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守护幸福六肖中特精品平肖:小麥苗期氮營養效率相關性狀的QTL分析

時間:2019-05-18 來源:山東農業大學 作者:呂娟 本文字數:7384字
   摘 要
  
  小麥(Triticum aestivum L.)是我國和世界最重要的糧食作物之一。小麥的產量和質量直接影響著我國農業的可持續發展和糧食安全。氮元素是植物的三大礦質營養元素之一,影響著小麥的生長發育和產量,長期以來人們通過補施氮肥維持小麥高產,但是氮肥利用效率普遍較低,而且造成了生產成本增加、資源枯竭和環境污染等問題。本研究以“山農 0431×魯麥 21”衍生的小麥 RIL 群體(176 個家系,SL-RIL)為研究材料,采用苗期營養水培實驗,設置高氮(HN)、中氮(MN)、低氮(LN)共 3 種處理,進行兩年試驗,測定不同氮含量處理下的氮養分效率相關的 14 個性狀,并結合分子標記遺傳圖譜,進行小麥苗期氮營養效率相關的 QTL 分析,為氮營養相關性狀的基因克隆和分子標記輔助選擇育種提供參考。試驗結果表明:
  
 ?。?)表型變異分析表明,SL-RIL 群體不同氮處理環境下 14 個苗期性狀在基因型間均表現極顯著差異(p≤0.001);母本山農 0431 在不同 N 處理環境下所有被測定性狀的數值均明顯大于父本魯麥 21;各株系在不同處理下表現出性狀變異范圍大、超親現象明顯的特點,多數(78.6%)的性狀變異系數超過 10%;除 RDW 外,廣義遺傳力都在50%以上,變異范圍為 40.01-90.28%;多數性狀間相關性達顯著水平。

小麥苗期氮營養效率相關性狀的QTL分析
  
 ?。?)SL-RIL 群體 3 個氮處理苗期 14 個性狀進行 QTL 分析表明,共檢測到 168 個QTL,位于 3D 以外的 20 條染色體,單個 QTL 可解釋表型變異的 3.30~17.68%,53 個QTL 加性效應為正值,表明 QTL 增加效應來源于母本山農 0431;115 個 QTL 加性效應為負值,表明 QTL 增加效應來源于父本魯麥 21。
  
 ?。?)168 個 QTL 中,46 個為 RHF-QTL,涉及除 SNCe 以外的 13 個性狀,位于 1A、2A、2B、3B、4D、5A、5B、5D、6A、6B、6D 及 7A 染色體上,平均貢獻率為 3.71~16.16%。38 個 RHF-QTL 加性效應為負值,說明 QTL 的增加效應來自于父本魯麥 21;8 個RHF-QTL 的加性效應為正值,則增加效應來自于母本山農 0431。有 20 個 RHF-QTL 在單一 N 環境監測到,22 個 RHF-QTL 在 2 個 N 環境檢測到,4 個 RHF-QTL(QTnue.4D.2、QSdw.5A、QSdw.5B-1.2、QRsdw.5D)HN、MN、LN 三種處理均檢測到,受環境影響小。
  
 ?。?)本研究的 QTL 簇指染色體同一位置包含 2 個以上 RHF-QTL。共獲得到 9 個QTL 簇(C1~C9),位于 3B、4D、5A、5B、5D、6B、6D、7A 染色體,共涉及 33 個RHF-QTL,占 RHF-QTL 總數的 75.00%,增加效應來自父本魯麥 21。其中位于 5A 的C3 包括 8 個 RHF-QTL(QRdw.5A、QRnce.5A.2、QSdw.5A、QSnc.5A、QSnue.5A、QTdw.5A、QTnc.5A.1、QTnue.5A),解釋平均表型變異的 6.47~11.40%。QSdw.5A 可以在 3 種氮處理中被檢測到,QRdw.5A、QSnc.5A、QTdw.5A、QTnc.5A、QSnue.5A、QTnue.5A 在2 種氮處理被檢測到,QRnce.5A 僅在中氮條件下被檢測到。
  
  關鍵詞:小麥;重組自交系;QTL;氮營養效率;苗期。
  
  Abstract
  
  Wheat (Triticum aestivum L.) is one of the most important staple crops in the world. The productivity and quality is very important for agricultural sustainable development and the food supply in China. Nitrogen (N) is one of the three most important nutrients for the growth and yield improvement of wheat. A lot of N fertilizers are supplied every year to grain high wheat productivity. But N efficiency of wheat is relative low, which increased crop production costs, exhausted non-renewable N resources, and caused a series of environmental problems.
  
  In this study, we conduct the quantitative trait loci (QTL) analysis using a set of 176 recombinant inbred lines (RILs) derived from a “Shannong 0431×Lumai 21”(SN0431×LM21)cross (SL-RIL).The 176 RILs and their parents were grown under hydroponic culture in greenhouse. The concentrations of N treatments were high N (HN), moderate N (MN) andlow N (LN). Combined with a high-density genetic map, QTLs were located for N use efficiency traits at the wheat seedling stage. This should be helpful for gene cloning of related traits and molecular marker-assisted selection (MAS) in breeding programs. The main results are as follows:
  
  (1)The variation of phenotype showed that significant difference (p≤0.001) was detected between genotypes in all 14 targeted traits. Relative values of female parent SN0431 wasobviously larger than those of male LM 21 for all traits under different N treatments. For RI lines, the wide variation ranges and transgressive inheritance under different treatments were detected. The variation coefficient for most traits (78.6%) was higher than 10%. The broad-sense heritability ranged 40.01-90.28 % for all traits except for RDW. The correlation coefficients were significant among the most traits.
  
  (2)QTL analysis was carried out for the 14 traits at the seedling stage under three N treatments, the result showed that a total of 168 QTLs were detected on 20 chromosomesexcept for 3D. The individual QTL could explain 3.30%-17.68% of the phenoty picvariations. A number of 53 SN0431 derived QTLs showed positive additive effects, whereas 115 LM21dirived QTLs had negative additive effects.
  
  (3)Atotal of 46 RHF-QTLs were detected on chromosomes 1A, 2A, 2B, 3B, 4D, 5A, 5B,5D, 6A、6B, 6D and 7A for 13 traits except for SNCe. The average contributions ranged from 3.71 to 16.16%. A mumber of 38 LM21 dirived RHF-QTLs showed negative additive effects,whereas 8 SN0431 dirived RHF-QTLs had negative positive additive effects.A number of 20 and 22 RHF-QTLs were found under a single and two N environment(s), respectively. Four RHF-QTLs (QTnue.4D.2、QSdw.5A、QSdw.5B-1.2、QRsdw.5D) were detected under all the three environments, HN, MN and LN, indicating they were affected diminutively by environment.
  
  (4)The cluster was defined as the co-location of RHF-QTLs for more than two traits in this study. Nine QTL clusters (C1-C9) were mapped on eight chromosomes: 3B, 4D, 5A, 5B,5D, 6B, 6D and 7A, including 33 RHF-QTLs (75.00%). The increasing effects of QTLs come from LM21. The cluster C3 included eight RHF-QTLs (QRdw.5A, QRnce.5A.2, QSdw.5A, QSnc.5A, QSnue.5A, QTdw.5A, QTnc.5A.1, QTnue.5A) with the contributions of 6.47-11.40%. QSdw.5A was detected under all the three environments, QRdw.5A, QSnc.5A, QTdw.5A,QTnc.5A, QSnue.5A and QTnue.5A were detected under two environments, and QTnue.5A was detected only under MN.
  
  Key words: wheat; recombinant inbred line (RIL); quatitave trait loci (QTL); N efiiciency; seedling stage。
  
  1 引言
  
  小麥是世界上最早栽培的作物之一,同時也是世界上重要的谷物,全世界 1/3 以上的人口以小麥作為主食,全球貿易量常年保持 1 億噸以上,居世界首位。2001~2010 年,世界小麥面積和產量分別占糧食作物總面積和產量的29.8%和33.2%(Hischenhuber et al.,2006; Etienne et al., 2008)。小麥是我國北方人民的主要口糧,每年種植面積約 2300 萬公頃,占全國糧食消費總額的 1/5 以上,居第三位,僅次于水稻和玉米(何中虎等, 2011)。
  
  氮素是作物生長發育必需的最重要的大量元素。據統計,氮肥施入土壤后,僅有 30~35%被作物吸收(Good et al., 2004)。全球人口的增加對糧食產量提出了更高的要求。
  
  為增加作物產量,大量的氮肥資源被投入農田,然而肥料利用率較低,造成了大量的能源消耗并導致了嚴重的環境問題(Broadbent et al., 1987; De Datta et al., 1988; Glies., 2005;Schachtman and Shin., 2007; Davidson., 2009;Jin et al., 2017;Zhang et al., 2018))。近 40 年來,世界范圍內糧食產量增加了 2 倍,而氮肥的施用量卻增加了 7 倍(Hirel et al., 2007)。
  
  因此,培育養分高效利用的農作物新品種是第二次綠色革命的重要目標,而深入探討小麥氮效率的遺傳基礎是進行小麥遺傳改良的前提。
  
  氮效率包括氮吸收效率和利用效率兩個方面,體現了作物利用土壤中的氮元素構成作物產量的能力。氮吸收效率反映了根系從土壤或培養液中吸收氮素的能力,而氮利用效率則反映了作物體內重新分配利用氮素以維持正常生物量的能力(Kong et al., 2013)。
  
  氮高效表明植株可以在較低水平的氮養分條件下吸收較多的氮(氮吸收效率高),或者單位氮養分可更多地轉化為籽粒產量(氮利用效率高)。不少學者開展了小麥氮素利用率研究,主要集中在氮高效生理以及氮素利用率相關性狀間的相互關系(Wu et al., 1995;Ladha et al., 1998; Cassman et al., 1998; Singh et al., 1998; Jiang et al., 2004; Tong et al.,2006; Wang et al., 2011; Mahjourimajd et al., 2016),但氮素利用率遺傳研究相對較少。
  
  氮營養相關性狀是典型的數量性狀,數量性狀基因座(quantitative trait locus, QTL)分析可以把復雜的數量性狀分解成不同的 QTL,并明確 QTL 所在的染色體位置和效應的大小,進而為復雜性狀遺傳控制的研究提供了一種有效的新方法(Doerge, 2002)。
  
  因此,對氮營養相關性狀進行 QTL 分析,可以挖掘控制小麥氮素吸收利用的基因座,進而為小麥育種相關理論研究提供基礎。
  
  1.1 小麥氮高效基因型的鑒定。
  

  礦質營養高效的基因型包括兩種類型:一是為低肥水平下產量相對較高,但施肥增產效應較低,屬于低投入高產出的省肥基因型;二是低肥水平下產量相對較低,但施肥增產效應較高,屬于高投入高產出的基因型(顧海永, 2007)。在氮效率方面,小麥存在非常豐富的變異類型。品種改良、氮肥配方施肥和農藝技術的應用是提高小麥氮肥利用效率的有效途徑,而選育氮高效作物品種是關鍵。
  
  小麥氮利用效率的鑒定和評價包括水培、盆栽、大田栽培等方法。一般采用苗期水培或成株期盆栽試驗進行初選,然后采用成熟期大田栽培試驗進行進一步鑒定。水培法的營養液一般參照 Hoagland(1950)的配方,其中正常氮處理濃度為 0.2 mmol·L-1,低氮處理一般采用 1/10 氮濃度,即 0.02mmol·L-1。在盆栽或大田栽培條件下,氮脅迫環境一般是播種介質中有效氮含量在 15mg·kg-1 以下。也可以根據目標產量確定低氮和高氮處理,如畝產 400kg(低氮)、畝產 600kg(高氮)的需氮量。
  
  氮含量測定是氮利用效率鑒定的基礎,但是氮含量測定的步驟繁瑣,這在很大程度上限制了氮利用效率的大規模鑒定。不同基因型氮效率的指標主要有產量、生物量、氮素積累量、莖葉氮素累積量、莖葉含氮量、地上部生物量、根生物量等(張錫洲等,2011;趙春波等,2015;趙付江等,2015;黃永蘭等,2015;張俊國等,2008;鐘思榮等,2017)。
  
  作物的產量是種植者和育種者直接追求的指標,用來評價不同基因型的耐低氮性和氮利用效率也最具有說服力,是主要的氮利用效率的評價指標,但產量評價必須在成熟收獲時期進行。人們一直在尋找既能代替含氮量測定,又能簡單、快速、直觀地反映氮養分效率且遺傳力較高的形態指標或生理指標。氮高效鑒定評價應以一個或幾個評價指標為主,并輔以多個參考指標綜合評價,才能確保試驗結果的準確性。路文靜等(2009)在不同氮處理條件下,研究了不同氮效率小麥品種的籽粒含量、植株含氮量和植株氮累積量及氮效率相關的生理參數。
  
  不同氮處理下研究表明:不同小麥品種氮利用效率差別很大(Clárk., 1983; Wang etal., 2011)。韓勝芳等(2007)發現不同氮效率小麥品種在氮素同化和代謝關鍵酶活性上存在著明顯的遺傳差異。低氮條件下,吸收高效小麥品種的根系干質量大、根系生理活性強,是其植株氮素累積增加的重要原因;利用高效小麥品種的高氮利用效率,主要是由于其較強的氮素同化關鍵酶活性使植株體內的氮素同化和代謝速率得到改善所致。
  
  杜保見等(2014)對小麥苗期氮素吸收利用效率差異進行了聚類分析,初步確定“揚麥16”和“鑒 76”為正常供氮和高氮條件下的氮高效型品種,“皖麥 68”、“F605014”、“鑒 62”和“安農 1026”為高氮條件下的氮高效型品種。董召娣等(2014)發現相同施氮條件下,半冬性小麥品種的氮肥吸收效率和氮肥生產效率比春性小麥品種分別高12.19%和 9.64%,差異均達顯著水平。其中氮肥吸收效率和氮肥生產效率最高的品種均為濟麥 22,春性小麥兩個指標最高的品種均為揚麥 15。路文靜等(2009)在不同氮處理條件下,發現低氮條件下氮高效品種滄核 036 表現的氮高效特征,是其具有較強的氮素吸收和同化能力。
  
  1.2 QTL 定位及其在研究小麥氮效率中的應用。
  
  1.2.1 分子標記和 QTL 定位。

  
  數量性狀受多基因控制,存在著復雜的基因型之間、基因型與環境之間的互作機制,隨分子生物學和生物統計技術的迅速發展,應運而生的 QTL 作圖技術為研究復雜數量性狀開辟了新途徑。
  
  QTL 作圖是通過分析整個染色體組的 DNA 標記和數量性狀表型值的關系情況,將QTL 每個都定位到連鎖群的相應位點,進而估測其遺傳效應。它的一般步驟包括:(1)構建作圖群體;(2)確定和篩選遺傳標記并構建連鎖遺傳圖譜;(3)檢測分離世代群體中每一個體(家系)的標記基因型;(4)測量數量性狀;(5)統計分析標記基因型和數量性狀值是否存在關聯,確定 QTL 在染色體上的數目和位置,估測 QTL 的遺傳效應。QTL 定位的必要條件為:(1)高密度的連鎖遺傳圖(一般要求標記間平均距離小于 15-20 cM)和相應的統計分析方法;(2)目標性狀在群體中分離明顯,符合正態分布,在遺傳分析群體構建選擇親本時要盡可能地選擇性狀表現差異大和親緣關系較遠的材料。
  
  1.2.1.1 作圖群體。
  

  作圖群體是進行 QTL 定位的基礎,其親本選擇的適宜與否是 QTL 定位成敗的關鍵因素之一。作圖群體可分為初級和次級作圖群體。
  
  因遺傳分離特性和遺傳背景的穩定性不同,初級作圖群體又分為暫時性群體和永久性群體。暫時性群體不能穩定遺傳,其遺傳組成會因自交、近交而改變,如 F2 群體及衍生的 F2-3,BC1、BC2 等回交后代群體;永久性群體為同一株系內個體間的遺傳背景相同、自交后代群體不分離,可永久性用于遺傳分析,在不同時間地點進行多年多點試驗,為不同實驗室所分享,如重組自交系(recombinant inbred lines,RIL)群體、加倍單倍體(doubled haploid,DH)群體等。近年來,大部分 QTL 研究是基于兩個親本構建的 RIL 群體或 DH 群體(Su et al., 2009; Guo et al., 2012; Ryan et al.,2015; Zhang andWang., 2015)。如果選擇栽培品種或者骨干親本作 RIL 群體或 DH 群體的親本之一,那么將更有利于 QTL 定位結果應用于育種實踐。高尚等(2016)利用 90k 小麥 SNP 基因芯片技術,對包含 188 個家系的 RIL 群體進行多態性分析,并利用 JoinMap 構建連鎖圖譜,圖譜包含 7197 個多態性 SNP 標記,構建了包括 43 個連鎖群、6573 個 SNP 標記的分子標記遺傳圖譜,標記間平均間距 0.38cM。Zanke 等(2014)利用 358 個歐洲冬麥品種組成的自然群體,將 732 個 SSR 標和 7934 個 SNP 標記映射到遺傳圖譜上,定位了控制小麥抽穗期的 72 個 SSR 和 432 個 SNP 位點,并與水稻、兩穗短柄草同源序列進行比對,發現在水稻上控制光周期的基因 Hd6 和小麥位 5BL 染色體上控制光周期的基因具有高度同源性。
  
  次級作圖群體是指經過雜交、多代回交和分子標記選擇與改良形成的群體,常用的有染色體片段代換系(chromosomal segment substitution line, CSSLs)、單片段代換系(single segment substitution lines,SSSLs)、近等基因系(near isogenic lines,NILs)、剩余雜合體群體(residual heterozygous lines, RHLs)等,其共同特點是遺傳背景相似,僅帶有少數供體親本的染色體片段,是進行 QTL 精細定位的良好材料。Xue 等(2008)采用 CSSLs 群體圖位克隆了 1 個同時控制水稻株高、抽穗期和每穗粒數的基因 Ghd7。
  
  楊德衛等(2010)以 9311 和 Nipponbar 雜交、回交構建的 CSSL 群體為材料,定位到 4個抽穗期相關的 QTL,最終將 qHD-3 和 qHD-8 分別精細定位在第 3 號染色體RM3166-RM16206 和第 8 號染色體 RM4085-RM8271 之間。周勇等(2012)利用廣陸矮4 號/日本晴的 CSSL 群體鑒定出 1 個控制抽穗期的主效 QTL-qHd8.1,并利用 BC4F2:3群體精細定位了該基因。
  
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  1.2.1.2 分子標記
  1.2.1.3 小麥遺傳圖譜
  1.2.2 小麥氮效率的 QTL 分析
  1.2.3 相對穩定 QTL 和 QTL 簇
  1.3 本研究的目的意義
  
  2 材料與方法
  
  2.1 試驗材料
  2.2 試驗方法
  2.2.1 試驗設計
  2.2.2 試驗方法
  2.2.3 測定指標
  2.2.4 氮濃度測定方法
  2.3 數據分析
  2.3.1 方差和相關性分析
  2.3.2 QTL 分析
  
  3 結果分析
  
  3.1 表型變異和相關性分析
  3.2 QTL 分析
  3.3 重要的 QTL 簇
  
  4 討論

六肖中特免费公开109 www.cffyz.icu   5 結論

  本研究以 SL-RIL 群體為材料,在 HN、MN、LN 處理測定苗期氮養分效率相關的14 個性狀,并進行 QTL 分析。表型變異分析表明,SL-RIL 各株系在不同處理下表現出性狀變異范圍大、超親現象明顯的特點。QTL 分析表明,共檢測到 168 個 QTL,位于3D 以外的 20 條染色體,單個 QTL 可解釋表型變異的 3.30~17.68%,53 個 QTL 加性效應為正值,表明 QTL 增加效應來源于母本山農 0431;115 個 QTL 加性效應為負值,表明 QTL 增加效應來源于父本魯麥 21。168 個 QTL 中,46 個為 RHF-QTL,涉及除 SNCe以外的 13 個性狀,平均貢獻率為 3.71~16.16%。38 個 RHF-QTL 增加效應來自于父本魯麥 21;8 個 RHF-QTL 的增加效應來自于母本山農 0431。有 20 個 RHF-QTL 在單一 N環境監測到,22個RHF-QTL在2個N環境檢測到,4個RHF-QTL(QTnue.4D.2、QSdw.5A、QSdw.5B-1.2、QRsdw.5D)HN、MN、LN 三種處理均檢測到,受環境影響小。共獲得 9個 QTL 簇(C1~C9),位于 3B、4D、5A、5B、5D、6B、6D、7A 染色體,共涉及 33個 RHF-QTL,占 RHF-QTL 總數的 75.00%,增加效應來自父本魯麥 21。QSdw.5A 可以在 3 種處理中被檢測到,QRdw.5A、QSnc.5A、QTdw.5A、QTnc.5A、QSnue.5A、QTnue.5A在 2 種氮處理被檢測到,QRnce.5A 僅在 MN 條件下被檢測到。

  參 考 文 獻

    呂娟. 小麥苗期氮營養性狀的QTL分析[D].山東農業大學,2018.
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