大豆開花期性狀QTL定位和候選基因挖掘

劉薇，王玉斌，李偉，張禮鳳，王彩潔，徐冉，戴海英，張彥威

（山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所/山東省特色作物工程實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南，250100）

大豆是典型的短日作物，對光周期極為敏感[1，2]。同一品種在不同緯度地區(qū)間引種時，常因日照長度的變化導(dǎo)致開花期提前或延后，造成產(chǎn)量下降甚至顆粒無收。因此，大豆存在單一品種適應(yīng)性狹窄的特性，這一特性給大豆的遠(yuǎn)距離引種和高油高蛋白等優(yōu)良品種的全國性推廣帶來巨大困難。關(guān)注大豆開花位點(diǎn)及關(guān)鍵基因調(diào)控開花的分子機(jī)制，對培育廣適性大豆品種具有重要的指導(dǎo)意義。

QTL定位方法的發(fā)展促進(jìn)了大豆開花等數(shù)量性狀相關(guān)位點(diǎn)的發(fā)掘。截至目前，大豆的開花期主效位點(diǎn)E1～E11，J和Tof11，Tof12相繼被發(fā)現(xiàn)[3]。其中E系列基因中的E1～E4與大豆品種的生態(tài)適應(yīng)性密切相關(guān)。E1編碼豆科植物特有的轉(zhuǎn)錄因子，對開花期及生育期的影響最為突出。該基因在長日條件下誘導(dǎo)表達(dá)，是重要的開花抑制基因[4]。E2基因是擬南芥GIGANTEA（GI）的同源基因GmGIɑ[5]，E3，E4基因分別為大豆光敏色素A基因GmPHYA3[6]和Gm-PHYA2[7]，二者協(xié)同調(diào)控E1的表達(dá)。E1，E2，E3和E4在長日條件下通過下調(diào)開花促進(jìn)基因GmFT2ɑ和GmFT5ɑ的表達(dá)而延遲大豆的開花和成熟[4,5,8]。E1-E4基因型的組合雖然與大豆品種的生態(tài)適應(yīng)性密切相關(guān)[9]，但研究發(fā)現(xiàn)，在E1～E4基因型相同的群體中仍存在開花成熟時間差異較大的現(xiàn)象，說明可能還存在其它影響開花期和成熟期的基因[10]。

本研究利用滑皮豆和齊黃26 構(gòu)建的重組自交系群體，對其F8:9和F8:10進(jìn)行2年的開花期數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)合前期利用SLAF測序獲得的高密度遺傳圖譜[11]，對開花期性狀進(jìn)行了QTL 定位分析，并篩選出了4個開花期調(diào)控的候選基因。研究結(jié)果將為理解大豆開花和適應(yīng)性機(jī)制提供理論基礎(chǔ)，為大豆廣適育種提供新的基因資源。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究所用材料為滑皮豆和齊黃26 雜交構(gòu)建的重組自交系群體（Recombinant Inbred Lines,RILs），該群體含有149 個家系。前期基因組測序結(jié)果顯示[11]，母本滑皮豆與父本齊黃26 生育期基因E1～E4的基因型相同，均為E1e2ɑsE3-HɑE4。

1.2 方法

1.2.1 開花期的統(tǒng)計(jì) 將RIL 群體F8:9和F8:10代分別于2013 年和2014 年6 月種植在山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院濟(jì)南試驗(yàn)地。每個家系種一行，行長3 m，行距50 cm,株距10 cm，3 次重復(fù)。約50%的植株開花時的日期記為初花期。

1.2.2 QTL分析 采用分析軟件SPSS對群體2013年和2014 年開花期表型數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。利用前期構(gòu)建的高密度遺傳圖譜[11]，采用QTLICIMapingV4.2 軟件中的ICIM-ADD 方法進(jìn)行大豆開花期性狀的QTL 分析。以似然函數(shù)比值對數(shù)值（logarithm of odds, LOD）＞2.5 為依據(jù)確定QTL。QTL 的命名方式為：q+FT+染色體編號+QTL編號。

1.2.3 候選基因預(yù)測 利用Soybase 數(shù)據(jù)庫（https://www. soybase. org/sbt/）提取QTL 位點(diǎn)間的所有基因，以親本基因組測序結(jié)果為依據(jù)，篩選出QTL 位點(diǎn)區(qū)間內(nèi)且CDS 區(qū)在雙親間存在變異的基因。利用Soybase 中的Go enrichment 工具對基因進(jìn)行GO分析；利用Uniprot 數(shù)據(jù)庫（https://www.uniprot.org/）及基因?qū)?yīng)的擬南芥同源基因的功能篩選出開花調(diào)控候選基因。

2 結(jié)果與分析

2.1 大豆RIL群體開花表型分析

親本和RIL 群體在2013 和2014 年的開花表型分析結(jié)果見表1。結(jié)果表明，群體中的開花期存在一定的差異，其中2013年開花期在36～50 d之間，標(biāo)準(zhǔn)差為2.65，峰度為0.31，偏度為0.15；2014 年開花期在36～49 d 之間，標(biāo)準(zhǔn)差為2.90，峰度為-0.47，偏度為-0.07。開花期的峰度和偏度的絕對值均小于1（表1）。群體開花期數(shù)據(jù)分布近似正態(tài)分布（圖1），適合進(jìn)行QTL定位。

表1 親本和群體開花期數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Flowering time statistical analysis result of the parents and the population

圖1 RIL群體兩年開花期表型數(shù)據(jù)頻率分布Fig.1 Frequency distribution of soybean flowering time in RIL population over 2 years

2.2 大豆開花期性狀QTL定位及分析

利用ICIM-ADD 方法對大豆開花期性狀進(jìn)行QTL 定位。檢測到11 個與開花時間相關(guān)的QTL（圖2），分別位于6，8，11，14，16，19，20 這7 條染色體上（圖2，表2）。所有QTL 的LOD 值在3.83～13.55 之間，表型貢獻(xiàn)率在1.75%～8.25%之間。qFT6-1、qFT8、qFT11-1、qTF19、qFT20-1和qFT20-2在2013年和2014 年均被檢測到，其中qFT6-1的表型貢獻(xiàn)率最高，在2013 年和2014 年分別是8.25% 和7.13%，LOD 值分別是10.92 和13.55。6 個穩(wěn)定QTL 位點(diǎn)中僅有qFT11-1的加性效應(yīng)為負(fù)值，表現(xiàn)為負(fù)遺傳效應(yīng)，其它5個位點(diǎn)的加性效應(yīng)均為正值，即表現(xiàn)為正遺傳效應(yīng)。另外，還檢測到了5 個單一環(huán)境下的QTL 位點(diǎn)，即qFT6-2，qFT11-2，qFT11-3，qFT14和qFT16。通過Soybase 數(shù)據(jù)庫分析發(fā)現(xiàn)，本研究檢測到的所有位點(diǎn)中有7個與已報道的開花相關(guān)QTL 交叉重合，其它4 個QTL（qFT8、qFT20-2、qFT14和qFT16）是新的QTL（表2）。

表2 大豆開花期QTL定位結(jié)果Table 2 Details of QTLs associated with flowering time in soybean

圖2 不同環(huán)境下開花期相關(guān)QTL位點(diǎn)Fig.2 QTL associating with flowering time detected under different environments

2.3 QTL區(qū)間內(nèi)基因注釋和候選基因的篩選

對6 個在兩個環(huán)境中穩(wěn)定存在的QTL 位點(diǎn)，包括4 個已經(jīng)報道的QTL（qFT6-1，qFT11-1，qFT19和qFT20-1）以及2個新的QTL（qFT8和qFT20-2）進(jìn)行候選基因的分析。6個QTL區(qū)間內(nèi)共有121個基因。親本基因組測序結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)有53 個基因CDS 區(qū)在雙親間存在變異（表3）。GO 分析結(jié)果顯示，這些基因主要參與生物過程和分子功能。生物過程涉及到花發(fā)育調(diào)控，如雄蕊發(fā)育、花瓣發(fā)育、胚珠發(fā)育以及防御反應(yīng)等；分子功能涉及到轉(zhuǎn)錄因子活性，如蛋白激酶活性、蛋白磷酸化活性等（圖3）。根據(jù)GO 分析結(jié)果，Uniprot 數(shù)據(jù)庫注釋信息以及擬南芥同源基因的功能分析，篩選出4 個開花期調(diào)控的候選基因（表4）。Glymɑ. 06g191800和Glymɑ. 20g153 600分別位于已報道的QTL（qFT6-1和qFT20-1）區(qū)間內(nèi)。Glymɑ. 08g039800和Glymɑ. 20g154200分別位 于 新 的QTL（qFT8和qFT20-2）區(qū) 間 內(nèi)。Glymɑ.06g191800編碼一個bHLH 轉(zhuǎn)錄因子，是擬南芥開花促進(jìn)基因PRE3（AT1G74500）[16]的同源基因。相比于父本齊黃26，母本滑皮豆中該基因第二個外顯子區(qū)處增加了4 個堿基，導(dǎo)致移碼突變。Glymɑ. 08g039800在滑皮豆中第563 個氨基酸由半胱氨酸變?yōu)榫彼?，是擬南芥開花促進(jìn)基因VRN5（AT3G24440）[17]的同源基因；Glymɑ.20g153600具有磷酸轉(zhuǎn)移酶活性，在滑皮豆中第37個氨基酸由脯氨酸變成絲氨酸，第232 個氨基酸由纈氨酸變成苯丙氨酸，與擬南芥開花促進(jìn)基因PGM1（AT5G51820）[18，19]同 源。Glymɑ. 20g154200是MADS-Box 家族轉(zhuǎn)錄因子，在母本滑皮豆中第2 個氨基酸由丙氨酸變?yōu)槔i氨酸，第105 個氨基酸由天冬氨酸變?yōu)楦拾彼幔菙M南芥開花促進(jìn)基因AGL42（AT5G62165）[20]的同源基因。

表3 兩個環(huán)境均檢測到的QTL位點(diǎn)信息Table 3 Informationof QTLs identified in 2 years

表4 大豆開花期性狀候選基因信息Table 4 Information of the candidate genes related to flowering time of soybean

圖3 穩(wěn)定QTL區(qū)間內(nèi)基因GO分析Fig.3 GO annotation of genes in stable QTL interval

3 討論

開花期是影響大豆生長、決定大豆適應(yīng)性和產(chǎn)量的重要因素。生育期主效基因E1-E4基因型的組合與大豆品種的生態(tài)適應(yīng)性密切相關(guān)[9]，但是，在這些生育期基因背景相同的群體中，仍存在開花成熟時間相差較大的現(xiàn)象[10]，說明可能還存在其它影響開花期的基因。通過滑皮豆和齊黃26 的基因組測序結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)[11]，二者的E1-E4基因型相同，因此利用二者構(gòu)建的RIL 群體進(jìn)行開花期的QTL 定位，能夠消除主效基因E1-E4的遺傳效應(yīng)，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)影響開花期的其它相關(guān)QTL位點(diǎn)。

本研究共發(fā)現(xiàn)了11 個QTL 位點(diǎn)，其中6 個QTL位點(diǎn)在兩個環(huán)境中穩(wěn)定存在，另外5 個QTL 位點(diǎn)僅在單一環(huán)境下存在，說明這些QTL 位點(diǎn)極易受到環(huán)境的影響。所有QTL 位點(diǎn)中，有7 個位點(diǎn)（qFT6-1、qFT11-1、qFT11-2、qFT11-3、qFT19、qFT6-2和qFT20-1）被前人報道。其中，qFT6-1位于First flower 26-2區(qū)間內(nèi)[12]，qFT11-1位于Yamanaka 等定位的First flower 8-4的位點(diǎn)區(qū)間內(nèi)[13]；qFT19位于Komatsu等定位的First flower 15-2位點(diǎn)的區(qū)間內(nèi)[14]；qFT20-1與Khan 等定位到的開花位點(diǎn)First flower 16-3交叉重合[15]。這4個被報道的位點(diǎn)在本研究的兩個環(huán)境中穩(wěn)定存在，說明其受環(huán)境影響較小，是較為穩(wěn)定的QTL。另外，本研究還鑒定到4 個新的QTL，其 中qFT8和qFT20-2在2013 年和2014 年的兩個環(huán)境中均被檢測到，可能是控制開花期重要的新位點(diǎn)。

基于QTL 定位結(jié)果，本研究對在兩個環(huán)境中都存在的QTL 位點(diǎn)進(jìn)行了候選基因的挖掘。通過親本序列分析以及區(qū)間內(nèi)基因的信息分析，篩選出4個可能參與開花期調(diào)控的候選基因。其中，Glymɑ. 06g191800和Glymɑ. 20g153600所在的QTL 位點(diǎn)（qFT6-1和qFT20-1）與前人報道的QTL 位點(diǎn)重合[12,15]。bHLH 是植物中的一個龐大的轉(zhuǎn)錄因子家族，擬南芥中該家族成員參與花期調(diào)控[21～23]。本研究中篩選的基因Glymɑ. 06g191800編碼一個bHLH轉(zhuǎn)錄因子，是擬南芥PRE3的同源基因。擬南芥中研究發(fā)現(xiàn)，PRE1及其同源基因（PRE2,3,4,5）的過量表達(dá)會導(dǎo)致花期提前[16]。值得注意的是，Glymɑ.06g191800的CDS 區(qū)在母本滑皮豆中發(fā)生了移碼突變，導(dǎo)致編碼產(chǎn)物從第18個之后的氨基酸全部發(fā)生了變化。因此，Glymɑ. 06g191800可能是qFT6-1位點(diǎn)中的重要花期調(diào)控候選基因。在擬南芥的研究中發(fā)現(xiàn)，PGM1編碼磷酸葡萄糖變位酶，能夠促進(jìn)葉片淀粉的合成，同時在短日條件下促進(jìn)開花[18，19]。本研究中位于qFT20-1位點(diǎn)區(qū)間內(nèi)的基因Glymɑ.20g153600是PGM1的同源基因，且在滑皮豆中發(fā)生了氨基酸的替換。擬南芥中，VRN5通過調(diào)節(jié)開花抑制基因FLOWERING LOCUS C（FLC）和FLOWERING LOCUS M（FLM）的表達(dá)促進(jìn)開花[17]；MADS-box 家族基因AGL42通過赤霉素途徑促進(jìn)莖尖和腋生分生組織開花[20]。本研究中來自于新的QTL 位點(diǎn)（qFT8和qFT20-2）的2 個大豆開花調(diào)控候選基因Glymɑ.08g039800和Glymɑ.20g154200分別是上述擬南芥VRN5和AGL42的同源基因，且在母本滑皮豆中發(fā)生了氨基酸的替換，推測可能參與大豆的開花調(diào)控。后期需要對這些候選基因進(jìn)行功能分析以闡明其功能和作用機(jī)制。

4 結(jié)論

本研究以滑皮豆和齊黃26 雜交衍生的高世代RIL 群體，利用前期構(gòu)建的高密度遺傳圖譜，進(jìn)行QTL 定位。共獲得了11 個開花期相關(guān)QTL，其中4個未被報道。對QTL 區(qū)間內(nèi)基因進(jìn)行生物信息學(xué)分析，篩選出4 個與大豆開花期調(diào)控相關(guān)的候選基因，為大豆廣適育種提供了一定的基因資源。