【摘 要】
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随着全球人口不断增加,粮食紧缺与人口不断增加之间的矛盾日益凸显。土壤盐渍化严重限制了作物的正常生长和发育,对世界粮食供给造成了严重的威胁。甘蓝型油菜具有油用、饲用、菜用以及旅游观光等重要的经济价值,对甘蓝型油菜耐盐性遗传改良和分子机制解析具有重要意义。本研究从正向遗传学出发,通过人工模拟盐胁迫条件,对505份甘蓝型油菜种质资源开展了发芽、苗期水培和全生育期表型平台盆栽实验。另外,通过人工模拟盐、碱
【基金项目】
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国家重点研发计划 (2016YFD0101000, 2020YFD1000904-1-3); 国家自然科学基金(31770397、31800305); 湖北省重大科技项目; 华中农业大学与深圳农业基因组研究所合作基金(SZYJY2021005,SZYJY2021007); 高校基础研究基金(2662020ZKPY017、6932021ZKPY006)
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随着全球人口不断增加,粮食紧缺与人口不断增加之间的矛盾日益凸显。土壤盐渍化严重限制了作物的正常生长和发育,对世界粮食供给造成了严重的威胁。甘蓝型油菜具有油用、饲用、菜用以及旅游观光等重要的经济价值,对甘蓝型油菜耐盐性遗传改良和分子机制解析具有重要意义。本研究从正向遗传学出发,通过人工模拟盐胁迫条件,对505份甘蓝型油菜种质资源开展了发芽、苗期水培和全生育期表型平台盆栽实验。另外,通过人工模拟盐、碱胁迫等9个组合处理条件,对91份导入系(ISLs)材料进行全生育期的表型平台盆栽实验。然后通过全基因组关联分析(GWAS)和连锁分析分别对两个甘蓝型油菜定位群体在盐、碱胁迫条件下的复杂性状进行遗传解析。通过对候选基因进行了功能验证,进而证明了结合GWAS、连锁分析和表型平台等方法对甘蓝型油菜盐、碱胁迫抗性评估,极端种质资源筛选以及候选基因挖掘方面的优势和有效性。在人工模拟盐胁迫条件下分别在发芽期和水培苗期收集了505份种质资源的4个发芽指标,如发芽势、发芽率、茎长和根长和10个苗期指标,如株高、根长、叶面积、地上干重、地下干重、电导率,丙二醛、叶绿素含量和脯氨酸等苗期指标。发现同一性状在正常和盐胁迫处理条件下存在普遍的相关性,然而发芽期和苗期指标相关性不显著。通过全基因组关联分析一共鉴定了5,282显著的SNPs,其中422个SNPs被两个或两个以上的性状共定位。结合盐胁迫条件下候选基因差异表达分析、序列变异和综合打分最终在发芽期和水培苗期分别鉴定了177和228个与盐胁迫相关的候选基因。其中也发现了许多是已报道的与盐胁迫相关基因,包括Bna A03g43130D(Bn RAB),Bna A04g15550D(Bn ABI1),Bna A05g01580D(Bn ABA1),Bna A07g12170D(Bn ABA1),Bna A10g29660D(Bn SOS3)和Bna C07g25850D(Bn ABI5)等基因。此外,还鉴定了一些与前人研究共定位的基因,其中包括Bna A01g02240D(Bn MYB32),Bna A01g12890D(Bn OSM34),Bna A01g02100D(Bn TMT2),Bna A05g03980D(Bn BGLU27),Bna A05g05230D(Bn HH2),Bna A05g04990D(Bn SAP18),Bna A07g22240D(Bn MYB95)和Bna A07g22790D(Bn TIP3;1)等基因。通过高通量表型平台对505份关联群体在5个不同的时间点和人工模拟低盐和高盐胁迫条件下总共收集的2,111个性状,包括54侧视指标、17个顶视指标和2,040个高光谱指标。通过高重复力、遗传力和处理效应等一系列严格的筛选标准,在不同的时期和处理条件下总共鉴定了928个高质量与盐胁迫紧密相关的性状。然后分别对2,245个盐胁迫系数进行全基因组关联分析,通过严格的候选基因打分标准最终鉴定了234个与盐胁迫相关的候选基因。另外,为了弥补全基因组关联分析(GWAS)基因定位存在假阳性的不足,通过人工模拟盐、碱盆栽条件,利用高通量表型平台在5个时间点对91份导入系材料总共收集了71个可见光指标,其中包括54个侧视指标和17个顶视指标。然后分别对2,132个胁迫指数进行连锁分析,总共鉴定了204个高频(≥10)共定位的QTLs。在被鉴定的候选基因中有些是已经报道的与盐胁迫响应相关的基因,例如Sn RK2、RD20、SOS3、ABI5和WRKY33等基因。进一步对两个未报道参与盐胁迫响应的基因Bn CKX5和Bn ERF3进行了转基因功能验证。Bn CKX5包含一个FAD/cytokinin保守的结构域,编码一个细胞分裂素氧化酶/脱氢酶从而调节细胞分裂素的稳态。而Bn ERF3编码一个AP2/ERF3的家族的转录因子从而参与多个非生物逆境。在发芽期通过人工模拟盐胁迫和甘露醇胁迫条件,最终发现Bn CKX5和Bn ERF3超表达材料与野生型相比,其发芽势、发芽率、茎长和根长均受到抑制。有意思的是,在ABA胁迫条件下发现超表达Bn ERF3株系其发芽势受到抑制。然而,当子叶变绿,ABA胁迫下绿色子叶率显著提高。与此同时,分别从水培、土栽和表型平台三种验证方式发现与野生型相比,超表达Bn CKX5在苗期增加了对盐胁迫的敏感性,而超表达Bn ERF3在苗期增加了对盐胁迫抗性。总之,在人工模拟盐、碱胁迫条件下,充分利用全基因组关联分析和连锁分析在发芽期、苗期和全生育期分别对甘蓝型油菜505份关联群体和91份导入系材料在盐胁迫下复杂农艺性状进行了遗传解析,还鉴定到与多个极端品种,与此同时还挖掘到了与盐胁迫相关的候选基因并进行功能验证。该研究为甘蓝型油菜耐盐性遗传改良提供了重要的种质资源和理论依据。
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