中国农业科学 ›› 2023, Vol. 56 ›› Issue (5): 801-820.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2023.05.001
王脉1(), 董清峰1, 高珅奥1, 刘德政1, 卢山1, 乔朋放1, 陈亮1, 胡银岗1,2()
收稿日期:
2022-10-06
接受日期:
2022-12-13
出版日期:
2023-03-01
发布日期:
2023-03-13
通信作者:
胡银岗,E-mail:huyingang@nwafu.edu.cn
联系方式:
王脉,E-mail:599157540@qq.com。
基金资助:
WANG Mai1(), DONG QingFeng1, GAO ShenAo1, LIU DeZheng1, LU Shan1, QIAO PengFang1, CHEN Liang1, HU YinGang1,2()
Received:
2022-10-06
Accepted:
2022-12-13
Published:
2023-03-01
Online:
2023-03-13
摘要:
【目的】植物根系对水分及营养的获取、作物的生长发育和产量的形成至关重要。挖掘小麦苗期根系性状显著关联的SNP位点,预测相关候选基因,为解析小麦根系建成遗传机制及选育具有优良根系构型的小麦品种奠定基础。【方法】以189份小麦品种组成的自然群体为供试材料,调查2种培养条件(霍格兰营养液和去离子水)下培育21 d的苗期根系总长度(TRL)、根系总表面积(TRA)、根系总体积(TRV)、根系平均直径(ARD)及根系干重(RDW)等5个根系性状,试验进行2次重复,同时结合小麦660K SNP芯片的分型结果进行全基因组关联分析(genome-wide association study,GWAS)。此外,通过序列比对、结构域分析和注释信息预测候选基因,并采用竞争性等位基因特异性PCR(kompetitive allele specific PCR,KASP)技术开发根系性状的分子标记。【结果】霍格兰营养液培养条件下的根系性状变异范围较大,根系整体粗短;而去离子水条件下的根系细长、侧根较多。选用贝叶斯信息与连锁不平衡迭代嵌套式模型(BLINK)、压缩式混合线性模型(CMLM)、固定随机循环概率模型(FarmCPU)以及混合线性模型(MLM)4个模型,结合2种培养条件下的根系性状进行全基因关联分析,共检测到95个与小麦苗期根系性状显著关联的QTL位点(P<10-3),其中,有18个QTL在2个条件下同时被检测到,分布在7A、1B、2B、3B、7B、1D、2D及3D染色体,可解释8.68%—14.07%的表型变异。筛选获得的显著性位点中,有4个与前人的研究相近或一致,其余为新发现QTL位点。对共定位的SNP进行单倍型分析,有10个SNP能够将供试材料分为2种单倍型,且单倍型间的根系性状具有显著差异,同时,基于这些SNP开发KASP标记,筛选到与根系总体积及根系干重相关的2个KASP标记(XNR7143和XNR3707)。进一步挖掘共定位SNP位点上下游区间内的基因,筛选到12个可能与根系发育相关的候选基因,其中,TraesCS7A02G160600编码酰基载体蛋白合成酶,参与根系脂肪酸的合成;TraesCS1B02G401800编码突触融合蛋白,对植物重力向性具有重要作用;TraesCS7B02G417900编码醛脱氢酶,参与脱落酸的合成,从而调控作物根系发育。【结论】小麦根系性状在不同基因型间差异显著,在2个条件下同时检测到18个显著QTL位点,开发了2个根系分子标记(XNR7143和XNR3707),并筛选出12个与根系性状相关的候选基因。
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表1
多态性KASP标记的引物序列"
标记名称 KASP name | 引物序列 Primer sequence (5′-3′) | |
---|---|---|
XNR7143 | F-P | GAAGGTGACCAAGTTCATGCTgtgacatggaggacgctgc |
V-P | GAAGGTCGGAGTCAACGGATTgtgacatggaggacgctgt | |
R-P | tcgtggagaacatcttgcgt | |
XNR3707 | F-P | GAAGGTGACCAAGTTCATGCTtgcatcatagtacataccactgc |
V-P | GAAGGTCGGAGTCAACGGATTtgcatcatagtacataccactgt | |
R-P | aattggcgacattgggagac |
表2
不同处理下小麦种质各根系性状的描述统计分析"
培养条件 Environment | 性状 Traits | 变异范围 Range | 均值 Mean | 标准差 SD | 变异系数 CV (%) |
---|---|---|---|---|---|
霍格兰营养液 HL | 根系总长度TRL (cm) | 8.42—141.54 | 43.73 | 23.57 | 52.69 |
根系总表面积TRA (cm2) | 2.09—33.15 | 12.53 | 6.47 | 51.62 | |
根系总体积TRV (cm3) | 0.03—1.37 | 0.41 | 0.27 | 66.38 | |
根系平均直径ARD (mm) | 0.43—1.40 | 0.95 | 0.21 | 22.13 | |
根系干重RDW (g) | 0.0010—0.0180 | 0.0061 | 0.0025 | 40.31 | |
去离子水 PW | 根系总长度TRL (cm) | 49.45—348.24 | 211.01 | 51.68 | 24.49 |
根系总表面积TRA (cm2) | 10.20—39.22 | 25.27 | 5.62 | 22.26 | |
根系总体积TRV (cm3) | 0.13—0.61 | 0.32 | 0.08 | 25.52 | |
根系平均直径ARD (mm) | 0.33—1.09 | 0.4304 | 0.07 | 15.43 | |
根系干重RDW (g) | 0.0088—0.0244 | 0.0171 | 0.0030 | 17.76 |
表3
小麦种质各根系性状的方差分析及广义遗传力"
性状 Traits | 基因型 Genotype | 处理 Treatment | 基因型×处理 Genotype×Treatment | 广义遗传力(H2) Broad-sense heritability (%) | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
F | <BOLD>P</BOLD> | <BOLD>F</BOLD> | <BOLD>P</BOLD> | <BOLD>F</BOLD> | <BOLD>P</BOLD> | |||
根系总长度 TRL (cm) | 7.35 | 4.79E-79*** | 10443.99 | 5.35E-45*** | 6.74 | 3.99E-72*** | 62.40 | |
根系总表面积 TRA (cm2) | 6.19 | 1.47E-65*** | 2328.39 | 1.61E-220*** | 5.26 | 4.72E-54*** | 64.24 | |
根系总体积 TRV (cm3) | 4.55 | 9.65E-45*** | 83.44 | 7.64E-19*** | 4.15 | 2.06E-39*** | 62.88 | |
根系平均直径 ARD (mm) | 5.14 | 1.59E-52*** | 5089.04 | 3.69E-56*** | 5.07 | 1.35E-51*** | 60.41 | |
根系干重 RDW (g) | 24.51 | 5.27E-221*** | 33559.75 | 4.19E-40*** | 18.23 | 2.19E-183*** | 65.30 |
表4
小麦各染色体SNP标记的数目及多态性"
染色体 Chromosome | 标记数目 No. of markers | 长度 Length (Mb) | 标记密度 Density of markers | 遗传多样性 Genetic diversity | 多态信息含量 PIC |
---|---|---|---|---|---|
1A | 19003 | 594.10 | 0.03 | 0.3251 | 0.2642 |
1B | 16540 | 689.99 | 0.04 | 0.3851 | 0.3036 |
1D | 7935 | 495.45 | 0.06 | 0.3349 | 0.2713 |
2A | 22510 | 780.80 | 0.03 | 0.3567 | 0.2892 |
2B | 19755 | 801.26 | 0.04 | 0.3651 | 0.2906 |
2D | 7174 | 651.85 | 0.09 | 0.3689 | 0.2930 |
3A | 12754 | 750.84 | 0.06 | 0.3687 | 0.2927 |
3B | 36612 | 830.83 | 0.02 | 0.3518 | 0.2870 |
3D | 4883 | 615.55 | 0.13 | 0.3463 | 0.2802 |
4A | 12345 | 744.59 | 0.06 | 0.3522 | 0.2836 |
4B | 10959 | 673.62 | 0.06 | 0.3449 | 0.2799 |
4D | 2408 | 509.86 | 0.21 | 0.3654 | 0.2900 |
5A | 17658 | 709.77 | 0.04 | 0.3912 | 0.3083 |
5B | 26618 | 713.15 | 0.03 | 0.3743 | 0.2972 |
5D | 5628 | 566.08 | 0.10 | 0.3430 | 0.2747 |
6A | 12934 | 618.08 | 0.05 | 0.3799 | 0.3004 |
6B | 17890 | 720.99 | 0.04 | 0.3635 | 0.2911 |
6D | 4997 | 473.59 | 0.09 | 0.3378 | 0.2728 |
7A | 18490 | 736.71 | 0.04 | 0.3287 | 0.2639 |
7B | 12260 | 750.62 | 0.06 | 0.3776 | 0.2985 |
7D | 6758 | 638.69 | 0.09 | 0.3359 | 0.2706 |
A基因组A genome | 115694 | 4934.89 | 0.04 | 0.3575 | 0.2860 |
B基因组B genome | 140634 | 5180.46 | 0.04 | 0.3660 | 0.2926 |
D基因组D genome | 39783 | 3951.07 | 0.10 | 0.3475 | 0.2789 |
总计Total | 296111 | 14066.42 | 0.05 | 0.3570 | 0.2858 |
表5
2种培养条件下同时检测到的显著性SNP位点"
显著性标记 SNP | 关联性状 Related traits | 染色体 Chromosome | 位置 Position (Mb) | <BOLD>P</BOLD>值 -log10(<BOLD>P</BOLD>) | 贡献率 R2 (%) |
---|---|---|---|---|---|
AX-109555941 | TRL | 1B | 689.00 | 4.63 | 14.07 |
AX-108888527 | TRL | 2D | 556.05 | 4.12 | 11.73 |
TRA | 4.11 | 10.64 | |||
AX-94581300 | TRL | 3D | 239.36 | 3.56 | 10.83 |
AX-108889829 | TRL | 2B | 85.25 | 4.15 | 11.52 |
AX-111514405 | TRL | 2B | 81.55 | 3.57 | 9.33 |
AX-109029863 | RDW | 3B | 416.69 | 4.13 | 11.18 |
TRA | 4.28 | 11.11 | |||
AX-108924279 | RDW | 2B | 57.67 | 3.36 | 9.02 |
AX-110371944 | RDW | 2B | 57.68 | 3.43 | 9.01 |
AX-110455550 | RDW | 2B | 57.67 | 3.43 | 9.01 |
AX-110567747 | RDW | 2B | 57.78 | 3.36 | 8.68 |
AX-109933707 | RDW | 2B | 57.68 | 3.49 | 9.09 |
AX-108792070 | TRA | 7A | 638.24 | 3.79 | 11.19 |
TRV | 3.70 | 11.13 | |||
AX-110097055 | TRA | 7A | 638.52 | 3.79 | 11.19 |
TRV | 3.70 | 11.13 | |||
AX-110497143 | TRV | 7A | 116.76 | 4.28 | 11.19 |
AX-110491393 | TRV | 1B | 632.00 | 5.11 | 13.93 |
AX-111564445 | TRV | 3B | 757.93 | 4.10 | 10.60 |
AX-94823257 | TRV | 1D | 460.79 | 4.14 | 10.75 |
AX-110122975 | TRV | 7B | 686.14 | 3.54 | 9.82 |
表6
根系相关性状候选基因及其功能注释"
候选基因 Candidate genes | 物理位置 Position (bp) | 功能注释 Gene annotations |
---|---|---|
TraesCS7A02G160600 | Chr.7A:116650020—116654196 | 3-氧酰基-酰基载体蛋白质合成酶 3-oxoacyl-[acyl-carrier-protein] synthase |
TraesCS1B02G401800 | Chr.1B:631998104—632003904 | 突触融合蛋白 Syntaxin |
TraesCS2B02G097600 | Chr.2B:57672647—57676616 | 黄条转运蛋白12 Yellow stripe-like transporter 12 |
TraesCS2B02G097800 | Chr.2B:57679415—57682721 | MLO蛋白 MLO-like protein |
TraesCS2B02G097900 | Chr.2B:57778375—57781675 | MLO蛋白 MLO-like protein |
TraesCS2B02G117900 | Chr.2B:81755546—81758516 | WUSCHEL相关同源框蛋白 WUSCHEL-related homeobox |
TraesCS2B02G119200 | Chr.2B:85320654—85325523 | 三磷酸腺苷双磷酸酶 Apyrase-like protein |
TraesCS3B02G516000 | Chr.3B:757920799—757926024 | 转录起始因子TFIID亚基9 Transcription initiation factor TFIID subunit 9 |
TraesCS7B02G417900 | Chr.7B:686141549—686157029 | 醛脱氢酶 Aldehyde oxidase |
TraesCS1D02G388600 | Chr.1D:460789199 - 460794120 | 解毒蛋白 Detoxification protein |
TraesCS2D02G445500 | Chr.2D:556053437—556059076 | E3泛素蛋白连接酶RNF14 E3 ubiquitin-protein ligase RNF14 |
TraesCS3D02G201400 | Chr.3D:239349590—239362410 | 分子伴侣 danJ Chaperone protein dnaJ |
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