基于QTL和转录组技术筛选甘蓝型油菜脂肪酸组成成分候选基因

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油菜是世界上最重要的油料作物之一,菜籽油因其脂肪酸组成的多样性,被广泛应用于食品加工、清洁燃料及工业生产中。在我国油菜有限的种植面积下,根据生产需要改善菜籽油脂肪酸组分是当前油菜育种的主要任务之一。所以研究油菜种子脂肪酸代谢的遗传机制和挖掘优良候选基因对于改善菜籽油脂肪酸组分具有重要意义。本研究以人工合成甘蓝型油菜10D130和甘蓝型油菜常规品种中双11构建的高世代重组自交系(RIL)为研究材料,分别于2016-2017年和2017-2018年2个年度在重庆市北碚区2个不同的环境中设置田间试验,并收获自交种子,采用气相色谱法3次重复对种子的脂肪酸组分进行测定。利用油菜6K SNP芯片对该RIL群体进行基因分型,取最小阈值LOD 2.0构建高密度遗传连锁图谱。采用完备区间作图法对油菜成熟籽粒的硬脂酸、油酸、亚油酸、亚麻酸、廿碳烯酸和芥酸的百分比含量进行了数量性状位点(Quantitative trait loci,QTL)定位。最后选取花后25天籽粒脂肪酸组成差异较大的三个材料,通过转录组测序和分析,对甘蓝型油菜种子的脂肪酸代谢机制进行了较为深入的剖析,并结合QTL定位鉴定了一些重要的候选基因。主要研究结果及结论如下:(1)高密度遗传连锁图谱的构建。利用油菜6K SNP芯片对RIL群体186个株系进行基因分型,构建了一张包含1 897个SNP标记的高密度遗传连锁图谱。该遗传图谱覆盖甘蓝型油菜基因组3 214.19 c M(覆盖A和C基因组的长度分别是1 746.27和1 467.92 c M),相邻标记间的平均遗传距离为1.69 c M,具有较高的QTL检测效率和精度。(2)油菜种子主要脂肪酸含量的QTL定位。2种环境中,RIL群体中6种脂肪酸含量在株系间的差异均达到显著或极显著水平,且各性状在2个环境中均表现为连续分布,适合进行QTL检测。利用高密度遗传连锁图谱在2个环境中鉴定到6个与硬脂酸含量相关的QTL,3个与油酸含量相关的QTL,4个与亚油酸含量相关的QTL,5个与亚麻酸含量相关的QTL,2个与廿碳烯酸含量相关的QTL和3个与芥酸含量相关的QTL。共23个QTL位点分布在A01、A02、A05、A08、A09、A10、C03和C07染色体上,其中在A05、A08和C03染色体上发现多种脂肪酸含量的QTL“富集区”,且有4个主效QTL(q A08ST-1,q A05LI,q C03LI-1,q C07LN)是利用RIL群体新鉴定到的。(3)油酸下游两条代谢途径的竞争不平衡性的部分遗传基础。根据表型相关性分析和QTL相关性分析发现,芥酸含量在A08和C03染色体上的2个主效QTL对于油酸含量也是主效位点,而亚油酸含量在A05染色体上的主效QTL对于油酸只是微效位点;芥酸含量在A08染色体上的主效QTL同时也是亚油酸含量的QTL,而A05染色体上亚油酸含量的主效QTL并不是芥酸含量的QTL,不能解释芥酸含量的表型变异。揭示了油酸下游两条代谢途径的竞争不平衡性,其“加碳”途径比“脱氢”途径更具优势:前者制约着亚油酸的含量,而后者则对芥酸含量的影响不大。(4)整合QTL和转录组测序进行关键候选基因的鉴定。通过将脂肪酸含量QTL区间的标记信息锚定在甘蓝型油菜Darmor全基因组上,确定每个QTL区间的差异表达基因并用拟南芥基因功能注释油菜基因,挑选出与油脂代谢相关的差异表达候选基因。最终获得了9个有待进一步功能验证的关键差异表达候选基因:Bna A02g01770D、Bna A05g25110D、Bna A05g25260D、Bna A05g26900D、Bna A08g11130D、Bna A10g13450D、Bna C03g65000D、Bna C03g65980D和Bna C03g68310D,主要通过编码二酰甘油酰基转移酶、脂肪酸去饱和酶、脂肪酸延长酶、磷脂酸磷酸酶和参与酰基辅酶A生物合成等途径调控油脂的生物合成和代谢。
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