大麥籽粒β-葡聚糖含量的全基因組關(guān)聯(lián)分析

耿 臘 黃業(yè)昌 李夢迪 謝尚耿 葉玲珍,3,* 張國平

大麥籽粒β-葡聚糖含量的全基因組關(guān)聯(lián)分析

耿 臘1黃業(yè)昌2李夢迪1謝尚耿1葉玲珍1,3,*張國平1

1浙江大學(xué)作物科學(xué)研究所, 浙江杭州 310058;2溫州科技職業(yè)學(xué)院, 浙江溫州 325000;3浙江大學(xué)新農(nóng)村發(fā)展研究院, 浙江杭州 310058

β-葡聚糖是大麥籽粒的一個重要品質(zhì)性狀, 其含量高低影響大麥啤用、飼用和食用品質(zhì)。雖然有關(guān)大麥β-葡聚糖合成的相關(guān)基因已有報道, 但關(guān)于大麥籽粒β-葡聚糖積累的遺傳調(diào)控機制仍不十分清楚。本研究以前期收集的全球119份大麥基因型為材料, 種植在土壤與氣候條件有一定差異的兩試點, 利用混合線性模型(MLM)和一般線性模型(GLM)對不同大麥材料籽粒β-葡聚糖含量進(jìn)行GWAS分析。結(jié)果表明, 大麥籽粒β-葡聚糖含量的基因型差異顯著, 其在2個環(huán)境下的廣義遺傳力為73.9%。利用MLM和GLM模型分別檢測到8個和40個顯著位點, 合并2個模型重疊位點后共得到44個顯著位點, 其中基因在2個模型、2個地點均被鑒定到, 故被認(rèn)為是與β-葡聚糖含量顯著相關(guān)的候選基因。2個模型中最佳等位基因數(shù)與β-葡聚糖含量均呈顯著正相關(guān)。此外, 基于基因注釋, 共鑒定到10個與糖合成、轉(zhuǎn)運及分解相關(guān)的酶類基因, 這些基因可能與籽粒中β-葡聚糖的合成、積累和分解緊密相關(guān)。本研究結(jié)果為闡明β-葡聚糖的遺傳調(diào)控機制提供了新的視角, 亦為大麥籽粒β-葡聚糖的遺傳改良奠定了一定的理論基礎(chǔ)。

大麥; β-葡聚糖; 全基因組關(guān)聯(lián)分析; SNP位點; 最佳等位基因

大麥?zhǔn)侨驈V泛栽培的主要谷類作物, 且用途多樣, 集飼用、啤用和食用于一體。與水稻、玉米和小麥等其他禾谷類作物相比, 大麥籽粒的化學(xué)成分獨特, 其中富含β-葡聚糖是其主要特點之一, 平均含量高于小麥近10倍[1]。β-葡聚糖是大麥籽粒胚乳和糊粉層細(xì)胞壁的主要成份, 無論在啤用、飼用還是食用上都是一個重要的品質(zhì)性狀。用于釀造啤酒時, 大麥籽粒β-葡聚糖會增加麥汁黏度從而影響麥汁的過濾速度, 降低麥芽浸出物產(chǎn)量, 同時還因產(chǎn)生凝膠沉淀作用而使啤酒易發(fā)生混濁[2]; 用于飼料原料時, β-葡聚糖會增加非反芻畜禽動物腸液的黏度, 影響食料的消化和吸收, 從而降低飼用價值, 故被認(rèn)為是畜禽的一種抗?fàn)I養(yǎng)因子[3-4]。相反, 大麥用于人類食糧時, β-葡聚糖則是一種有益健康因子, 它具有降低血液膽固醇及預(yù)防結(jié)腸癌、直腸癌的作用[5]。因此, 明確大麥籽粒β-葡聚糖合成的遺傳及其調(diào)控基因, 篩選與鑒定相關(guān)分子標(biāo)記, 根據(jù)大麥用途調(diào)控β-葡聚糖的合成與積累, 對于提高專用大麥品種的品質(zhì)具有重要意義。

首個發(fā)現(xiàn)與大麥β-葡聚糖合成相關(guān)的基因是纖維素合成酶類基因()[6]。后續(xù)研究顯示, 大麥β-葡聚糖由纖維素合成酶類F()和纖維素合成酶類H ()基因家族成員共同調(diào)控合成[7-8]?；蚣易迨抢w維素合成酶基因超家族的一部分, 由位于大麥基因組1H、2H、5H和7H染色體上的10個成員組成[8-9]; 其中基因在決定β-葡聚糖含量中發(fā)揮著重要作用。大麥過表達(dá)由胚乳特異性啟動子控制的基因可顯著增加籽粒β-葡聚糖含量[10], 而小麥中下調(diào)該基因表達(dá)可顯著降低籽粒β-葡聚糖含量[11]。雖然大麥β-葡聚糖合成相關(guān)的基因已有報道, 但有關(guān)大麥籽粒β-葡聚糖積累的遺傳調(diào)控機制仍不十分清楚。

近年來, 全基因組關(guān)聯(lián)研究(genome-wide association study, GWAS)分析作為重要的遺傳解析方法, 已廣泛應(yīng)用于水稻、玉米和小麥等作物重要農(nóng)藝性狀的基因鑒定研究[12-14]。在大麥中, 利用這一方法已對籽粒密度[15]、花期[16]、棱型[17]等重要性狀進(jìn)行過相關(guān)研究, 但對籽粒β-葡聚糖等重要品質(zhì)性狀仍有待于開展更深入和廣泛的研究。本研究擬以119份大麥種質(zhì)資源(包括西藏半野生大麥、國內(nèi)栽培品種及國際常見商業(yè)品種)為材料, 分別種植在土壤和氣候條件存在一定差異的2個試點, 對籽粒β-葡聚糖含量進(jìn)行GWAS分析; 旨在獲得與β-葡聚糖含量顯著連鎖的SNP位點, 挖掘其優(yōu)異等位變異及預(yù)測候選基因, 從而為大麥β-葡聚糖的遺傳改良提供理論指導(dǎo)與優(yōu)異基因資源。

1 材料與方法

1.1 供試材料與田間試驗

本研究供試大麥材料共119份, 含我國西藏半野生大麥44份、我國栽培品種59份、國外栽培品種16份。所有材料均于2018年11月初播于浙江大學(xué)長興農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗站(CHX)和浙江省慈溪農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗站(CX)。長興和慈溪的土壤pH分別為6.0和8.29, 全氮含量分別為1.22 g kg?1和1.31 g kg?1, 速效磷含量分別為8.9 mg kg?1和102 mg kg?1, 速效鉀含量分別為12.5 mg kg?1和163 mg kg?1。每份材料種5行, 每行播50粒種子, 行長2 m, 行間距0.25 m。所有農(nóng)藝管理措施, 包括施肥、除草和病蟲害防治等與當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)相同。大麥成熟時每份材料收中間3行的種子, 干燥后儲存于4℃冰箱備用。

1.2 β-葡聚糖含量測定

大麥種子用旋風(fēng)磨粉機粉碎, 過40目篩, 密閉儲存。β-葡聚糖按Houston等[18]介紹的方法, 采用Megazyme公司生產(chǎn)的β-葡聚糖試劑盒(K-BGLU 02/17)測定, 每份材料測定重復(fù)3次。

1.3 DNA提取和基因型分析

供試大麥材料培養(yǎng)至二葉一心, 取葉片, 采用CTAB法提取全基因組DNA; 用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA質(zhì)量及濃度。委托澳大利亞Dart公司(https://www.diversityarrays.com/)進(jìn)行全基因組SNP標(biāo)記分型。獲得的基因型數(shù)據(jù)按完整度大于等于0.8, 最小等位基因頻率占有分型樣本比例(Minor Allele Frequency, MAF)大于0.05篩選, 共獲得7287個高質(zhì)量的SNP位點, 用于后續(xù)群體結(jié)構(gòu)、親緣關(guān)系以及全基因組關(guān)聯(lián)分析。

1.4 全基因組關(guān)聯(lián)分析、候選基因鑒定與基因表達(dá)分析

用Structure 2.3.3軟件進(jìn)行群體結(jié)構(gòu)Q矩陣的計算, 用SPAGeDi計算親緣關(guān)系K矩陣。將基因型、表型、Q矩陣和K矩陣導(dǎo)入Tassel 5.0后, 以Q矩陣和Q+K矩陣作為協(xié)變量, 分別進(jìn)行基于一般線性模型(General Linear Model, GLM)和混合線性模型 (Mixed Linear Model, MLM)的全基因組關(guān)聯(lián)分析。在關(guān)聯(lián)分析過程中計算獲得每個SNP位點的值和2。將顯著性閾值設(shè)置為≤1′10–4和≤1′10–3, 即–log10()≥和–log10()≥3, 使用R軟件將GWAS分析結(jié)果繪制成曼哈頓圖和QQ圖。

利用大麥全基因組數(shù)據(jù)庫, 對GWAS分析所獲的顯著性標(biāo)記附近提取±100 kb范圍內(nèi)基因作為候選基因; 進(jìn)一步在數(shù)據(jù)庫中提取注釋信息和基因表達(dá)譜信息。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS軟件進(jìn)行頻次分布圖制作、相關(guān)和方差分析。使用的模型為混合線性模型:=+基因型+環(huán)境+基因型×環(huán)境+誤差(基因型和環(huán)境為固定因子); 遺傳力按2g/[gGL/e/()]估算, 其中g(shù)表示品種方差,GL表示地點和品種的互作,e表示殘差的方差組分,為2 (2個地點),為3 (3次重復(fù))。

2 結(jié)果與分析

2.1 β-葡聚糖含量的基因型與環(huán)境差異

供試的119份大麥材料的β-葡聚糖含量在2個環(huán)境中存在顯著的差異, 長興和慈溪點β-葡聚糖含量分別變動于1.66%~5.48%和1.98%~6.49%, 平均含量分別是3.03%和3.39% (圖1)。所有材料在2個環(huán)境種植, β-葡聚糖含量的相關(guān)系數(shù)為0.75 (≤0.001), 達(dá)極顯著水平, 且呈正態(tài)分布。方差分析表明, 基因型、環(huán)境、互作和誤差可分別解釋表型變異的76.46%、8.18%、12.40%和2.96% (表1), 且β-葡聚糖含量在2個環(huán)境下的廣義遺傳力為73.9%, 說明大麥籽粒β-葡聚糖含量主要受遺傳控制。

**表示在0.01水平差異顯著。**Significant differences at= 0.01.

表1 119份栽培品種在2個不同環(huán)境中的β-葡聚糖含量方差分析

***表示在0.001水平差異顯著。***Significant differences at= 0.001.

2.2 β-葡聚糖含量的全基因組關(guān)聯(lián)分析

利用MLM模型對2個環(huán)境下的β-葡聚糖含量進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析, 當(dāng)閾值為-log10()≥3時, 在長興和慈溪2個環(huán)境型中分別檢測到7個和2個顯著位點(圖2和表2), 其中位于5號染色體的標(biāo)記M-3924095 (標(biāo)記編號4)在2個環(huán)境中均被檢測到。合并重疊的位點后得到8個顯著性位點, 分布在2號~7號染色體, 可解釋13.5%~16.98%的表型變異。

同時, 利用GLM模型對2個環(huán)境下的β-葡聚糖含量進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析, 當(dāng)閾值為-log10()≥4時, 在長興和慈溪分別檢測到32個和17個顯著位點(圖3和表3), 其中有9個位點在2個環(huán)境中均被檢測到。合并重疊的位點后得到40個顯著性位點, 分布在各條染色體, 可解釋12.24%~22.93%的表型變異。

比較以上2個關(guān)聯(lián)模型的結(jié)果, MLM模型和GLM模型有4個位點重疊, 分別是M-3262394、M-3924095、M-3263056和M-3911599; 合并2個模型的結(jié)果, 共得到了44個顯著位點。

A: 長興β-葡聚糖含量MLM曼哈頓圖; B: 慈溪β-葡聚糖含量MLM曼哈頓圖。水平線代表顯著相關(guān)的1E-03閾值。

A: Manhattan plot of MLM in CHX; B: Manhattan plot of MLM in CX. The horizontal line depicts the 1E-03 threshold for significant association.

表2 MLM模型下β-葡聚糖含量顯著相關(guān)的SNP位點(-log10(P) > 3)

a下畫線表示提高β-葡聚糖含量最佳等位基因。

aFavorable alleles for increasing β-glucan content are underlined. MAF: minor allele frequency.

2.3 最佳等位基因?qū)Ζ?葡聚糖含量的影響

為了明確檢測到的顯著性位點在大麥育種上利用價值, 在此我們引入最佳等位基因。對119份大麥籽粒β-葡聚糖含量和等位基因信息進(jìn)行方差分析, 可顯著提高β-葡聚糖含量的等位基因視為最佳等位基因(表2和表3)。在MLM模型和GLM模型中, 最佳等位基因的數(shù)量分別為0~7和3~30 (附表1), 且與β-葡聚糖含量呈顯著正相關(guān)(圖4)。

2.4 候選基因鑒定

在顯著性位點上下游100 kb范圍內(nèi)尋找候選基因, 基于MLM模型和GLM模型分別鑒定到17個和117個基因, 合并重合基因, 2個模型共鑒定到126個基因(表2和表3)?；蛟?個模型、2個地點均被鑒定到, 可認(rèn)為是和β-葡聚糖含量顯著相關(guān)的候選基因。該基因的注釋信息為MYB21轉(zhuǎn)錄因子。此外, 基于基因注釋, 共鑒定到10個與糖合成、轉(zhuǎn)運及分解相關(guān)的酶類基因, 這些基因可能與籽粒中β-葡聚糖的合成、積累和分解緊密相關(guān)。結(jié)合基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)信息, 發(fā)現(xiàn)這些候選基因在大麥不同組織和不同發(fā)育時期均有表達(dá)(圖5和附表2); 在后續(xù)研究可通過轉(zhuǎn)基因或者CRISPR/Cas9敲除, 進(jìn)一步驗證這些候選基因的功能。

A: 長興β-葡聚糖含量GLM曼哈頓圖; B: 慈溪β-葡聚糖含量GLM曼哈頓圖。水平線代表顯著相關(guān)的1E-04閾值。

A: Manhattan plot of GLM in CHX; B: Manhattan plot of GLM in CX. The horizontal line depicts the 1E-04 threshold for significant association.

A: MLM模型結(jié)果; B: GLM模型結(jié)果。

A: MLM model results; B: GLM model results.

基因在各個生長發(fā)育期的轉(zhuǎn)錄表達(dá)值以對數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后的取值范圍是–2.5~2.5, 紅色表示高表達(dá), 藍(lán)色表示低表達(dá), 灰色表示無表達(dá)。

For each period, the transcript expression values are calculated as LOG ranged from-2.5 to 2.5. Red blocks indicate high expression, blue indicate low expression, and gray mean no expression.

3 討論

本研究以119份大麥基因型為材料, 種植在土壤和氣候條件存在明顯差異的2個試點, 測定分析籽粒β-葡聚糖含量的基因型與環(huán)境差異。結(jié)果顯示, 供試的大麥群體中β-葡聚糖含量的基因型差異顯著, 其廣義遺傳力為73.9%, 證明β-葡聚糖含量主要受遺傳控制, 環(huán)境條件雖有一定影響, 但作用相對較小[18]。因此, 根據(jù)大麥的用途, 通過遺傳改良手段定向調(diào)控籽粒β-葡聚糖含量是現(xiàn)實可行的, 也是改善這一品質(zhì)性狀的有效途徑。

本研究利用2個關(guān)聯(lián)模型(MLM和GLM)鑒定調(diào)控籽粒β-葡聚糖含量的相關(guān)基因或位點, 共檢測到44個顯著位點, 分布于7條染色體上。在各個模型下, 兩試點中均有位點重合, 且2個模型之間也有部分位點重合。這些在不同環(huán)境或模型下均檢測到的位點, 可視為調(diào)控大麥籽粒β-葡聚糖含量的遺傳位點。另外, 發(fā)現(xiàn)了可顯著提高β-葡聚糖含量的等位基因, 即最佳等位基因。以上結(jié)果可為大麥分子標(biāo)記輔助育種提供相關(guān)信息, 即最佳等位基因數(shù)較多的大麥品種, 如藏青320和Ticn, 適用于食用大麥育種; 相反, 那些最佳等位基因數(shù)較少的大麥品種, 如崇穗刺毛大麥和崗2, 則適用于飼用或者啤用大麥品種的育種。

國際上已有一些關(guān)于大麥籽粒β-葡聚糖含量的關(guān)聯(lián)和連鎖分析研究[21-22], 結(jié)合前人研究結(jié)果, 發(fā)現(xiàn)本研究中所發(fā)掘的位點大多數(shù)為新位點。已有大量文獻(xiàn)顯示纖維素合成酶類基因?qū)Υ篼溩蚜＆?葡聚糖含量具有顯著效應(yīng), 尤其是和[7,10,23]。被認(rèn)為是調(diào)控β-葡聚糖合成的主要基因, 但本研究中未鑒定到該基因。這可能是由于基因在β-葡聚糖合成中十分重要, 其編碼區(qū)和啟動子區(qū)的核苷酸高度保守[24]; 也有可能是其有效等位基因的比率過低(低于0.05, 被過濾)以及本研究的群體數(shù)目和SNP標(biāo)記密度不夠等原因引起。不過, 類似的大麥β-葡聚糖含量的遺傳定位研究也有未鑒定到該基因的報道[18,25-27]。因此,在大麥β-葡聚糖合成中的作用是否存在基因型依賴性, 值得深入研究。

雖然沒有鑒定到已知與β-葡聚糖合成相關(guān)的基因, 但本研究鑒定到一些和糖代謝有關(guān)的酶類基因, 主要包括一些與糖轉(zhuǎn)運和糖降解有關(guān)的酶, 它們可能與β-葡聚糖含量存在一定的關(guān)聯(lián)。有研究表明, 水解酶和轉(zhuǎn)運酶在決定最終β-葡聚糖含量具有重要作用[28-30]。在β-葡聚糖合成過程中, 轉(zhuǎn)運酶負(fù)責(zé)催化糖基化反應(yīng)[28], 但是水解酶的具體作用尚不清楚, 仍需進(jìn)一步研究。同時也有報道顯示, 除纖維素合成酶類基因, 一些參與β-葡聚糖組裝的酶類基因也可能對β-葡聚糖最終含量具有顯著影響[31]。

本研究通過對大麥籽粒β-葡聚糖含量的GWAS分析, 其中大多數(shù)為新位點, 進(jìn)一步挖掘到到一些與糖轉(zhuǎn)運、降解相關(guān)的基因, 這與前人關(guān)注纖維素合成酶類基因的研究不同, 可為進(jìn)一步研究β-葡聚糖的遺傳調(diào)控提供了新的視角。

4 結(jié)論

本文采用GWAS方法, 分別用GLM和MLM兩種模型開展了大麥籽粒β-葡聚糖含量有關(guān)的遺傳調(diào)控機制解析及優(yōu)良等位基因鑒定的系統(tǒng)研究, 共鑒定到44個重合位點, 126個候選基因?；阼b定到的位點穩(wěn)定性和基因功能注釋, 共鑒定到11個可能與大麥籽粒β-葡聚糖合成、積累和分解緊密相關(guān)的酶類基因。該結(jié)果對于大麥品質(zhì)性狀形成和育種實踐具有較好的理論和應(yīng)用參考價值。

附表 請見網(wǎng)絡(luò)版: 1) 本刊網(wǎng)站http://zwxb.china-crops.org/; 2) 中國知網(wǎng)http://www.cnki.net/; 3) 萬方數(shù)據(jù)http://c.wanfangdata.com.cn/Periodical-zuowxb. aspx。

[1] Havrlentová M, Kraic J. Content of β-D-glucan in cereal grains., 2006, 45: 97–103.

[2] Zhang G, Chen J, Wang J, Ding S. Cultivar and environmental effects on (1→3, 1→4) β-D-glucan and protein content in malting barley., 2001, 34: 295–301.

[3] Jeroch H, D?nicke S. Barley in poultry feeding: a review., 1995, 51: 271–291.

[4] Mcnab J M. Barley β-glucan: an antinutritional factor in poultry feeding., 1992, 5: 45–60.

[5] Kerckhoffs D A J M, Hornstra G, Mensink R P. Cholesterol-lower ing effect of beta-glucan from oat bran in mildly hypercholesterolemic subjects may decrease when beta-glucan is incorporated into bread and cookies., 2003, 78: 221–227.

[6] Pear J R, Kawagoe Y, Schreckengost W E, Delmer D P, Stalker D M. Higher plants contain homologs of the bacterialgenes encoding the catalytic subunit of cellulose synthase., 1996, 93: 12637–12642.

[7] Doblin M S, Pettolmo F A, Wilson S M, Campbell R, Burton R A, Fincher G B, Newbigin E, Bacic A. A barley cellulose synthase-likegene mediates (1,3;1,4)-β-D-glucan synthesis in transgenicarabidopsis., 2009, 106: 5996–6001.

[8] Burton A R. Cellulose synthase-likegenes mediate the synthesis of cell wall (1,3;1,4)-β-D-glucans., 2006, 311: 1940–1942.

[9] Schreiber M, Wright F, Mackenzie K, Hedley P E, Schwerdt J G, Little A, Burton R A, Fincher G B, Marshall D, Waugh R, Halpin C. The barley genome sequence assembly reveals three additional members of the(1,3;1,4)-beta-glucan synthase gene family., 2014, 9: e90888.

[10] Burton R A, Collins H M, Kibble N A J, Smith J A, Shirley N J, Jobling S A, Henderson M, Singh R R, Pettolino F, Wilson S M, Bird A R, Topping D L, Bacic A, Fincher G B. Over-expression of specificcellulose synthase-like genes in transgenic barley increases the levels of cell wall (1,3;1,4)-β-D-glucans and alters their fine structure., 2011, 9: 117–135.

[11] Nemeth C, Freeman J, Jones H D, Sparks C, Pellny T K, Wilkinson M D, Dunwell J, Andersson A A M, ?man P, Guillon F, Saulnier L, Mitchell R A C, Shewry P R. Down-regulation of thegene results in decreased (1,3;1,4)-β-D-glucan in endosperm of wheat., 2010, 152: 1209–1218.

[12] Zhang C, Zhou Z, Yong H, Zhang X, Hao Z, Zhang F, Li M, Zhang D, Li X, Wang Z. Analysis of the genetic architecture of maize ear and grain morphological traits by combined linkage and association mapping., 2017, 130: 1011–1029.

[13] Tadesse W, Ogbonnaya F C, Jighly A, Sanchez-Garcia M, Sohail Q, Rajaram S, Baum M. Genome-wide association mapping of yield and grain quality traits in winter wheat genotypes., 2015, 10: e141339.

[14] Huang X, Wei X, Sang T, Zhao Q, Feng Q, Zhao Y, Li C, Zhu C, Lu T, Zhang Z. Genome-wide association studies of 14 agronomic traits in rice landraces., 2010, 42: 961.

[15] Houston K, McKim S M, Comadran J, Bonar N, Druka I, Uzrek N, Cirillo E, Guzy-Wrobelska J, Collins N C, Halpin C, Hansson M, Dockter C, Druka A, Waugh R. Variation in the interaction between alleles of HvAPETALA2 and microRNA172 determines the density of grains on the barley inflorescence., 2013, 110: 16675–16680.

[16] Comadran J, Kilian B, Russell J, Ramsay L, Stein N, Ganal M, Shaw P, Bayer M, Thomas W, Marshall D, Hedley P, Tondelli A, Pecchioni N, Francia E, Korzun V, Walther A, Waugh R. Natural variation in a homolog of Antirrhinum CENTRORADIALIS contributed to spring growth habit and environmental adaptation in cultivated barley., 2012, 44: 1388–1392.

[17] Ramsay L, Comadran J, Druka A, Marshall D F, Waugh R. INTERMEDIUM-C, a modifier of lateral spikelet fertility in barley, is an ortholog of the maize domestication gene TEOSINTE BRANCHED 1., 2011, 43: 169–172.

[18] Houston K, Russell J, Schreiber M, Halpin C, Oakey H, Washington J M, Booth A, Shirley N, Burton R A, Fincher G B. A genome wide association scan for (1,3;1,4)-β-glucan content in the grain of contemporary 2-row Spring and Winter barleys., 2014, 15: 907.

[19] Narasimhalu P, Kong D, Choo T M, Ho K M, Ferguson T, Therrien M C, May K W, Jui P. Effects of environment and cultivar on total mixed-linkage β-glucan content in eastern and western Canadian barleys (L.)., 1995, 75: 371–376.

[20] Yal?in E, ?elik S, Akar T, Sayim I, K?ksel H. Effects of genotype and environment on β-glucan and dietary fiber contents of hull-less barleys grown in Turkey., 2007, 101: 171–176.

[21] Houston K, Russell J, Schreiber M, Halpin C, Oakey H, Washington J M, Booth A, Shirley N, Burton R A, Fincher G B, Waugh R. A genome wide association scan for (1,3;1,4)-beta-glucan content in the grain of contemporary 2-row Spring and Winter barleys., 2014, 15: 907.

[22] Mohammadi M, Endelman J B, Nair S, Chao S, Jones S S, Muehlbauer G J, Ullrich S E, Baik B, Wise M L, Smith K P. Association mapping of grain hardness, polyphenol oxidase, total phenolics, amylose content, and β-glucan in US barley breeding germplasm., 2014, 34: 1229–1243.

[23] Little A, Schwerdt J G, Shirley N J, Khor S F, Neumann K, O Donovan L A, Lahnstein J, Collins H M, Henderson M, Fincher G B. Revised phylogeny of the cellulose synthase gene superfamily: insights into cell wall evolution., 2018, 177: 1124–1141.

[24] Garcia-Gimenez G, Russell J, Aubert M K, Fincher G B, Houston K. Barley grain (1,3;1,4)-β-glucan content: effects of transcript and sequence variation in genes encoding the corresponding synthase and endohydrolase enzymes.(UK), 2019, 9: 17250.

[25] Oziel A, Hayes P M, Chen F Q, Jones B. Application of quantitative trait locus mapping to the development of winter-habit malting barley., 2010, 115: 43–51.

[26] Islamovic E, Obert D E, Oliver R E, Harrison S A, Ibrahim A, Marshall J M, Miclaus K J, Hu G, Jackson E W. Genetic dissection of grain beta-glucan and amylose content in barley (L.)., 2013, 31: 15–25.

[27] Panozzo J F, Eckermann P J, Mather D E, Moody D B, Black C K, Collins H M, Barr A R, Lim P, Cullis B R. QTL analysis of malting quality traits in two barley populations., 2007, 58: 858–866.

[28] Hrmova M, Farkas V, Lahnstein J, Fincher G B. A barley xyloglucan xyloglucosyl transferase covalently links xyloglucan, cellulosic substrates, and (1,3;1,4)-β-D-glucans., 2007, 282: 1295112962.

[29] Hrmova M, Banik M, Harvey A J, Garrett T P J, Fincher G B. Polysaccharide hydrolases in germinated barley and their role in the depolymerization of plant and fungal cell walls., 1997, 21: 67–72.

[30] Chen S C, Luchsinger W W. The mechanism of action of malt β-glucanases. VI. Hydrolysis of barley β-D-glucan by endo-β-glucanases from germinated barley., 1964, 106: 71–77.

[31] Hrmova M, Fincher G B. Dissecting the catalytic mechanism of a plant β-D-glucan glucohydrolase through structural bio-logy using inhibitors and substrate analogues., 2007, 342: 1613–1623.

Genome-wide association study of β-glucan content in barley grains

GENG La1, HUANG Ye-Chang2, LI Meng-Di1, XIE Shang-Geng1, YE Ling-Zhen1,3,*, and ZHANG Guo-Ping1

1Institute of Crop Science, Zhejiang University, Hangzhou 310058, Zhejiang, China;2Wenzhou Vocational College of Science and Technology, Wenzhou 325000, Zhejiang, China;3New Rural Development Institute, Zhejiang University, Hangzhou 310058, Zhejiang, China

β-glucan is an important trait in barley, as its content greatly affects the quality in the applications of malting, feeding, and food. Although the genes associated with β-glucan synthesis have been reported, genetic regulation of β-glucan accumulation in barley grains is still unclear. In this study, genome-wide association study (GWAS) with mixed linear model (MLM) and general linear model (GLM) was performed to analyze the grain β-glucan content of 119 barley germplasms collected from worldwide previously, which were planted at two plots with certain differences in soil and climate conditions. The results showed β-glucan content in barley grains was significantly different in genotypes and the heritability of β-glucan was 73.9% in two environments. There were eight and 40 loci for grain β-glucan content detected by MLM and GLM, respectively. A total of 44 loci were obtained by combining the same loci of the two models.gene identified in both models and sites was considered as a putative candidate gene significantly associated with β-glucan content. Significantly positive correlation was detected between grain β-glucan content and the number of favorable alleles in both models. In addition, 10 enzymatic genes related to sugar synthesis, transport and decomposition were identified based on gene annotations. These genes may significantly relate to β-glucan synthesis, accumulation and hydrolysis. The results provided a new insight into the genetic regulation of β-glucan accumulation and laid a foundation for the genetic improvement breeding of barley seed β-glucan.

barley; β-glucan; genome-wide association study (GWAS); SNP loci; favorable allele

10.3724/SP.J.1006.2021.01074

本研究由浙江省自然科學(xué)基金項目(LGN20C130007), 國家自然科學(xué)基金項目(31701411)和國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(CARS-05)資助。

This study was supported bythe Science and Technology Program of Zhejiang Province (LGN20C130007), the National Natural Science Foundation of China (31701411), and the China Agriculture Research System (CARS-05).

葉玲珍, E-mail: Yelingzhen@zju.edu.cn

E-mail:21816022@zju.edu.cn

2020-08-23;

2020-12-01;

2020-12-30.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20201230.1429.002.html