大豆產(chǎn)量相關(guān)性狀QTL的關(guān)聯(lián)分析及候選基因GmGA3ox單倍型鑒定.pdf

1、大豆[Glycine Max(L.)Merr.]是重要的糧食和經(jīng)濟(jì)作物，其產(chǎn)量的形成與許多重要的農(nóng)藝性狀和經(jīng)濟(jì)性狀直接或間接相關(guān)，如開花期、成熟期、產(chǎn)量組分以及光合性能等。這些性狀均屬?gòu)?fù)雜的數(shù)量性狀，應(yīng)用傳統(tǒng)育種方法進(jìn)行遺傳改良已經(jīng)越來越難。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，利用分子育種技術(shù)培育高產(chǎn)大豆品種成為現(xiàn)代大豆育種計(jì)劃的主要內(nèi)容之一。通過鑒定大豆基因組中與大豆產(chǎn)量相關(guān)性狀緊密關(guān)聯(lián)的功能位點(diǎn)或單倍型，開發(fā)新的功能標(biāo)記對(duì)目標(biāo)性狀進(jìn)行分子標(biāo)記輔助選

2、擇，或利用大豆產(chǎn)量相關(guān)功能基因進(jìn)行轉(zhuǎn)基因育種，可大大提高大豆高產(chǎn)育種效率，達(dá)到定向選育的目的。
　　 為了發(fā)掘大豆基因組中控制大豆產(chǎn)量相關(guān)性狀的功能基因/QTL，本研究在大豆產(chǎn)量性狀一致性QTL候選區(qū)域內(nèi)利用SSR等標(biāo)記進(jìn)一步對(duì)產(chǎn)量性狀QTL進(jìn)行了關(guān)聯(lián)定位，并對(duì)大豆產(chǎn)量、產(chǎn)量組分及光合相關(guān)性狀進(jìn)行了基于SNPs及單倍型的全基因組關(guān)聯(lián)分析。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合大豆基因組序列信息，利用生物信息學(xué)方法篩選與大豆產(chǎn)量相關(guān)的候選基因，通過候選

3、基因關(guān)聯(lián)分析策略驗(yàn)證其功能、鑒定出優(yōu)異單倍型，為大豆高產(chǎn)分子育種提供有效的依據(jù)。主要結(jié)果如下:
　　 1.利用關(guān)聯(lián)分析方法在大豆產(chǎn)量性狀QTL候選區(qū)域內(nèi)對(duì)大豆產(chǎn)量性狀QTL進(jìn)行了關(guān)聯(lián)定位。結(jié)果表明，產(chǎn)量相關(guān)性狀在196份栽培豆組成的自然群體內(nèi)存在廣泛的表型變異;除了百粒重與花期、株高間相關(guān)不顯著外，其余性狀間均存在極顯著相關(guān);染色體6、7、19上共線性或非共線性位點(diǎn)組合均存在一定程度的LD，并且LD衰減速率較快;基于MLM模型，

4、在5個(gè)環(huán)境中共檢測(cè)到40個(gè)標(biāo)記位點(diǎn)與產(chǎn)量相關(guān)性狀顯著關(guān)聯(lián)，其中有26個(gè)標(biāo)記位點(diǎn)在所有環(huán)境中均能被穩(wěn)定檢測(cè)到，7個(gè)標(biāo)記位點(diǎn)在所有環(huán)境中同時(shí)與2個(gè)或2個(gè)以上產(chǎn)量性狀共關(guān)聯(lián);穩(wěn)定關(guān)聯(lián)的標(biāo)記位點(diǎn)等位變異數(shù)目差異較大，而且不同等位變異對(duì)表型的效應(yīng)差異也較顯著，在高產(chǎn)育種中可利用不同位點(diǎn)的優(yōu)異等位變異進(jìn)行優(yōu)良性狀聚合育種。位于染色體7上的Satt150在5個(gè)環(huán)境中均被穩(wěn)定檢測(cè)到與產(chǎn)量及其他相關(guān)性狀存在顯著關(guān)聯(lián)，并且與國(guó)內(nèi)外多次報(bào)道的主效QTL位點(diǎn)一

5、致。基于連鎖不平衡的原理，將大豆產(chǎn)量性狀QTL進(jìn)一步縮小到Satt150兩側(cè)標(biāo)記518 kb區(qū)間內(nèi)(GMES2109～Saa316)，為下一步進(jìn)行產(chǎn)量相關(guān)候選基因的篩選和功能標(biāo)記輔助育種奠定了基礎(chǔ)。
　　 2.為了進(jìn)一步發(fā)掘大豆基因組內(nèi)與產(chǎn)量及產(chǎn)量組分存在關(guān)聯(lián)的功能區(qū)域，本研究以191份栽培豆為研究群體，通過2年5環(huán)境試驗(yàn)，利用1536個(gè)SNPs和209個(gè)單倍型，對(duì)大豆產(chǎn)量及產(chǎn)量組分進(jìn)行了全基因組關(guān)聯(lián)分析。研究結(jié)果表明，191份

6、栽培豆組成的自然群體內(nèi)存在廣泛的表型變異和遺傳多樣性;利用1142個(gè)SNPs（最小等位基因頻率大于10％）將該群體聚為兩個(gè)亞群，個(gè)體間不存在或僅存在較弱的親緣關(guān)系，群體內(nèi)位點(diǎn)間LD衰減距離大約為500kb。全基因組關(guān)聯(lián)分析共檢測(cè)到19個(gè)SNPs和5個(gè)單倍型在3個(gè)或3個(gè)以上環(huán)境中與單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、百粒重和產(chǎn)量存在顯著關(guān)聯(lián)，部分顯著關(guān)聯(lián)的位點(diǎn)位于前人利用連鎖分析檢測(cè)到的QTL。內(nèi)或與其緊密相鄰。在顯著關(guān)聯(lián)的位點(diǎn)中，檢測(cè)到9個(gè)標(biāo)記位點(diǎn)與2

7、個(gè)以上不同的產(chǎn)量性狀同時(shí)關(guān)聯(lián);穩(wěn)定檢測(cè)到4個(gè)SNPs和1個(gè)單倍型位點(diǎn)在所有環(huán)境中均與百粒重存在顯著關(guān)聯(lián)，并且各位點(diǎn)等位變異所對(duì)應(yīng)的百粒重均值差異板顯著，優(yōu)良等位變異與較差等位變異間的百粒重均值差異達(dá)4g。這些位點(diǎn)均有助于更好地揭示大豆產(chǎn)量及產(chǎn)量組分的遺傳機(jī)制，為將來通過分子育種技術(shù)改良大豆產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。
　　 3.根據(jù)大豆產(chǎn)量性狀QTL候選區(qū)域關(guān)聯(lián)定位及全基因組關(guān)聯(lián)分析結(jié)果，結(jié)合大豆基因組序列信息，利用生物信息學(xué)

8、手段，在染色體7上篩選到大豆產(chǎn)量相關(guān)的候選基因GmGA3ox。通過對(duì)191份栽培豆中的GmGA3ox序列進(jìn)行多態(tài)性分析，共檢測(cè)到的16個(gè)SNPs和4個(gè)Indel（最小等位基因頻率大于10％），并且存在5個(gè)明顯的單倍型域。關(guān)聯(lián)分析共檢測(cè)到5個(gè)SNP/Indel在3個(gè)以上環(huán)境與產(chǎn)量間存在顯著關(guān)聯(lián)，其中有2個(gè)多態(tài)性位點(diǎn)在所有環(huán)境中均被檢測(cè)到與產(chǎn)量顯著關(guān)聯(lián)。在3個(gè)以上環(huán)境中，共檢測(cè)到1個(gè)單倍型（GmGA3ox_H4）與百粒重存在顯著關(guān)聯(lián)，2個(gè)單

9、倍型（GmGA3ox_H4、GmGA3ox_H5）與產(chǎn)量顯著關(guān)聯(lián)。其中，GmGA3ox_H4在所有環(huán)境中均被檢測(cè)到與百粒重存在顯著關(guān)聯(lián)，對(duì)百粒重的表型變異解釋率達(dá)9.67％，最優(yōu)單倍型與最差單倍型間百粒重差異達(dá)4g; GmGA3ox_H5則在所有環(huán)境中均與產(chǎn)量顯著關(guān)聯(lián)，對(duì)產(chǎn)量的表型變異解釋率達(dá)20.19％，最優(yōu)單倍型與最差單倍型產(chǎn)量差異達(dá)1倍;序列結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)GmGA3ox_ H4和GmGA3ox_H5均位于3’非編碼區(qū)內(nèi)，可能參與mR

10、NA的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控，引起GA代謝途徑及相關(guān)代謝通路的變化，從而引起大豆百粒重及產(chǎn)量的改變。
　　 4.對(duì)葉綠素含量(CCI)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)（JIP-test參數(shù)）及光合速率(PN)進(jìn)行的全基因組關(guān)聯(lián)分析結(jié)果表明，2009年和2010年研究（光合速率為2008年）中，共檢測(cè)到47個(gè)SNPs、11個(gè)單倍型與CCI顯著關(guān)聯(lián)，30個(gè)SNPs、8個(gè)單倍型與Fv/Fm顯著關(guān)聯(lián)，33個(gè)SNPs、5個(gè)單倍型與ABS/RC顯著關(guān)聯(lián)，25個(gè)SNPs

11、、5個(gè)單倍型與ETo/TRo存在顯著關(guān)聯(lián)，20個(gè)SNPs、7個(gè)單倍型與PIABs存在顯著關(guān)聯(lián)，15個(gè)SNPs、2個(gè)單倍型與PN顯著關(guān)聯(lián)。在所有檢測(cè)到的位點(diǎn)中，共檢測(cè)到26個(gè)SNPs位點(diǎn)同時(shí)與2個(gè)或2個(gè)以上的性狀存在顯著關(guān)聯(lián)。其中，4個(gè)與JIP-test參數(shù)關(guān)聯(lián)的位點(diǎn)同時(shí)與PN共關(guān)聯(lián);12個(gè)SNPs和2個(gè)單倍型與大豆產(chǎn)量或產(chǎn)量組分共關(guān)聯(lián)。共穩(wěn)定檢測(cè)到8個(gè)SNPs和2個(gè)單倍型在兩年中均與相應(yīng)的光合性狀存在顯著關(guān)聯(lián)，穩(wěn)定關(guān)聯(lián)的SNP及單倍型的