野生大豆(Glycine soja Sieb.et Zucc.)染色体片段代换系群体的构建及其主要性状基因/QTL的片段定位

来源 :南京农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xyy2017
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大豆[Glycine max (L.) Merr.]原产于我国,是当今世界上最重要的植物蛋白与植物油的来源。一年生野生大豆(简称野生大豆)是栽培大豆的野生祖先,具有多花多荚、蛋白质含量高及耐逆性强等优点,蕴藏着许多能拓宽栽培大豆遗传基础的有益基因。然而在利用野生大豆的过程中,其蔓生性和小粒性等不利基因常与有益基因存在着较强的连锁,直接利用存在一定的困难。染色体片段代换系(CSSL)除了目标基因/QTL所在染色体片段来自供体外,基因组其余部分都来自受体,是研究数量性状遗传基础、基因/QTL精细定位和图位克隆等的理想材料。本研究以熟期组Ⅴ的优良品种南农1138-2为遗传背景,构建了一套覆盖整个的野生大豆N24852(熟期组Ⅲ)基因组的染色体片段代换系群体;利用该套群体对大豆11个主要性状进行了基因/QTL的片段定位;同时以3个优良大豆品种和13个优异种质为材料,通过连续回交和自交的方法构建了一套大规模的高代回交导入系群体,并对该群体部分家系进行了基本形态农艺性状的表型评价,鉴定出了多个特定性状的导入系群体。本研究的主要结果如下:1.建立了连续回交和回交-自交交替的CSSL构建策略针对很难获得大量大豆杂交种子的问题,建立了连续回交和回交-自交交替的方式构建染色体片段代换系群体,同时构建DNA池进行分子标记辅助选择。按照上述方法,经过总计8代的自交和回交及2个世代的分子标记辅助选择,就构建了一套覆盖整个野生大豆基因组染色体片段代换系群体。2.野生大豆染色体片段代换系群体SojaCSSLP1的构建及评价以大豆优良品种南农1138-2为受体,野生大豆N24852为供体,按照上述构建策略,构建了一套以栽培大豆南农1138-2为背景覆盖整个野生大豆N24852基因组的染色体片段代换系群体SojaCSSLP1。这套群体由151个家系组成。根据151个SSR标记的分析结果,CSSL的受体遗传背景回复率变化在80.4~99.8%,平均95.7%;其中20个CSSL携带1个野生片段,32个CSSL携带2个野生片段,每个CSSL平均携带3.2个纯合野生片段和0.9个分离片段;代换片段长度最小为2.7cM,最大为代换整条染色体97.3cM,纯合野生片段平均长度为24.0cM。对SojaCSSLP1进行开花期、株高、主茎节数、分枝数、叶柄夹角、百粒重、蛋白质含量、油脂含量、生长习性、荚色和种皮色等11个性状的表型评价,发现群体均值(多数CSSL的表型)均回归到轮回亲本表型值,并均能检测到与轮回亲本差异显著(P<0.001)的CSSL;除开花期极端个体回复到野生亲本表型外,其余性状的极端个体仅能表现部分程度的野生性,反映了性状部分片段代换的特点。以上表明野生片段的导入引起了代换系广泛的变异。这套覆盖整个野生大豆基因组的CSSL群体将为大豆遗传和功能基因组分析提供一个新的材料平台。3.野生和栽培大豆间主要性状基因/QTL片段定位利用151个野生大豆CSSL,对质量性状采取分离群体分组分析(BSA)的方法,对数量性状采取单标记分析、区间作图、复合区间作图及差异CSSL间比对等方法,对11个大豆主要性状基因/QTL的相关染色体片段进行定位,检测到:(1)2个开花期QTL片段Satt243、Satt192和Satt302,分别分布在大豆的第10(O)和12(H)染色体上,相关的野生等位基因分别具有推迟大豆开花4.8天、3.0天和3.1天的加性效应;这些位点(片段)分别能解释14-59%的表型变异。其中片段Satt243上的开花期位点,能分别被前人在另2个不同栽培大豆组合和1个栽培大豆/半野生大豆组合中检测到,且与E2基因距离约15cM;片段Satt192上的开花期位点,能分别被前人在另2个栽培大豆组合中检测到;说明这两个片段上的开花期位点是栽培和野生大豆共有的开花期等位变异分化位点(片段)。(2)4个大豆主茎节数QTL片段SOYGPATR、Satt243、Satt192和Sat286,分别分布在大豆第4(C1)、10(O)、12(H)和19(L)染色体上,相关的野生等位基因分别具有增加主茎节数1.6节、2.0节、2.4节和3.9节的加性效应;这些位点(片段)分别能解释7-43%的表型变异。片段Satt243上的主茎节数位点,能被前人在另一栽培大豆中检测到,是栽培和野生大豆共有的主茎节数等位变异分化位点(片段)。其余片段上的主茎节数位点为本研究的新发现,这些片段上栽培大豆中尚未发现有主茎节数等位变异分化,遗传分化还只反映在栽培和野生两物种间。(3)4个株高QTL片段Satt338、Satt243、Satt314和Sat286,分别分布在大豆第4(C1)、10(O)、12(H)和19(L)染色体上,相关的野生等位基因分别具有增加株高6.3 cm、12.1 cm、10.5 cm和19.0 cm的加性效应,相关位点分别能解释6~42%的表型变异。其中有3个片段上的株高位点能分别被前人在栽培大豆中检测到,是栽培和野生大豆共有的株高等位变异分化位点(片段)。片段Satt338是本研究新发现的,该片段上栽培大豆中尚未发现有株高等位变异分化,遗传分化还只反映在栽培和野生两物种间。(4)3个大豆分枝数QTL片段Sat160、Satt129、Satt274和Satt207-AW132402,分别分布在大豆第1(D1a)、2(D1b)和8(A2)染色体上,相关的野生等位基因分别具有增加分枝数0.7个、10.7个和0.5个的加性效应,分别能解释7~13%的表型变异。与前人研究相比,这些分枝数QTL片段均为本研究利用野生大豆的新发现,这些片段上栽培大豆上尚未发现有分枝数等位变异分化,遗传分化还只反映在栽培和野生两物种间。(5)5个叶柄夹角QTL片段Satt207、Satt588、Satt243、Satt353-Sctt009 和 Sat286,分别分布在大豆第8(A2)、9(K)、10(O)、12(H)和19(L)染色体上,相关的野生等位基因分别具有增加叶柄夹角6度、6度、3度、7度和10度的加性效应,分别能解释1~22%的表型变异。目前尚未见到叶柄夹角QTL定位相关报道,缺少可比性,这5个片段上的叶柄夹角QTL为本研究利用野生大豆的新发现。(6)7个百粒重QTL片段Satt216、Sct191、Sctt009、Satt314、Satt168、Satt212和Sat224,分别分布在大豆第2(D1b)、4(C1)、12(H)、14(B2)、15(E)和16(J)染色体上,相关的野生等位基因分别具有减小百粒重1.8g、0.7g、1.7g、2.4g、1.8g、1.6g和1.5 g的加性效应,这些位点分别能解释8~15%的表型变异。其中有5个片段上的百粒重QTL能被前人在栽培大豆中检测到,是栽培和野生大豆共有的百粒重等位变异分化位点(片段),另两个片段Satt216和Sat 224是本研究新发现的,该片段上栽培大豆中尚未发现有百粒重等位变异分化,遗传分化还只反映在栽培和野生两物种间。(7)4个蛋白质含量QTL片段Satt378、Satt066-Satt063、Sat286 和 Satt239,分别分布在大豆第8(A2)、14(B2)、19(L)和20(Ⅰ)染色体上,除片段Sat286上的野生蛋白质含量等位基因具有降低蛋白质含量0.93%的加性效应外,其余片段上的野生等位基因分别具有增加蛋白质含量1.31%、0.76%和1.18%的加性效应,这些片段上的蛋白质含量位点分别能解释5~10%的表型变异。这4个片段上的蛋白质含量位点均能被前人在栽培大豆中检测到,是栽培和野生大豆共有的分化位点(片段)。(8)6个油脂含量QTL片段Sat351-BE021153、Sct191、Satt243、Satt212、 Satt369-BE347343和Satt239,除了Sct 191上的野生油脂含量等位基因具有增加油脂含量0.41%的加性效应外,其余片段上的野生等位基因分别具有降低油脂含量0.6~0.9%的加性效应,这些位点分别能解释8~12%的表型变异。这6个片段上的油脂含量位点均能被前人在栽培大豆中检测到,是栽培和野生大豆共有的分化位点(片段)。(9)3个大豆荚色基因片段Sct195、Satt273和Satt313,分别分布在大豆第3(N)、9(K)和19(L)染色体上,野生片段Sct195上的荚色等位基因能使大豆荚色表现为棕色,其余片段上的野生荚色等位基因能均能使大豆荚色表现为黑色。其中片段Sct 195和片段Satt313上的荚色基因均能被前人在栽培大豆中检测到,是栽培和野生大豆共有的分化位点(片段)。另一个片段为本研究的新发现,该片段上栽培大豆中尚未发现有荚色等位变异分化,遗传分化还只反映在栽培和野生两物种间。(10)1个大豆生长习性基因片段Sat286,来自野生大豆的等位基因能使大豆表现无限生长。该片段上的生长习性基因能被前人在栽培大豆和野生大豆中同时检测到,是栽培和野生大豆共有的生长习性等位变异分化位点(片段)。(11)7个大豆种皮色基因片段Sat160、Sct195、Satt236、Satt100、Satt316、 AW132402、Satt453和Satt114,分别分布在大豆第1(D1a)、3(N)、5(A1)、6(C2)、8(A2)、11(B1)和13(F)染色体上,其中来自片段Sat160、Satt236.Satt453和Satt114上的野生种皮色等位基因能使大豆种皮表现为绿色,其余野生等位基因使大豆种皮表现为黑色。位于片段Sat 160和AW132402上的种皮色基因均能被前人在栽培大豆中检测到,是栽培和野生大豆共有的种皮色等位变异分化位点(片段),另5个片段上的种皮色基因为本研究的新发现,该片段上栽培大豆中尚未发现有种皮色等位变异分化,遗传分化还只反映在栽培和野生两物种间。本研究共累计检测到46个(次)与11个大豆主要性状相关的基因/QTL片段。与前人研究结果比较,有多达24个位点(片段)与前人在栽培豆中的定位结果具有可比性,说明野生与栽培大豆间、栽培与栽培大豆间在这些位点(片段)上均存在等位变异分化;另22个位点(片段)为本研究利用野生大豆新发现的,说明在这些位点上栽培大豆中尚未发现有等位变异分化,遗传分化还只反映在栽培和野生两物种间。这些基因/QTL相关的染色体片段分布在除了第7、17和18染色体以外的17条大豆染色体上,其中有10个染色体片段与2个及2个以上性状相关,4个染色体片段与3个以上性状相关。其中,来自于Chr.1 0(O)上的染色体片段Satt243Sat190同时影响开花期、株高、主茎节数、油脂含量和叶柄夹角等5个性状;来自于Chr.19(L)上的染色体片段Sat 286同时影响株高、主茎节数、叶片夹角、生长习性和蛋白质含量等5个性状。同一个染色体片段影响多个性状可能是性状相关乃至基因多效的遗传基础。4.大豆高代回交导入系群体构建及表型鉴定以南农1138-2、南农88-31和南农86-4为轮回亲本与13个来自各地的优异种质进行2~5次回交和2次以上自交,构建了6300余份由18个组合构成的高代回交导入系群体。对该套群体进行主要形态农艺性状调查,鉴定出了89个与轮回亲本差异在-12天~19天的开花期导入系、2对开花期分别相差11天和15天的剩余杂合系(RHL)、29个表现亚有限和无限的生长习性导入系、6个表现有限与亚有限分离的RHL、13个表现有限与无限分离的RHL、62个与轮回亲本差异-42-56cm的株高导入系、2个株高分离的RHL、66个与轮回亲本差异-13.01-5.87g的百粒重导入系、60个比轮回亲本蛋白质含量提高5.74~11.03%的高蛋白导入系和35个比轮回亲本提高1.66~3.18%的高油脂含量导入系,这些特定性状的导入系与轮回亲本相比存在广泛的变异,能为相关性状的研究提供丰富的遗传材料和育种材料。
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