普通小麦春化基因ZCCT-2标记开发和我国小麦春化基因组成与抽穗期关系分析

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小麦的春化特性主要受春化基因控制,决定小麦的冬春性和抽穗开花,并影响其环境适应性。研究春化基因及其组成,对小麦引种和生态育种具有指导意义。本研究克隆了普通小麦京411的ZCCT-A2、ZCCT-B2、ZCCT-D2基因序列(包括启动子和基因组编码区),开发分子标记。利用前人和本研究的分子标记,检测370份全国不同麦区小麦品种(系)春化基因组成,分析比较春化基因在不同麦区的分布特点;通过田间和可控温室抽穗期鉴定,分析基因组成与抽穗期表型之间关系。获得主要结果如下:1、克隆了普通小麦春化基因ZCCT-2,并开发了分子标记。为了了解小麦春化基因ZCCT-2的序列特征,克隆获得了普通小麦品种京411的ZCCT-2三个同源基因的全长序列,其中ZCCT-A2长3545 bp,位于5A染色体的长臂上;ZCCT-B2长3852 bp,位于4B染色体的长臂上;ZCCT-D2长3858 bp,位于4D染色体的长臂上。三个同源基因ZCCT-A2、ZCCT-B2、ZCCT-D2的基因组编码区都是由两个外显子和一个内含子组成,预测氨基酸组成的一致性高达91.74%,并且结构域部分高度保守,说明ZCCT-2三个同源基因具有相似功能。通过将ZCCT-2基因与供体基因比对发现,品种京411 ZCCT-A2的c DNA和Triticum urartu的c DNA有99.22%的一致性,ZCCT-B2的c DNA和Aegilops speltoides有94.52%的一致性,ZCCT-D2的c DNA和Aegilops tauschii有98.44%的一致性,说明在小麦的进化历程中ZCCT-A2要比ZCCT-B2和ZCCT-D2更为保守。由于ZCCT基因冬春性主要与其缺失型(null form)和无功能型(nonfunctional form)两种变异类型有关。为了便于对缺失型等位变异的检测,在ZCCT-2启动子部分设计了检测引物VZ2ABD-F2/R1,分别扩增ZCCT-A2(375 bp)、ZCCT-B2(357 bp)、ZCCT-D2(382 bp)的启动子区;为了便于对无功能型等位变异的检测,在第二外显子部分设计了特异引物,EX2ZCCTA2-F1/R1、EX2ZCCTB2-F1/R1、EX2ZCCTD2-F1/R1,分别扩增ZCCT-A2(682 bp)、ZCCT-B2(891 bp)、ZCCT-D2(667 bp)的第二外显子部分,通过测序验证,结果证明标记可靠。这些分子标记的开发都将有利于了解ZCCT-2基因对小麦冬春性的影响。2、明确了我国小麦春化基因组成及其与抽穗期之间关系。利用已有的和本文中的功能分子标记,对370份全国不同麦区的小麦品种(系)的春化基因型组成、抽穗期表型鉴定,分析了春化基因与表型关系。春化基因VRN-A1位点有26份材料为显性等位变异类型,占7.0%;有3个新的等位变异,占0.8%;VRN-B1位点有57份材料为显性等位变异类型,占15.4%;VRN-D1位点有155份材料为显性等位变异类型,占41.9%;VRN-B3位点有3份材料为显性等位变异类型,占0.8%。根据不同的麦区特点,对春化基因进行统计发现,Vrn-A1显性等位变异在西北春麦区(68.2%)分布最高,在北部冬麦区(0%)和黄淮冬麦区(0%)分布最低;VRN-B1显性等位变异在西北春麦区(68.2%)分布最高,在北部冬麦区(0%)分布最低;VRN-D1显性等位变异在长江中下游冬麦区(92.4%)分布最高,在北部冬麦区(0%)分布最低;370份小麦品种中VRN-B3主要以隐性等位变异类型vrn-B3组成(99.2%),仅在春麦区中检测出显性等位变异类型,但是分布很少。可以看出春化基因VRN-A1、VRN-B1的显性等位变异总体呈现出以北部冬麦区向四周递增的趋势;VRN-D1的显性等位变异类型则是随着纬度的增高而减少。春化基因ZCCT启动子区的检测结果表明,我国普通小麦ZCCT-1、ZCCT-2存在着多态性,三个同源基因存在不同的缺失组合类型。ZCCT-1位点主要以ZCCT-A1缺失类型存在,所占比例为26.9%,ZCCT-2位点主要以ZCCT-B2缺失类型存在,所占比例为51.1%。通过ZCCT基因启动子区缺失的不同组合类型与田间抽穗期的组合分析,结果表明,在田间环境下,ZCCT基因启动子区不同的缺失类型对抽穗期的影响很小,说明抽穗是受多基因调控的复杂生理过程;将ZCCT-2基因启动子区缺失的不同组合类型与田间小麦抗冻性性状的组合分析,结果表明,ZCCT-2基因不同的缺失类型和抗冻性状之间的相关系数为0.262,达到了显著水平,说明自然条件下ZCCT-2基因与抗冻性相关。3、发现了普通小麦品种内VRN2无功能型等位变异。对材料PH1521的ZCCT基因测序分析,在ZCCT-B1位点发现了新的等位变异类型,该变异类型第二外显子部分存在两个SNP位点,既第227位碱基由T突变成C,第280位碱基由A突变成了G,由此造成第二外显子所编码蛋白,在93位由甘氨酸(G)突变成了天冬氨酸(D),温室表型鉴定,该基因的变异品种在长日照可控温室(16h,20℃)能不经春化就完成抽穗,并且抽穗期仅为50d;对材料XN6426的ZCCT基因测序分析,在ZCCT-D1位点发现了新的等位变异类型,该变异类型启动子部分存在一个SNP位点,既起始密码子上游第76位碱基由C突变成T,温室表型鉴定,该基因的变异品种在长日照可控温室(16h,20℃)能不经春化就完成抽穗,并且抽穗期仅为53d。
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