中国农业科学 ›› 2023, Vol. 56 ›› Issue (18): 3500-3510.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2023.18.002
于永超(), 范文静(
), 刘明, 张强强, 赵鹏, 靳容, 王静, 朱晓亚, 唐忠厚(
)
收稿日期:
2023-04-03
接受日期:
2023-05-08
出版日期:
2023-09-16
发布日期:
2023-09-21
通信作者:
联系方式:
于永超,E-mail:yychaomail@163.com。范文静,E-mail:1394441094@qq.com。于永超和范文静为同等贡献作者。
基金资助:
YU YongChao(), FAN WenJing(
), LIU Ming, ZHANG QiangQiang, ZHAO Peng, JIN Rong, WANG Jing, ZHU XiaoYa, TANG ZhongHou(
)
Received:
2023-04-03
Accepted:
2023-05-08
Published:
2023-09-16
Online:
2023-09-21
摘要:
【目的】解析甘薯氮高效利用的遗传机制,挖掘氮利用性状的关联位点及氮高效候选基因,为甘薯氮高效型分子育种、品种遗传改良提供支持。【方法】以来自世界各地的129个甘薯栽培种为材料,设置缺氮(0 mmol·L-1纯氮)和正常氮(14 mmol·L-1纯氮)处理,采用水培试验对甘薯苗期地上部生物增加量、地下部生物增加量、地上部氮累积量、地下部氮累积量、地上部氮生理利用效率和地下部氮生理利用效率共6个表型性状进行基于混合线性模型(mixed linear model,MLM)的全基因组关联分析(genome-wide association study,GWAS)。根据分析结果确定氮高效候选基因,并对候选基因进行RT-qPCR验证。【结果】6个甘薯苗期氮高效利用性状在正常氮和缺氮处理条件下存在着广泛变异。其中,缺氮处理条件下,地上部生物增加量变异系数最大,为69.5%;地下部氮生理利用效率变异系数最小,为12.1%。除地下部氮生理利用效率外,其他5个性状彼此均显著相关。GWAS定位到与地上部生物增加量、地下部生物增加量、地下部氮累积量和地上部氮生理利用效率4个性状显著关联的134个区段内888个SNP位点。筛选、过滤得到与地上部氮生理利用效率显著关联且可靠性较高的10个区段内的93个SNP标记,基因注释得到6个甘薯氮高效候选基因。RT-qPCR验证认为3个候选基因(itf01g08120.t1、itf01g22030.t1和itf01g22100.t2)分别编码谷氨酸脱氢酶、NPH3蛋白和TIP41-like蛋白,具有进一步研究价值。【结论】在129份甘薯种质资源中共检测到888个与甘薯苗期氮高效利用性状关联的SNP位点,其中,与地上部氮生理利用效率显著相关的SNP位点93个,筛选、鉴定到6个甘薯氮高效利用的候选基因。itf01g08120.t1、itf01g22030.t1和itf01g22100.t2存在进一步研究价值。
于永超, 范文静, 刘明, 张强强, 赵鹏, 靳容, 王静, 朱晓亚, 唐忠厚. 甘薯苗期氮高效利用性状的GWAS分析及候选基因的筛选与验证[J]. 中国农业科学, 2023, 56(18): 3500-3510.
YU YongChao, FAN WenJing, LIU Ming, ZHANG QiangQiang, ZHAO Peng, JIN Rong, WANG Jing, ZHU XiaoYa, TANG ZhongHou. Genome-Wide Association Study of Nitrogen Use Efficient Traits in Sweetpotato Seeding Stage and Screening and Validation of Candidate Genes[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2023, 56(18): 3500-3510.
表1
内参及氮高效候选基因引物序列"
基因 Gene | 正向引物 Forward primer (5′-3′) | 反向引物 Reverse primer (5′-3′) |
---|---|---|
Actin | AGCAGCATGAAGATTAAGGTTGTAGCAC | TGGAAAATTAGAAGCACTTCCTGTGAAC |
itf01g08120.t1 | GGTGGATCTCTAGGCAGGGA | TATCGCACCAGTGGCATCAC |
itf01g22030.t1 | AGACTCTGATGAAACTAGCGGT | CGGGGAAAGCTTGAGACCAT |
itf01g22080.t2 | CTTCTGATCAGCTCCTCCGC | GTCCCAGAAGGCACACACTT |
itf01g22100.t2 | GGAGGGCGACCAGAAAGAAT | GGAGCACTTGCGAGACTCAA |
itf01g22400.t1 | ATGCTTCCTTCTTAACTGCCG | ACTCTATCCATTTTGGCTGGC |
itf01g25900.t1 | TCAAGAGCATTACCCGCCAG | TGGTCCACCCTCTGATGAAC |
表2
氮高效利用性状的统计分析"
性状 Trait | 正常氮处理CK | 低氮处理N0 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
最大值 Max | 最小值 Min | 平均数 Mean | 变异系数 CV (%) | 最大值 Max | 最小值 Min | 平均值 Mean | 变异系数 CV (%) | |
地上部生物增加量 Shoot biomass increment (g) | 3.39 | 0.16 | 1.43 | 46.6 | 2.75 | 0.01 | 0.82 | 69.5 |
地下部生物增加量 Root biomass increment (g) | 1.57 | 0.08 | 0.65 | 46.9 | 1.61 | 0.12 | 0.61 | 51.7 |
地上部氮累积量 Shoot N accumulation (g/plant) | 0.247 | 0.030 | 0.108 | 36.2 | 0.120 | 0.012 | 0.043 | 53.6 |
地下部氮累积量 Root N accumulation (g/plant) | 0.061 | 0.002 | 0.023 | 50.6 | 0.032 | 0.003 | 0.012 | 51.4 |
地上部氮生理利用效率 Shoot N physiological utilization efficiency (%) | 21.18 | 2.17 | 12.87 | 21.8 | 40.10 | 0.70 | 18.52 | 42.4 |
地下部氮生理利用效率 Root N physiological utilization efficiency (%) | 58.97 | 22.33 | 29.81 | 15.9 | 74.63 | 38.11 | 52.45 | 12.1 |
表3
氮高效利用性状的相关性分析"
性状 Trait | 地上部生物 增加量 Shoot biomass increment | 地下部生物 增加量 Root biomass increment | 地上部氮 累积量 Shoot N accumulation | 地下部氮 累积量 Root N accumulation | 地上部氮生理 利用效率 Shoot N physiological utilization efficiency | 地下部氮生理 利用效率 Root N physiological utilization efficiency |
---|---|---|---|---|---|---|
地上部生物增加量 Shoot biomass increment | 1.000 | |||||
地下部生物增加量 Root biomass increment | 0.620** | 1.000 | ||||
地上部氮累积量 Shoot N accumulation | 0.686** | 0.711** | 1.000 | |||
地下部氮累积量 Root N accumulation | 0.643** | 0.986** | 0.753** | 1.000 | ||
地上部氮生理利用效率 Shoot N physiological utilization efficiency | 0.806** | 0.316** | 0.226** | 0.312** | 1.000 | |
地下部氮生理利用效率 Root N physiological utilization efficiency | -0.230** | -0.129 | -0.356** | -0.261** | -0.050 | 1.000 |
表4
地上部氮生理利用效率关联位点"
染色体 Chromosome | 物理位置 Position (Mb) | SNP个数 No. of SNPs | P |
---|---|---|---|
Chr.1 | 6.6806—6.8006 | 1 | 8.95904493533599 |
22.0211—22.0411 | 2 | 9.25247697926448 | |
22.5536—22.7536 | 11 | ||
22.8065—23.1636 | 48 | ||
23.7800—24.0800 | 6 | ||
24.6486—24.6686 | 1 | ||
25.5962—25.8837 | 3 | ||
Chr.8 | 4.5428—4.7648 | 7 | 10.16845708524990 |
Chr.13 | 20.3201—20.3592 | 3 | 8.80255904945633 |
20.8716—20.9597 | 11 |
[1] |
王欣, 李强, 曹清河, 马代夫. 中国甘薯产业和种业发展现状与未来展望. 中国农业科学, 2021, 54(3): 483-492.
doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2021.03.003 |
doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2021.03.003 |
|
[2] |
唐忠厚, 李洪民, 张爱君, 史新敏, 魏猛, 陈晓光, 丁艳锋. 甘薯叶光合特性与块根主要性状对氮素供应形态的响应. 植物营养与肥料学报, 2013, 19(6): 1494-1501.
|
|
|
[3] |
doi: 10.1007/s42994-020-00027-w pmid: 36304130 |
[4] |
赵鹏, 刘明, 靳容, 陈晓光, 张爱君, 唐忠厚, 魏猛. 长期施用有机肥对潮土区甘薯碳氮积累与分配的影响. 中国农业科学, 2021, 54(10): 2142-2153.
doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2021.10.010 |
|
|
[5] |
doi: 10.1093/jxb/erv127 pmid: 25873660 |
[6] |
doi: 10.3389/fpls.2017.01634 pmid: 28983307 |
[7] |
doi: 10.1007/s10681-022-03130-9 |
[8] |
doi: 10.1007/s12298-021-01085-0 |
[9] |
doi: 10.1038/ng.2958 pmid: 24777451 |
[10] |
doi: 10.1016/j.molp.2021.04.012 |
[11] |
doi: 10.1038/s41467-017-02781-w |
[12] |
曹志斌, 李瑶, 曾博虹, 毛凌华, 蔡耀辉, 吴晓峰, 袁林峰. 非洲栽培稻垩白粒率耐热性QTL的定位. 中国水稻科学, 2020, 34(2): 135-142.
doi: 10.16819/j.1001-7216.2020.9086 |
|
|
[13] |
doi: 10.1007/s00122-013-2201-y pmid: 24072207 |
[14] |
pmid: 16189659 |
[15] |
doi: 10.1007/s001220051466 |
[16] |
doi: 10.1038/s41576-019-0127-1 pmid: 31068683 |
[17] |
doi: 10.1002/tpg2.v14.1 |
[18] |
doi: 10.1007/s00122-019-03473-3 pmid: 31720701 |
[19] |
doi: 10.1186/s12284-018-0262-x |
[20] |
doi: 10.1186/s12870-019-2165-4 pmid: 31805861 |
[21] |
|
[22] |
doi: 10.1016/j.cj.2021.12.006 |
[23] |
doi: 10.1038/s41586-020-03091-w |
[24] |
doi: 10.1093/dnares/dsz018 pmid: 31377774 |
[25] |
马猛. 紫甘薯SSR标记遗传图谱构建及主要农艺性状QTL定位[D]. 北京: 中国农业科学院, 2021.
|
|
|
[26] |
宁运旺, 马洪波, 张辉, 汪吉东, 许仙菊, 张永春. 甘薯源库关系建立、发展和平衡对氮肥用量的响应. 作物学报, 2015, 41(3): 432-439.
|
doi: 10.3724/SP.J.1006.2015.00432 |
|
[27] |
刘明, 李洪民, 张爱君, 陈晓光, 靳容, 蒋薇, 唐忠厚. 不同氮肥与密度水平对鲜食甘薯产量和品质的影响. 华北农学报, 2020, 35(1): 122-130.
doi: 10.7668/hbnxb.20190278 |
doi: 10.7668/hbnxb.20190278 |
|
[28] |
范文静, 刘明, 赵鹏, 张强强, 吴德祥, 郭鹏宇, 朱晓亚, 靳容, 张爱君, 唐忠厚. 甘薯苗期耐低氮基因型筛选及不同氮效率类型综合评价. 中国农业科学, 2022, 55(10): 1891-1902.
doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2022.10.002 |
doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2022.10.002 |
|
[29] |
doi: 10.1006/meth.2001.1262 |
[30] |
doi: 10.1038/ng.548 pmid: 20208533 |
[31] |
doi: 10.1186/s13059-019-1648-9 pmid: 30791928 |
[32] |
贵会平, 董强, 张恒恒, 王香茹, 庞念厂, 王准, 刘记, 郑苍松, 付小琼, 张西岭, 宋美珍. 棉花苗期耐低氮基因型初步筛选. 棉花学报, 2018, 30(4): 326-337.
|
|
|
[33] |
房增国, 高璐阳. 8个鲜食型甘薯品种的氮营养差异研究. 作物杂志, 2015(1): 86-90.
|
|
|
[34] |
李强, 赵海, 靳艳玲, 朱金城, 马代夫. 中国甘薯产业助力国家粮食安全的分析与展望. 江苏农业学报, 2022, 38(6): 1484-1491.
|
|
|
[35] |
严勇亮, 张恒, 张金波, 时晓磊, 耿洪伟, 肖菁, 路子峰, 倪中福, 丛花. 春小麦主要籽粒性状的全基因组关联分析. 麦类作物学报, 2022, 42(10): 1182-1191.
|
|
|
[36] |
doi: 10.1038/srep19444 |
[37] |
doi: 10.1007/s11738-998-0033-1 |
[38] |
邱旭华. 水稻氮代谢基础研究: 谷氨酸脱氢酶作用的分子机理[D]. 武汉: 华中农业大学, 2009.
|
|
|
[39] |
doi: 10.1270/jsbbs.19014 |
[40] |
doi: 10.1111/wre.2004.44.issue-4 |
[41] |
乔新荣, 陈琼. 植物向光素信号通路中NPH3蛋白的研究进展. 植物生理学报, 2015, 51(6): 829-834.
|
|
|
[42] |
doi: 10.1093/plcell/koaa037 |
[43] |
doi: 10.1038/s41598-019-55429-8 |
[44] |
|
[45] |
doi: 10.1111/nph.v233.2 |
[46] |
doi: 10.1038/45287 |
[47] |
doi: 10.1016/j.devcel.2021.03.022 |
[48] |
梁喜欢, 龚丝雨, 尼金玉, 杨帅强, 王子璇, 王俊, 刘齐元. 不同基因型烟草氮代谢关键酶活性对低氮胁迫的响应. 分子植物育种, 2020, 18(22): 7554-7561.
|
|
[1] | 谭力治, 赵毅强. 全基因组关联分析中混合模型的原理、优化与应用[J]. 中国农业科学, 2023, 56(9): 1617-1632. |
[2] | 王慧玲, 闫爱玲, 王晓玥, 刘振华, 任建成, 徐海英, 孙磊. 葡萄果粒质量相关性状全基因组关联分析[J]. 中国农业科学, 2023, 56(8): 1561-1573. |
[3] | 王脉, 董清峰, 高珅奥, 刘德政, 卢山, 乔朋放, 陈亮, 胡银岗. 小麦苗期根系性状的全基因组关联分析与优异位点挖掘[J]. 中国农业科学, 2023, 56(5): 801-820. |
[4] | 杨明路, 张海亮, 罗汉鹏, 黄锡霞, 张翰林, 章施施, 王炎, 刘林, 郭刚, 王雅春. 基于智能项圈系统荷斯坦牛发情相关指标的遗传参数估计及全基因组关联分析[J]. 中国农业科学, 2023, 56(5): 995-1006. |
[5] | 高广亮, 张克山, 赵献芝, 许国洋, 谢友慧, 周莉, 张昌莲, 王启贵. 全基因组关联分析筛选鹅蛋品质相关分子标记[J]. 中国农业科学, 2023, 56(19): 3894-3904. |
[6] | 杨胜男, 程莉, 谈月霞, 朱延松, 江东. 宽皮柑橘褐斑病抗性的全基因组关联分析[J]. 中国农业科学, 2023, 56(18): 3642-3654. |
[7] | 李周帅,董远,李婷,冯志前,段迎新,杨明羡,徐淑兔,张兴华,薛吉全. 基于杂交种群体的玉米产量及其配合力的全基因组关联分析[J]. 中国农业科学, 2022, 55(9): 1695-1709. |
[8] | 桑世飞, 曹梦雨, 王亚男, 王君怡, 孙晓涵, 张文玲, 姬生栋. 水稻氮高效相关基因的研究进展[J]. 中国农业科学, 2022, 55(8): 1479-1491. |
[9] | 职蕾,者理,孙楠楠,杨阳,Dauren Serikbay,贾汉忠,胡银岗,陈亮. 小麦苗期铅耐受性的全基因组关联分析[J]. 中国农业科学, 2022, 55(6): 1064-1081. |
[10] | 逄洪波, 程露, 于茗兰, 陈强, 李玥莹, 吴隆坤, 王泽, 潘孝武, 郑晓明. 栽培稻芽期耐低温全基因组关联分析[J]. 中国农业科学, 2022, 55(21): 4091-4103. |
[11] | 谢晓宇, 王凯鸿, 秦晓晓, 王彩香, 史春辉, 宁新柱, 杨永林, 秦江鸿, 李朝周, 马麒, 宿俊吉. 陆地棉吐絮率的限制性两阶段多位点全基因组关联分析及候选基因预测[J]. 中国农业科学, 2022, 55(2): 248-264. |
[12] | 崔鹏,赵逸人,姚志鹏,庞林江,陆国权. 低温对甘薯淀粉理化特性及代谢关键基因表达量的影响[J]. 中国农业科学, 2022, 55(19): 3831-3840. |
[13] | 常立国,何坤辉,刘建超. 多环境下玉米保绿相关性状遗传位点的挖掘[J]. 中国农业科学, 2022, 55(16): 3071-3081. |
[14] | 李婷,董远,张君,冯志前,王亚鹏,郝引川,张兴华,薛吉全,徐淑兔. 玉米杂交种穗部性状的全基因组关联分析[J]. 中国农业科学, 2022, 55(13): 2485-2499. |
[15] | 王娟, 马晓梅, 周小凤, 王新, 田琴, 李成奇, 董承光. 棉花产量构成因素性状的全基因组关联分析[J]. 中国农业科学, 2022, 55(12): 2265-2277. |
|