于分子標(biāo)記等原因限制, 遺傳位點(diǎn)沒(méi)有被精細(xì)定位和克隆, 在育種過(guò)程中的可利用性需進(jìn)一步驗(yàn)證。Gao等[16]利用165個(gè)InDel標(biāo)記和一個(gè)突變體材料將調(diào)控大豆葉柄角的位點(diǎn)定位在第11染色體上, 位于標(biāo)記MOL1197和MOL1233之間, 進(jìn)一步通過(guò)圖位克隆的方式克隆到了基因, 該基因編碼APC8-like蛋白, 可以與直接相互作用, 通過(guò)APC復(fù)合體行使功能, 突變?cè)摶蚝罂墒谷~枕發(fā)育異常、葉柄角增大。但由于該基因是由突變獲得, 在自然界中缺乏等位變異, 這大大限制了該基因的應(yīng)用。除此之外, 對(duì)大豆葉柄角的研究鮮有報(bào)道。

總而言之, 大豆葉柄角是大豆株型的重要指標(biāo)之一, 能夠影響冠層結(jié)構(gòu)、光合作用效率, 并最終影響產(chǎn)量。本研究利用2個(gè)葉柄角具有顯著差異的大豆材料以及它們衍生的RIL群體, 構(gòu)建高密度的遺傳圖譜, 分析大豆葉柄角QTL, 挖掘調(diào)控大豆葉柄角位點(diǎn)的遺傳資源, 以期為今后相關(guān)基因的克隆以及大豆株型的分子育種工作奠定材料基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2個(gè)葉柄角具有顯著差異的材料是在雄性不育輪回群體中發(fā)現(xiàn)的, 經(jīng)自交加代至F5形成穩(wěn)定品系材料, 并根據(jù)葉柄角的大小將其命名為“大葉柄角” (big leafstalk angle, BLA)和“小葉柄角”(small leafstalk angle, SLA)。以BLA和SLA為親本, 采用單粒傳法構(gòu)建了包含168個(gè)F9:11重組自交系(RIL)群體對(duì)葉柄角性狀進(jìn)行遺傳和QTL定位分析。F5:6代的RIL家系材料用于近等基因系的篩選。

1.2 田間與盆栽試驗(yàn)及表型數(shù)據(jù)測(cè)定

2016年, 將F9:11RIL群體的168個(gè)家系及親本種植于福建省尤溪縣洋中試驗(yàn)基地。設(shè)每個(gè)RIL家系1個(gè)小區(qū), 隨機(jī)排列, 每小區(qū)2行, 每行9穴, 行距50 cm, 株距離20 cm, 田間管理同常規(guī)生產(chǎn)。播種45 d時(shí), 隨機(jī)選取每個(gè)小區(qū)中間有代表性的3株進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。田間統(tǒng)計(jì)性狀為3個(gè)部位的葉柄角(leafstalk angle, LA), 即倒三葉葉柄與莖垂直線的夾角, 單位用“°”表示[15]。其中上位葉柄角的選取標(biāo)準(zhǔn)為頂部第一個(gè)完全展開(kāi)葉的葉柄與莖垂直線的夾角, 用LA-H表示; 下位葉柄角選用從下往上第一片完整的復(fù)葉, 用LA-L表示; 中位葉位于下位葉與上位葉之間, 選取與上位葉緊鄰的下部功能葉, 用LA-M表示。盆栽試驗(yàn)在福建農(nóng)林大學(xué)根系生物學(xué)中心樓頂開(kāi)展, 供試基質(zhì)為常規(guī)營(yíng)養(yǎng)土。設(shè)置每個(gè)親本或近等基因系材料5個(gè)生物學(xué)重復(fù)。每盆種3粒種子, 待大豆第一片真葉完全展開(kāi)時(shí), 每盆保留一株長(zhǎng)勢(shì)均一的大豆幼苗, 肥水管理均一致。在自然條件下盆栽, 盆與盆間隔為50 cm。在播種后30 d收集材料表型, 測(cè)量方法與田間一致。

1.3 基因分型和遺傳連鎖圖譜的構(gòu)建

利用Genotyping-by-Sequencing (GBS)技術(shù)對(duì)168個(gè)RIL家系進(jìn)行基因分型, 具體流程如下。提取親本與RIL群體的基因組DNA。利用雙酶修飾法(R I和II限制性內(nèi)切酶)構(gòu)建GBS文庫(kù), 然后通過(guò)Hiseq X10 PE150系統(tǒng)對(duì)純化的文庫(kù)測(cè)序?；贕BS測(cè)序[17], 篩選多態(tài)性標(biāo)記并分類(lèi)。使用卡方檢驗(yàn)從原始基因型數(shù)據(jù)中過(guò)濾掉嚴(yán)重偏分離(值小于等于0.05)的多態(tài)性標(biāo)記。采用重組最大簡(jiǎn)約法, 根據(jù)RIL群體的基因型推測(cè)雙親基因型。根據(jù)雙親SNP基因型將群體基因型數(shù)值化。然后將連續(xù)多個(gè)SNP標(biāo)記且具有相同的基因型概括為一個(gè)區(qū)塊(Bin),利用其構(gòu)建RIL群體的重組區(qū)塊圖譜(recombination bin map)[18]。以每個(gè)重組區(qū)塊作為一個(gè)標(biāo)記, 利用JoinMap 4.0軟件構(gòu)建其高密度遺傳圖譜。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用軟件IciMapping V4.1進(jìn)行方差分析[19], 方差分析的數(shù)據(jù)是來(lái)源于168個(gè)RIL家系的3個(gè)代表植株的表型, 廣義遺傳力2b=G/(G+E), 其中G為RIL之間的方差,E為RIL內(nèi)的方差。用SPSS 19與Microsoft Excel 2013內(nèi)置公式進(jìn)行顯著性分析, 以及基本統(tǒng)計(jì)量的計(jì)算。

1.5 QTL定位

利用Map QTL 6.0進(jìn)行QTL分析[20], 以LOD=2.5為檢測(cè)閾值。首先利用區(qū)間作圖法(IM) 檢測(cè)QTL, 當(dāng)QTL的LOD值超過(guò)2.5時(shí), 被認(rèn)為是初步可信的QTL。進(jìn)一步利用與該QTL連鎖最緊密的標(biāo)記(LOD值最高)作為“cofactor”進(jìn)行多QTL復(fù)合作圖(MQM)的驗(yàn)證, 如果MQM檢測(cè)該QTL的LOD值仍大于2.5則認(rèn)為是一個(gè)可信的QTL。參考McCouch等[21]的原則命名QTL, 即q+目標(biāo)性狀(用2~5個(gè)英文字母代替)+“-”+所在染色體號(hào)數(shù)或連鎖群代號(hào), 名稱(chēng)用斜體。

1.6 候選QTL近等基因系的構(gòu)建

在初定位的基礎(chǔ)上, 利用親本間SNP的變異開(kāi)發(fā)與QTL連鎖的dCAPs標(biāo)記, 在同一個(gè)F5:6家系中篩選基因型分別與BLA和SLA一致的單株, 單株收獲后形成一對(duì)近等基因型系。具體構(gòu)建流程方法如下。選取候選QTL目標(biāo)區(qū)段, 明確親本在該目標(biāo)區(qū)段的SNP位點(diǎn), 并利用這些變異位點(diǎn)在http://helix. wustl.edu/dcaps/dcaps.html網(wǎng)站進(jìn)行dCAPs多態(tài)標(biāo)記開(kāi)發(fā), 每個(gè)候選QTL開(kāi)發(fā)5~10對(duì)dCAPs標(biāo)記, 以確保近等基因系的準(zhǔn)確性。利用這些在親本間表現(xiàn)多態(tài)性差異的標(biāo)記在RIL群體的F5:6代中進(jìn)行篩選。當(dāng)同一個(gè)F5:6家系中分別篩選到與BLA和SLA基因型一致的單株時(shí), 進(jìn)行單株收獲形成一對(duì)近等基因系。

2 結(jié)果與分析

2.1 親本和RIL群體的表型變異和遺傳分析

盆栽條件下表型分析顯示, BLA與SLA在葉柄角上形成明顯對(duì)比(圖1-A), SLA在上(LA-H)、中(LA-M)和下(LA-L)位葉的夾角均顯著小于BLA(圖1-B), BLA葉柄角變異范圍在83°~105°角之間, 而SLA號(hào)變異范圍在60°~70°之間。表明兩親本衍生的RIL群體可用于葉柄角的QTL定位分析。

圖1 親本間葉柄角表型差異(A)及統(tǒng)計(jì)分析(B)

BLA: 大葉柄角; SLA: 小葉柄角。**表示SLA和BLA的葉柄角在1% 水平上的差異顯著性。LA-H、LA-M和LA-L分別表示上位、中位和下位的葉柄角。

BLA: big leafstalk angle; SLA: small leafstalk angle. ** indicate the significant differences of leaf petiole angle between SLA and BLA at the 1% probability level. LA-H, LA-M, and LA-L represent angles of high (H), middle (M), and low (L) leaves petiole, respectively.

親本BLA和SLA衍生的RIL群體在田間條件下遺傳變異分析顯示(表1), RIL群體間葉柄角的變異范圍為20°~110°, 呈現(xiàn)連續(xù)分布的特征, 遺傳變異系數(shù)在15.58%~17.64%之間; 群體間上、中和下位的葉柄角均存在超親分離, 偏度和峰度結(jié)果還顯示兩者絕對(duì)值在0.52~3.16之間, 符合正態(tài)分布特征, 表明葉柄角屬于典型的數(shù)量性狀; 此外, 遺傳力分析結(jié)果顯示, 上位和中位葉柄角遺傳力在0.70左右, 下位葉柄角遺傳力為0.90。表明大豆葉柄角的性狀主要受到基因控制, 與上位和中位的葉柄角相比, 下位葉柄角受環(huán)境因素影響較小。

表1 親本和RIL群體的表型變異和遺傳分析

RILs: 重組自交系; LA-H、LA-M和LA-L分別表示上位、中位和下位的葉柄角。

RILs: recombinant inbred lines; LA-H, LH-M, and LH-L represent angles of high (H), middle (M), and low (L) leaves petiole, respectively.

2.2 遺傳圖譜構(gòu)建

為挖掘田間條件下調(diào)控葉柄角的QTL, 用GBS技術(shù)和包含168個(gè)家系RIL群體, 及滑動(dòng)窗口法進(jìn)行基因分型并構(gòu)建高精度的遺傳圖譜[22]。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格篩選,共獲得859個(gè)重組的Bin標(biāo)記, 根據(jù)其物理位置預(yù)測(cè), 859個(gè)Bin標(biāo)記基本平均分布在20條染色體上(表2), 標(biāo)記最少的是10號(hào)染色體, 僅為25個(gè), 標(biāo)記最多的是11號(hào)染色體, 為53個(gè)。進(jìn)一步利用這些Bin標(biāo)記構(gòu)建了總遺傳距離為2326.9 cM的遺傳圖譜(表2和圖2), 2個(gè)相鄰標(biāo)記之間的平均距離為2.763 cM。其中16號(hào)染色體的平均距離最小, 為1.62 cM。9號(hào)染色體上的平均距離最大, 為4.93 cM。

表2 RIL群體中Bin標(biāo)記在遺傳圖譜上的分布

圖2 高密度的遺傳圖譜

左側(cè)比例尺代表遺傳距離, 連鎖群上不同的顏色表示標(biāo)記密度的差異。

The left scale represents the genetic distance, and the different colors on the linkage group indicate themarker density.

2.3 RIL群體中的QTL定位分析

利用MAPQTL6.0軟件的IM方法[20], 對(duì)該RIL群體中不同部位葉柄角進(jìn)行QTL分析。結(jié)果顯示(表3), 共檢測(cè)到5、5和4個(gè)QTL分別調(diào)控上位、中位和下位的葉柄角, LOD值范圍在2.58~4.80之間, 可解釋遺傳變異范圍在6.9%~12.4%之間, 在所有14個(gè)QTL中, 6個(gè)的增效基因來(lái)源于SLA, 其余來(lái)源于BLA。在這些QTL中, 5個(gè)被定位在12號(hào)染色體上, 物理位置相近(<1500 kb)或重疊, 表明這5個(gè)QTL可能由同一個(gè)基因或位點(diǎn)調(diào)控; 其他QTL分布在1、6、7、9、11、14、15、17和18號(hào)染色體上, LOD最高的QTL為, 位于18號(hào)染色體, 可解釋遺傳變異的12.4%。

2.4 QTLqLA12和qLA18的近等基因系驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證QTL結(jié)果的準(zhǔn)確性, 選取和兩個(gè)位點(diǎn), 并將調(diào)控這2個(gè)位點(diǎn)的增效基因分別命名和, 對(duì)應(yīng)的等位基因命名為和。根據(jù)重測(cè)序結(jié)果, 在QTL區(qū)間內(nèi)或附近開(kāi)發(fā)dCAPs標(biāo)記, 最終針對(duì)每個(gè)QTL分別獲得7對(duì)在親本間具有多態(tài)的dCAPS標(biāo)記(表4)。進(jìn)一步利用這些標(biāo)記在F5:6RIL家系中篩選, 最終在R3、R81、R171中篩選出3對(duì)針對(duì)位點(diǎn)的近等基因系, 在R6、R198、R138中篩選出3對(duì)針對(duì)位點(diǎn)的近等基因系。

利用近等基因系在盆栽條件下進(jìn)行表型鑒定, 統(tǒng)計(jì)近等基因系的葉柄角結(jié)果顯示(圖3和圖4), 3組NIL-的上、中及下位葉柄角變化范圍分別是40.0°~51.6°、58.3°~78.3°和86.7°~93.3°, 對(duì)應(yīng)3組NIL-的上、中及下位葉柄角變化范圍分別是26.6°~40.0°、36.6°~41.6°和50.0°~60.0°。差異性顯著分析結(jié)果顯示, NIL-在3個(gè)部位的葉柄角均顯著大于NIL-。此外, 3組NIL-的上、中及下位葉柄角變化范圍分別是52.3°~61.2°、73.3°~84.1°和83.8°~89.5°, 對(duì)應(yīng)3組NIL-的上、中及下位葉柄角變化范圍分別是39.1°~51.4°、39.2°~52.2°和48.6°~60.9°。進(jìn)一步差異性顯著分析結(jié)果顯示NIL-在3個(gè)部位的葉柄角均顯著大于NIL-。以上結(jié)果表明,和可以顯著增大葉柄夾角, 證實(shí)和是2個(gè)真實(shí)存在QTL。

表3 大豆RIL群體葉柄角的QTL定位

LA-H、LH-M和LH-L分別表示上位、中位和下位的葉柄角。其中加性效應(yīng)值> 0或者< 0分別代表從BLA和SLA獲得的QTL的累計(jì)增加效應(yīng)。

LA-H, LH-M, and LH-L represent angles of high (H), middle (M), and low (L) leaves petiole, respectively. Add value > 0 and < 0 stand for increasing effects of the QTLs derived from BLA and SLA, respectively.

表4 本研究中使用的dCAPS標(biāo)記

(續(xù)表4)

帶下畫(huà)線的字符表示引入SNP變異的位置。

The underlined bold font indicates the position of introduced SNP variation.

圖3 qLA12近等基因系間的葉柄角表型差異(A)及統(tǒng)計(jì)分析(B)

花盆上相同的黃色字母表示來(lái)源于同一個(gè)F5:6家系的1對(duì)近等基因。紅色方框和弧形箭頭表示觀測(cè)點(diǎn)。

The consistent yellow alphabet on the pots indicates a pair of isogenic line from the same F5:6family. The red box and curved arrows indicate the observed location.

3 討論

3.1 環(huán)境和生育期對(duì)大豆葉柄角的影響

作物產(chǎn)量是一個(gè)復(fù)雜性狀的集合體, 其中株型性狀涉及到群體密植性、受光姿態(tài)、通風(fēng)環(huán)境和源庫(kù)流結(jié)構(gòu)等, 這些因素都與產(chǎn)量密切相關(guān)[23-24], 因此株型對(duì)作物的產(chǎn)量性狀有至關(guān)重要的意義, 但株型本身也受環(huán)境因素、植株發(fā)育狀態(tài)或種植方式的影響, 李燦東等[24]研究發(fā)現(xiàn)隨著大豆種植密度的增加, 株型發(fā)生顯著變化, 表現(xiàn)為株高增加、莖粗下降等。在本研究中, 盆栽條件下, 前期觀察發(fā)現(xiàn)大豆苗期到開(kāi)花期其葉柄角變化不大, 推測(cè)是由于其整個(gè)生育期生長(zhǎng)空間充足, 植株間相互影響較小, 因此葉柄角變化不大; 但田間條件下, 隨著植株發(fā)育, 在開(kāi)花期前后, 植株生長(zhǎng)空間逐漸受限, 植株會(huì)逐漸調(diào)整其葉柄角變小, 使其利于獲得更多光。在大豆生產(chǎn)上, 開(kāi)花時(shí)期的株型與產(chǎn)量關(guān)系更為密切, 因此在田間試驗(yàn)中選取大部分RIL家系的開(kāi)花期(約45 d)時(shí)進(jìn)行測(cè)量; 盆栽條件下, 葉柄角苗期和開(kāi)花期變化不大, 選取種植后30 d進(jìn)行測(cè)量。此外, 通過(guò)對(duì)比盆栽和田間條件下親本間葉柄的夾角, 也發(fā)現(xiàn)種植模式對(duì)不同部位的葉柄角具有不同的影響。盆栽條件下, BLA的上、中和下位葉柄角均顯著大于SLA (圖1), 但田間條件下BLA僅在下位葉柄角上顯著大于SLA (表1), 在上和中位葉柄角上兩者差異不顯著。此外, 盆栽條件下兩親本在上、中位葉柄的夾角均顯著大于田間條件的夾角, 但下位葉柄角差異不顯著。分析原因認(rèn)為, 這可能主要是種植密度的差異所致, 盆栽條件下大豆植株具有充足的生長(zhǎng)空間, 較大的葉柄角有利于植株獲得更多的光。在田間密植條件下, 植株生長(zhǎng)空間有限, 較小的葉柄角可使葉片處于上層空間, 增加獲得光的機(jī)會(huì)。這暗示著, 大豆在不同的生長(zhǎng)條件下能夠通過(guò)調(diào)整自身株型使其更適應(yīng)周?chē)h(huán)境。另外, 從不同部位葉柄角的遺傳力上分析, 上、中位葉柄角的遺傳力小于下位葉柄角的遺傳力, 表明上、中位葉柄角具有很大的可塑性, 密植條件下受影響的主要是上、中位的葉柄角, 下位葉柄角受影響較小, 這可能是由于下位葉發(fā)育時(shí)處于幼苗期, 周?chē)L(zhǎng)空間較大, 因此夾角大小主要受遺傳調(diào)控。但大豆的功能葉位主要集中在植株中上部, 因此中上部葉柄角(株型)可能對(duì)生產(chǎn)具有更重要的意義。

圖4 qLA18近等基因系間的葉柄角表型差異(A)及統(tǒng)計(jì)分析(B)

花盆上相同的黃色字母表示來(lái)源于同一個(gè)F5:6家系的1對(duì)近等基因。紅色方框和弧形箭頭表示觀測(cè)點(diǎn)。

The consistent yellow alphabet on the pots indicates a pair of isogenic line from the same F5:6family. The red box and curved arrows indicate the observed location.

3.2 葉柄角QTL簇分析

QTL簇是指在對(duì)一個(gè)或多個(gè)性狀進(jìn)行QTL定位時(shí), 在相同或相近的位置可以檢測(cè)到多個(gè)QTL, 表現(xiàn)為成簇分布。本研究對(duì)QTL的檢測(cè)均在田間條件下進(jìn)行。在BLA和SLA的RIL群體中共檢測(cè)到14個(gè)與葉柄角相關(guān)的QTL, 其中5個(gè)被定位在12號(hào)染色體上(表3), 物理位置相近(<1500 kb)或重疊, 形成一個(gè)QTL簇。分析造成這個(gè)QTL簇出現(xiàn)的原因可能是: (1)雙交換的出現(xiàn), 由于該位點(diǎn)位于染色體一端, 發(fā)生交換的概率非常高, GBS覆蓋密度不夠, 導(dǎo)致一些雙交換位點(diǎn)未被檢測(cè)到, 因此檢測(cè)到了多個(gè)緊密連鎖的QTL; (2)環(huán)境因素, 試驗(yàn)完全在田間條件下開(kāi)展, 存在一些不可控的因素, 例如缺苗、病害、養(yǎng)分不均勻等。而利用高密度遺傳圖譜對(duì)QTL進(jìn)行檢測(cè)時(shí), 一個(gè)單株表型的誤判雖然不會(huì)導(dǎo)致該QTL的消失, 但可能導(dǎo)致連鎖位置的錯(cuò)位; (3)參考基因組的質(zhì)量, 基于GBS技術(shù)遺傳圖譜的構(gòu)建, 其SNP的變異位點(diǎn)需要通過(guò)參考基因組確定。目前參考基因組(https://phytozome.jgi.doe.gov/)上仍有數(shù)百個(gè)骨架(Scaffold)序列未被拼接到染色體上, 甚至一些序列被錯(cuò)誤拼接, 這都可能造成遺傳錯(cuò)位。不論如何, 這些QTL仍需要進(jìn)一步確認(rèn)或精細(xì)定位。

此外, 對(duì)不同部位葉柄角進(jìn)行定位時(shí)發(fā)現(xiàn), 除了在上、中位葉柄夾角中檢測(cè)到外, 其他位點(diǎn)均只在一個(gè)部位被檢測(cè)到, 但近等基因系結(jié)果顯示,和均可顯著增大上、中及下位葉柄角度。推測(cè)可能是由于RIL群體遺傳背景比較復(fù)雜, 影響葉柄角的因素較多, 一些非主效QTL不能被檢測(cè)到, 相反由于近等基因系具有較為純合的遺傳背景, 即使效應(yīng)較小的QTL也能表現(xiàn)出來(lái)。此外, 同一個(gè)QTL對(duì)不同部位的葉柄角的貢獻(xiàn)率存在差異。例如, 在近等基因系NIL-的a組材料間,可以顯著增加中、下位葉柄角, 但對(duì)上位葉柄角增加效應(yīng)不明顯。但由于盆栽試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的5棵植株不排除是環(huán)境和偶然因素導(dǎo)致這種差異不顯著現(xiàn)象, 因此需要進(jìn)一步驗(yàn)證。在后續(xù)研究中, 考慮到中、上部對(duì)大豆株型影響較大, 對(duì)種植密度具有決定性作用, 因此需側(cè)重解析或在大豆植株中、上位葉柄角的遺傳機(jī)制。

3.3 QTL的驗(yàn)證與關(guān)聯(lián)性狀分析

以往的研究結(jié)果[15]和本研究結(jié)果都表明大豆葉柄角受數(shù)量性狀位點(diǎn)調(diào)控, 數(shù)量性狀在定位過(guò)程中遺傳背景[25-26]和環(huán)境[27-28]對(duì)特定QTL的定位均有較大影響, 尤其是對(duì)微效QTL的檢測(cè)。通過(guò)構(gòu)建特定QTL的近等基因系能夠最大限度地降低遺傳背景的影響, 從而提高QTL的定位和檢測(cè)效率, 對(duì)微效QTL的檢測(cè)尤為有效。針對(duì)環(huán)境因素的影響一般采用多年多點(diǎn)重復(fù)驗(yàn)證的策略, 但這主要針對(duì)初定位而言。在本研究中, 盡管初定位僅采用了一年的田間試驗(yàn), 但針對(duì)2個(gè)主效QTL構(gòu)建了近等基因系, 通過(guò)盆栽試驗(yàn)驗(yàn)證了其真實(shí)性, 而近等基因系也為后續(xù)的精細(xì)定位、圖位克隆等研究提供了很好的材料基礎(chǔ)。

一般來(lái)說(shuō)一個(gè)重要基因影響的性狀是多方面的, 即一因多效現(xiàn)象[29-30]。這主要是因?yàn)橹参锏陌l(fā)育是一個(gè)整體, 性狀之間是相互聯(lián)系、相互依賴(lài)的關(guān)系, 一個(gè)性狀的變化就可能引起一系列的性狀變化。因此, 在QTL定位時(shí)經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)不同性狀定位到相同位置的現(xiàn)象。本研究中, 在對(duì)來(lái)源(遺傳背景)不同的3對(duì)的近等基因系進(jìn)行觀察時(shí)發(fā)現(xiàn), NIL-均表現(xiàn)為早花, 且植株葉片數(shù)和株高均顯著高于NIL-(圖3), 推測(cè)調(diào)控葉柄角的基因同時(shí)調(diào)控開(kāi)花等性狀。如果后續(xù)研究能夠證實(shí)這些關(guān)聯(lián)性狀, 將對(duì)闡述調(diào)控基因的功能具有重要的作用。

4 結(jié)論

構(gòu)建了包含859個(gè)Bin標(biāo)記的大豆高密度遺傳圖譜, 總遺傳長(zhǎng)度為2326.9 cM, 標(biāo)記間平均距離為2.763 cM; 檢測(cè)到14個(gè)調(diào)控大豆葉柄角的QTL, 分布在10條染色體上, 其中12號(hào)染色體上存在一個(gè)包含5個(gè)QTL的QTL簇; 通過(guò)近等基因系材料驗(yàn)證了和位點(diǎn)的真實(shí)性。本研究為進(jìn)一步圖位克隆調(diào)控大豆葉柄角功能基因奠定了基礎(chǔ), 為大豆株型育種提供了遺傳資源材料。

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Mapping ofQTLs for leafstalk anglein soybean

WANG Cun-Hu, LIU Dong, XU Rui-Neng,YANG Yong-Qing*, and LIAO Hong

College of Resources and Environment, Fujian Agriculture and Forestry University / Root Biology Center, Fuzhou 350002, Fujian, China

Leafstalk angle is one of the most important elements for shoot architecture of soybean, affecting canopy architecture, photosynthetic efficiency and final grain yield. Exploring genetic basis of soybean leafstalk angle is significant to improve soybean yield. In this study, two soybean accessions BLA and SLA, contrasting in leafstalk angle, and their derived RIL population were used for high resolution genetic map construction and QTL detection for leafstalk angle, further the near-isogenic lines (NIL) were constructed to validate partial QTLs. Genetic analysis results showed that values of leafstalk angle performed serial and normal distribution which coincides with genetic characteristics of quantitative traits. Additionally, a high resolution genetic map consisting of 859 bin markers was constructed by using GBS method. The linkage map covered 2326.9 cM of genetic distance and the average distance between two markers was 2.763 cM. A total of 14 QTLs for regulating leafstalk angle were detected, with explained 6.9%?12.4% of genetic variation, and their LOD values varied from 2.58 to 4.80, and five of them were clustered together on Chromosome 12. The phenotype of the NILs forandrevealed that leafstalk angle performed significant difference between same pair of NILs which strongly suggested thatandare two believable QTLs. In summary, our results lay a foundation for cloning functional genes of regulating leafstalk angle and provide genetic resources for breeding elite soybean varieties with ideal shoot architecture.

soybean shoot architecture; leafstalk angle; QTL mapping; near-isogenic lines (NIL)

2019-04-12;

2019-08-09;

2019-09-12.

10.3724/SP.J.1006.2020.94056

楊永慶, E-mail:yyq287346@163.com

E-mail: wcunhu@163.com

本研究由國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31830083)和福建農(nóng)林大學(xué)科技創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)基金項(xiàng)目(CXZX2018028)資助。

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31830083) and Science and Technology Innovation Fund of Fujian Agriculture and Forestry University (CXZX2018028)

URL:http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20190912.1510.004.html