马铃薯块茎淀粉含量基因定位及分子标记开发

来源 :马铃薯产业与种业创新 | 被引量 : 0次 | 上传用户:garry0809
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马铃薯(Solanum tuberosum L.)是重要的粮食作物、经济作物,在保障粮食安全、脱贫致富和农民增收等方面发挥重要作用。马铃薯淀粉是优质淀粉,淀粉含量占块茎鲜重的10%~25%,具有糊化温度低、粘度高、吸水性强、透明度好、膨胀力高等特点,在食品及化学工业等方面具有重要作用。随着对优质淀粉需求量不断加大,人们对马铃薯块茎淀粉含量要求越来越高。但大多数马铃薯栽培种淀粉含量较低,因此,快速选育高淀粉的优质马铃薯品种,已成为重要的育种目标之一。在以往的研究中,栽培种马铃薯复杂的四倍体遗传特性极大地增加了研究其遗传规律的困难,制约了马铃薯块茎淀粉含量的遗传研究,使得马铃薯块茎高淀粉育种工作进展缓慢。因此,挖掘马铃薯块茎发育过程中控制淀粉形成的关键基因,是培育高淀粉含量马铃薯品种的关键基础。而筛选与关键基因紧密连锁的分子标记,可加快马铃薯块茎高淀粉育种进程,但针对四倍体栽培种开发分子标记难度较大,在前人的研究中,多以二倍体为研究材料,将开发的二倍体马铃薯标记应用于四倍体马铃薯材料中,由于复杂的遗传方式,导致目的性状与标记产生分离,筛选准确率降低,研究结果很难与常规育种工作相结合。随着高通量测序技术的发展,测序技术为快速挖掘基因、开发功能标记提供快速方式。为筛选控制块茎淀粉含量基因,研究构建了"大西洋"(块茎淀粉含量19.55%)、"定薯1号"(块茎淀粉含量12.95%)为亲本的F1分离群体,采用BSA混池测序的方式,挖掘控制四倍体马铃薯关键淀粉含量基因所在区域,并开发分子标记。研究结果将为马铃薯块茎淀粉含量分子遗传改良提供基因资源和理论基础,开发出的分子标记可应用于马铃薯块茎淀粉含量育种中。2019年亲本及F1分离群体种植于东北农业大学向阳实验基地,采取完全随机区组设计, 2次重复,单行种植,行长5 m,行距0.8 m,每行种植20株,正常田间管理,收获后各小区随机选取10个块茎用于块茎淀粉含量测定。从F1分离群体中筛选23份高淀粉家系及20份低淀粉家系分别构建极端高淀粉DNA混池,进行BSA混池测序,同时对亲本进行重测序。2个亲本池及2个极端样品混池共得到179 425 828条高质量reads,其中,"大西洋"获得45 544 783条reads,"定薯1号"获得45 862 067条reads, 2个混池过滤后获得的reads数分别为42 961 728和45 057 241。将测序数据通过bowtie 2程序比对至参考基因组,双亲及极端混池比对结果分别为87.24%、 87.59%、 88.34%、 87.13%,其测序质量合格,建库测序成功,达到SNP分型要求。经初步整理过滤,共获得46 103个原始SNP、 InDel位点,对reads小于10×的、混池间无多态性、亲本表型为纯和的位点及样本有缺失的位点进行过滤,过滤后得到17 306个SNP、 In Del位点。利用ED方法进行关联分析,在3号染色体55.06~60.44 Mb处关联到1个与块茎淀粉含量相关的区间,该区间大小为5.38 Mb。根据定位区域与基因位置,使用NR、 Tr EMBL、 KEGG、 GO、 KOG、swissprot、 PFAM共7个功能数据库对候选基因进行功能注释,共筛选并注释了983个候选基因,候选基因较多,有待进一步对候选基因进行验证。根据双亲重测序信息,使用Primer Premier 5在区间内开发SSR引物,以双亲为模板筛选多态性引物,进而使用F1分离群体中57份高淀粉材料、 13份低淀粉材料筛选引物,其中,在57份高淀粉材料中使用SSR22检测出46份材料,准确率为80.70%;在13份低淀粉材料中检测出11份材料,准确率为84.62%。选取56个马铃薯栽培品种对SSR22进行检测,其中,中高淀粉材料为9份、低淀粉材料为22份。检测结果表明,共检测出6份中高淀粉材料品种,对应度达66.67%;检测出14份中高淀粉材料品种,对应度达63.64%,该引物可用于马铃薯淀粉含量分子标记辅助育种中。将该分子标记命名为pChr3-22。研究结果可为马铃薯块茎高淀粉含量育种提供有用的分子标记,也可为后续挖掘影响马铃薯块茎淀粉合成的关键基因、关键基因功能验证及分析基因的调控网络指引方向。
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