【摘 要】
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土壤盐渍化是限制全球作物生产的主要非生物胁迫之一,将长期威胁粮食安全和制约农业现代化发展。习近平总书记近期指示,“要转变育种观念,由治理盐碱地适应作物向选育耐盐碱植物适应盐碱地转变”。因此,阐明作物耐盐机制和培育耐盐作物品种,对于改良和利用盐碱地资源以及保障农业生产与粮食安全具有重要意义。本研究一方面以全球大麦(Hordeum vulgare L.)微核心种质和遗传转化常用品种黄金希望(Golde
【基金项目】
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国家自然科学基金项目(31901429); 中国农业产业技术体系(CARS-05-02A-01);
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土壤盐渍化是限制全球作物生产的主要非生物胁迫之一,将长期威胁粮食安全和制约农业现代化发展。习近平总书记近期指示,“要转变育种观念,由治理盐碱地适应作物向选育耐盐碱植物适应盐碱地转变”。因此,阐明作物耐盐机制和培育耐盐作物品种,对于改良和利用盐碱地资源以及保障农业生产与粮食安全具有重要意义。本研究一方面以全球大麦(Hordeum vulgare L.)微核心种质和遗传转化常用品种黄金希望(Golden Promise,GP)为材料,通过测定苗期盐胁迫处理后相关生理性状指标(地上部及根鲜重、干物重、含水量、离子含量等),筛选极端耐盐和敏感的大麦基因型,并利用全基因组关联分析(genome-wide association analysis,GWAS)和转录组联合分析鉴定到大麦根中涉及离子平衡的耐盐候选基因;另一方面以西藏野生大麦耐盐基因型XZ26和江浙地区常规大麦品种浙大9号(ZU9)为亲本构建双单倍体(double haploid,DH)群体,通过测定亲本及DH群体在盐胁迫处理后地上部与根的相对干物重、离子含量等生理指标,利用QTL定位和转录组联合分析鉴定大麦与耐盐性显著关联的遗传位点及候选基因。主要研究结果如下:1.GWAS和转录组联合分析鉴定大麦耐盐候选基因通过对100份全球大麦核心种质进行苗期耐盐性评价,发现大麦核心种质存在丰富的遗传变异。从中筛选出极端耐盐材料(GB37、GB19、GB14)及盐敏感材料(GB44、GB90、GB39)各三份,盐处理后,这些耐盐材料的全株和根干物重及根Na+积累量均显著高于盐敏感材料,而盐敏感材料的地上部和全株Na+积累量均极显著高于耐盐材料。通过对生长室与网室两种环境下的大麦核心种质根相对干重和Na+含量进行GWAS分析,共鉴定到215个与根相对干物重及Na+含量显著关联的候选基因。同时,结合盐胁迫下GP转录组数据进行表达分析,共鉴定到1,904个上调和1,313个下调表达基因,主要富集在“苯丙素生物合成”、“谷胱甘肽代谢”、“植物激素信号转导”等代谢途径。最终,通过GWAS与转录组联合分析,共鉴定到39个耐盐候选关键基因,包括CML、LRR-KISS、CYPs等,它们很可能在大麦苗期对盐胁迫的响应和防御过程中发挥重要作用。2.QTL定位和转录组联合分析鉴定大麦耐盐候选基因通过对DH群体的两份亲本材料(XZ26和ZU9)进行耐盐性评价,发现XZ26比ZU9具有更强的耐盐性,表现为XZ26的地上部干重显著高于ZU9,而地上部Na+含量显著低于ZU9。以ZU9与XZ26作为亲本构建了DH群体材料,从中随机挑选94份进行盐处理,利用Map QTL软件对其地上部相对干物重及离子含量进行QTL分析,在大麦6H染色体278.7 Mb-299.7 Mb区间定位到1个与地上部干物重显著关联位点(解释总变异23.5%),预测到67个候选基因;在1H染色体8.1 Mb-9.2 Mb区间定位到1个与Na+、Fe2+、Ca2+等离子含量显著关联位点(解释总变异20.5%),预测到37个候选基因。同时,结合盐胁迫下XZ26的转录组分析,鉴定到1,669个上调表达基因和2,086个下调表达基因,主要富集在“植物激素信号转导”和“苯丙素生物合成”等代谢途径。利用QTL与转录组联合分析最终鉴定到20个耐盐候选基因,包括PPR、ZF等。综上,本研究发现大麦核心种质存在耐盐性遗传多样性,从中鉴定极端耐盐和敏感材料各三份,经GWAS和转录组联合分析鉴定到39个参与离子平衡的耐盐候选基因。其次,大麦DH群体后代在盐胁迫下存在生物量和元素含量差异,利用QTL定位和转录组联合分析鉴定到20个耐盐候选基因。研究结果进一步丰富了大麦耐盐理论,为作物耐盐遗传改良提供了优良的种质和基因资源。
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