大豆磷效率與光合相關(guān)性狀的QTL定位分析.pdf

1、大豆[Glycine max(L.)Merrill]是最重要的糧食和油料作物之一，約占全球含油種子產(chǎn)量的56％。大豆產(chǎn)量的積累依賴光合作用，但是光合作用在很大程度上依賴于磷及含磷化合物。與其他植物相比，大豆在生長發(fā)育過程中需要更多的磷，尤其是在生殖生長時(shí)期，如低磷脅迫影響大豆根瘤發(fā)育、降低固氮效率與生物量、增加花/莢脫落等，并最終影響大豆的產(chǎn)量與品質(zhì)。因此，當(dāng)前低磷脅迫已成為我國大豆生產(chǎn)發(fā)展的重要限制因素之一。發(fā)掘大豆磷高效與高光效關(guān)鍵

2、基因，通過分子設(shè)計(jì)育種等手段培育磷高效和高光效大豆新品種是提高大豆耐低磷和光合能力的一條有效途徑。然而，目前大豆磷效率的遺傳基礎(chǔ)還不十分清楚，尤其是磷效率與光合相關(guān)性狀的遺傳關(guān)系尚未見報(bào)道。基于高密度的遺傳圖譜，鑒定出大豆耐低磷與光合性狀相關(guān)的QTL并進(jìn)一步闡明其遺傳關(guān)系，將有助于通過分子標(biāo)記輔助選擇等手段促進(jìn)大豆的遺傳改良和種質(zhì)創(chuàng)新。
　　本研究利用波高×南農(nóng)94-156雜交所衍生的146個(gè)重組自交系材料F812構(gòu)建大豆高密度遺

3、傳圖譜，在不同磷水平下，對7個(gè)磷效率和5個(gè)光合相關(guān)性狀進(jìn)行QTL連鎖分析，結(jié)合表型相關(guān)以及QTL的共位情況分析大豆磷效率和光合相關(guān)性狀之間的關(guān)系。同時(shí)從這146個(gè)家系材料中篩選出兩個(gè)超親分離家系B18和B20，并進(jìn)行不同磷處理水平下的水培試驗(yàn)，通過一系列的表型鑒定，包括7個(gè)磷效率相關(guān)性狀、5個(gè)光合相關(guān)性狀、4個(gè)熒光參數(shù)、3個(gè)酶活性以及葉綠體的超微結(jié)構(gòu)來探討大豆在低磷脅迫條件下的光合響應(yīng)機(jī)制。本試驗(yàn)的主要結(jié)果總結(jié)如下:
　　(1)在

4、低磷脅迫下，兩個(gè)超親材料中葉綠素含量、凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率(Tr)等光合相關(guān)性狀均有所降低，但是B18(磷效率敏感材料)降低的幅度顯著高于B20（耐低磷材料）。相反地，低磷脅迫下兩材料葉片胞間二氧化碳濃度(Ci)均有所升高(B18和B20分別升高36.6％和14.4％)。對于葉綠素?zé)晒鈪?shù)，在低磷情況下兩超親材料中PSⅡ最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm)、實(shí)際光量子產(chǎn)量(ΦPSⅡ)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qp)均表現(xiàn)下

5、降，而非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)升高，除B20中的西PSⅡ，其他相關(guān)性狀在低磷脅迫下的變化均達(dá)到顯著或極顯著水平，且在B18材料中變化幅度更大。這些結(jié)果表明低磷脅迫對磷效率敏感材料的光合能力造成的影響更大。另外，我們還發(fā)現(xiàn)在低磷脅迫情況下，1，5-二磷酸核酮糖酶(Rubsico)活性在B18材料中顯著下降，而在耐低磷材料B20中則顯著上升;酸性磷酸酶(APA)活性雖在兩材料中均表現(xiàn)上升，但是耐低磷材料B20上升的幅度更大，為正常磷濃度時(shí)

6、的2倍以上;而低磷敏感材料B18中APA活性則變化不顯著。因此，我們進(jìn)一步推測B20材料中光合能力在低磷脅迫下受到較小的影響，可能是因?yàn)槠滹@著上升的酶活性提高了植株對磷的吸收和利用效率，并最終能夠保持較為穩(wěn)定的光合能力。
　　(2)大豆磷效率與光合相關(guān)性狀均是由多基因控制的復(fù)雜數(shù)量性狀，其相應(yīng)的遺傳機(jī)制目前還不十分清楚，尤其是對于兩者之間的遺傳關(guān)系尚未見報(bào)道。在本研究中，我們首先采用二代測序技術(shù)(SLAF-seq)在大豆RIL群體

7、中構(gòu)建了高密度遺傳圖譜，該圖譜長度為3020.59cM，包含了覆蓋大豆20條染色體上的6159個(gè)SNP標(biāo)記，相鄰標(biāo)記之間的平均距離為0.49cM?；谠搱D譜，我們對前期已發(fā)表的5個(gè)磷效率相關(guān)性狀進(jìn)行QTL連鎖分析，結(jié)果共檢測到了20個(gè)磷效率相關(guān)QTL，發(fā)現(xiàn)大部分QTL(12個(gè))與前期報(bào)道的位點(diǎn)一致。同時(shí)我們還鑒定到了8個(gè)新的磷效率相關(guān)QTL，其中一個(gè)位于4號染色體上的多效性QTL，q4-2，不僅能夠在不同處理與不同環(huán)境中穩(wěn)定表達(dá)，且對表

8、型變異的解釋率達(dá)到12.6％。這些結(jié)果表明該圖譜具有較高的準(zhǔn)確性和檢測效力。更為重要的是，與我們前期已報(bào)到QTL結(jié)果相比，幾乎所有檢測到的QTL置信區(qū)間均顯著縮小，且能夠準(zhǔn)確鑒定到兩個(gè)已克隆的磷效率關(guān)鍵基因GmACP1和GmPT1，進(jìn)一步說明該圖譜具有較高的精確性和分辨率。另外，我們還結(jié)合大豆基因組信息和前期轉(zhuǎn)錄組相關(guān)結(jié)果，對一些磷效率主效QTL進(jìn)行候選基因預(yù)測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了14個(gè)可能的磷效率相關(guān)候選基因，如一個(gè)膠甲酯酶編碼基因(yma.

9、04G214000)和蛋白激酶基因(Glyma.13G161900)的表達(dá)量均在低磷脅迫條件下顯著升高，表明其可能參與了大豆磷代謝途徑。另外，本研究中檢測到的那些與磷效率緊密連鎖的分子標(biāo)記將有助于大豆磷高效分子標(biāo)記輔助選擇育種。這些檢測到的磷效率相關(guān)QTLs不僅增加了我們對大豆磷效率遺傳基礎(chǔ)的理解，也為我們進(jìn)一步克隆大豆磷效率關(guān)鍵基因奠定了基礎(chǔ)。
　　(3)為明確大豆磷效率與光合相關(guān)性狀的遺傳基礎(chǔ)，本研究結(jié)合表型相關(guān)分析，QTL連

10、鎖分析及表達(dá)分析來剖析磷效率和光合作用的遺傳機(jī)制及其之間的關(guān)系。相關(guān)分析表明磷效率和光合作用相關(guān)性狀之間存在著顯著的表型相關(guān)性，且在低磷脅迫的情況下相關(guān)程度更強(qiáng)。連鎖分析共鑒定了172個(gè)與磷效率和光合性狀相關(guān)的QTLs，將這些QTLs根據(jù)其在染色體上的位置劃分為29個(gè)基因組區(qū)域，其中有12個(gè)基因組區(qū)域同時(shí)控制大豆磷效率和光合作用相關(guān)性狀，表明大豆磷效率與光合相關(guān)性狀在遺傳上具有較強(qiáng)的相關(guān)性。在這12個(gè)基因組區(qū)域中，其中三個(gè)主效QTL(q

11、14-2、q15-2和q19-2)能夠解釋6.6-58.9％的表型變異，這些位點(diǎn)不僅效應(yīng)大，且可能存在著同時(shí)控制大豆磷效率和光合能力的重要基因。另外，我們還鑒定到一個(gè)光合特異性QTL，q12-1，該位點(diǎn)在正常磷處理和低磷處理中均能穩(wěn)定表達(dá)，表明控制該位點(diǎn)的基因未受到低磷脅迫的影響，這意味著該QTL在大豆高光效育種中具有潛在的利用價(jià)值。此外，我們還結(jié)合轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析了一些位于主效QTL區(qū)間內(nèi)的候選基因表達(dá)特性，如在q19-2區(qū)域內(nèi)的紫色酸