小麦遗传连锁图谱构建及产量相关性状QTL定位

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小麦(Triticum aestivum L.)是世界上重要的粮食作物之一。构建小麦遗传连锁图谱,定位控制产量相关性状的QTL,明确其在染色体上的位置和效应,分析其表达水平与供氮条件的关系,对于小麦产量和产量相关性状的遗传改良具有重要意义。  本研究以高产氮高效小麦品种科农9204(Kenong9204,KN9204)和普通品种京411(Jing411,J411)杂交获得的重组近交系(Recombinant inbred line,RIL)群体为材料,构建小麦遗传连锁图谱,并在多年/多点的高、低氮肥供应条件下,进行产量相关性状的非条件及条件QTL分析,为在QTL水平研究产量相关性状的遗传特点,揭示响应氮肥供应水平差异的遗传基础提供依据。主要研究结果如下:  (1)构建了含591个位点的小麦遗传连锁图谱,其中包括295个基因组SSR、EST-SSR、ISSR、STS和SRAP在内的分子标记位点,7个功能标记位点,287个DArT标记位点和2个形态标记位点。图谱全长3930.7cM,标记间的平均距离6.7cM。标记位点在三个基因组间的分布并不均匀,A组198个(33.5%),B组265个(44.8%),D组128个(21.7%)。大于50.0 cM的标记间距离在遗传图谱上形成9个连锁断点,将21条染色体分为30个连锁群。  (2)首次报道了118个标记在相应染色体上的遗传和物理位置,其中包括17个DArT、50个EST-SSR、44个SRAP、5个ISSR分子标记和2个形态标记。图谱中大部分位点在染色体上的位置及其线性排列顺序与已报道结果基本一致。卡方检验显示,共有23.9%和15.2%的位点在P<0.05和P<0.01水平表现偏分离,并在1B、3BL、4AL、6AS、6AL、6BL和7B上形成7个偏分离热点区域。  (3)以本研究新构建的遗传连锁图谱为基础,在高、低氮条件下8个环境共检测到287个分别控制23个小麦产量相关性状的加性QTL,单个位点解释2.37-35.14%的表型变异率,LOD值在2.51-19.91之间。88个QTL可在不同环境中重复检测;74个QTL的LOD值>3且贡献率>10%,为主效QTL。其中有16个主效QTL能在5个及5个以上环境稳定表达,为环境间稳定表达的主效QTL,分别控制株高、抽穗期、旗叶宽、旗叶面积、穗长、穗下节问长、穗颈长、小穗数、无效小穗数、穗粒数、粒长和千粒重等12个性状,贡献率在10.67-35.14%之问,具有较高育种价值。QTL分布并不均匀,其中148个QTL聚集成18个QTL簇,分布在12条染色体上,表现一因多效或基因连锁。  (4)通过联合环境分析基因型与环境的互作效应,结果表明多年/多点重复试验是挖掘稳定表达位点的必要手段。联合环境中18.26%的QTL表现出显著的加性×环境互作效应。其中qFlw-6B.2、qSl-5A.2和qKn-4A是在5个及5个以上环境下检测到的稳定QTL,且与环境无显著互作效应,遗传稳定性高。在联合环境检测到的控制株高、穗下节间长、穗颈长和旗叶宽的位点中,受环境显著影响的位点所占的比例低;而在单环境检测到的控制以上性状的位点中,环境间能重复检测到的位点所占比例高,表明这几个性状遗传稳定性高,不易受环境影响。  (5)供氮条件对产量相关性状有显著影响。根据高、低氮检测条件,将单环境下的加性QTL分类,287个QTL中有100个低氮特异表达的QTL,114个高氮特异表达的QTL,其他75个QTL在高、低氮条件下均能检测到,表明供氮水平会影响产量相关性状QTL的表达。根据表型在高、低氮的差异值,进行差异值QTL(Difference value QTL,dvQTL)分析。共定位到69个dvQTL,包括15个适应型表达dvQTL和7个组成型表达dvQTL,为选育耐低氮和氮高效小麦品种提供了依据。来自KN9204的等位基因可减小其中42个dvQTL(60.89%)所对应性状在高、低氮条件下的表型差异,为解释KN9204在低氮条件下维持高产表型的遗传基础提供了依据。利用环境因素条件QTL作图,在排除低氮胁迫条件下(HN|LN)定位到8个完全受氮诱导表达的QTL;在排除氮肥诱导条件下(LN|HN)定位到5个完全响应低氮胁迫而表达的QTL,为进一步挖掘对供氮水平敏感的基因位点奠定了基础。  (6)等位基因效应分析结果表明,本研究定位到的16个主效稳定QTL可显著控制对应产量相关性状的表型。其中位于4B和6B染色体上的两个控制株高的主效稳定QTL聚合在一起可显著降低株高,且对产量相关性状没有明显负效应。这些丰效稳定QTL可用于进一步精细定位和分子标记辅助育种。
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