基于GBS測序和連鎖分析的藜麥單株粒重QTL定位

吳文強, 代越琪, 陳天青, 隋建樞, 羅永露, 王 偉, 何慶才

(1.貴州省農業科學院旱糧研究所, 貴陽 550006; 2.貴州金農科技有限責任公司, 貴陽 550006)

藜麥(ChenopodiumquinoaWilld.)屬藜科藜屬,原產于南美洲安第斯山脈,作為印第安人的傳統食物,被聯合國糧食及農業組織(FAO)認定為唯一一種單體植物即可滿足人體基本營養需求的食物[1-2],且具有耐旱、耐寒、耐鹽堿、耐瘠薄等特性[3-5]。近年來,藜麥在世界各國的需求量大幅度上升,僅靠南美洲進口藜麥品種已經不能滿足藜麥市場需求[6]。因此,歐洲、亞洲和非洲各國開始了一系列引種試驗和藜麥栽培研究[7-8],為藜麥產業發展奠定了一定的基礎。同時,藜麥相關基因組學研究也取得了一定的成果,如Maldonado等[9]利用PI614889 和CHEN-109 構建F2和F3群體,定位到生育期、株型、千粒重以及皂苷含量等發育相關QTL 15個;以及Cervantes等[10]利用Red Carina 和Atlas 為親本,構建94個F3個體與1 076個SNP定位到穗色、開花時間、成熟時間、株高以及千粒重等22個農藝性狀相關QTL,其中pleio7.1與藜麥單株粒重相關。這些研究為解析藜麥單株粒重遺傳基礎提供了參考。然而,藜麥單株粒重作為復雜數量性狀,是大量微效等位基因共同作用的結果[11-12],基于少數藜麥種質材料尤其是國外的種質,以及低密度標記所揭示的遺傳基礎,對于深度揭示認識藜麥單株粒重變異的遺傳基礎所提供的信息較為有限。近年來,隨著高通量的基因型鑒定技術的大量應用,結合連鎖分析和高通量基因型鑒定技術,深入解析重要性狀變異的遺傳研究,能夠有效縮小目標QTL,提高定位結果的分辨率,該方法已被大量應用在主要糧食作物重要性狀的遺傳區段鑒定上[13-14],為藜麥單株粒重的遺傳基礎解析提供了很好的借鑒。因此,選用國內選育,且擁有較大種植面積的隴藜1號高代選系和與其在單株粒重上有較大差異的ZL00114高代選系為親本構建作圖群體,并結合基因測測序(GBS),解析藜麥單株粒重變異的遺傳基礎,挖掘相關性狀的遺傳區段,對于充分利用國內藜麥種質的遺傳優勢及改良其單株粒重具有重要的科學理論意義和實踐利用價值。

1 材料與方法

1.1 材 料

本研究以單株粒重較高的藜麥品種隴藜1號高代選系和單株粒重低的高代自育選系ZL00114為親本構建的120個單株的F2分離群體以及120個F2∶3分離家系為材料。

1.2 田間試驗設計及表型評價

試驗采用隨機區組設計,單行區,行長3 m,株距0.3 m,行距0.6 m,并于2021年冬季在海南南繁基地(九所)種植120個F2單株。于2022年夏季在貴州省農業科學院試驗基地種植120個F2∶3家系, 田間管理同大田生產,并于收獲后進行單株粒重表型鑒定,每個F2∶3家系鑒定10株。

1.3 DNA提取和基因型鑒定

藜麥6葉期,取F2單株幼嫩葉片,利用改良CTAB法提取基因組DNA,并將合格的DNA樣品送北京康普森生物技術公司進行DNA質量評估和簡化GBS,鑒定基因型。

1.4 數據分析

利用SAS9.0、IciMapping等軟件對數據進行方差分析和QTL定位,鑒定出控制藜麥單株粒重的遺傳區段。

2 結果與分析

2.1 高密度遺傳圖譜構建

利用34 484個SNP構建了高質量的遺傳圖譜。結果(圖1)顯示,所有SNP分布于18條染色體上。其中第1條染色體上SNP分布最多,為5 493個;第9條染色體分布最少,為234個;其余各染色體上SNP分布數量分別是:第2條1 704個、第3條2 113個、第4條1 787個、第5條2 446個、第6條3 611個、第7條1 642個、第8條1 780個、第10條1 212個、第11條1 348個、第12條2 083個、第13條505個、第14條1 850個、第15條2 190個、第16條1 542個、第17條1 907個以及第18條1 037個。

注:每行代表一個SNP標記,不同的顏色顯示不同的標記密度;淺色表示標記的密度低,而深色表示標記的密度高。

2.2 控制藜麥單株粒重QTL

利用完備區間作圖法,定位到7個控制藜麥單株粒重相關QTL,結果列于表1。分析發現,這些QTL分布于第3,4,5,7,12條染色體上,其中,第3、第7染色體上分別分布了2個相關QTL。結果顯示,單個位點可解釋6.09%～10.17%的單株粒重變異,單個QTL大小在10.54～401.86 kb之間。

表1 控制藜麥單株粒重相關QTL

定位于第3條染色體控制藜麥單株粒重的QTL有2個 (表1,圖2),分別是qSPW3-1和qSPW3-2,qSPW3-1大小為265.76 kb,LOD值為2.59,可解釋藜麥單株粒重表型變異6.34%;qSPW3-2大小為401.86 kb,LOD值為2.99,可解釋藜麥單株粒重表型變異10.17%;其中qSPW3-2表現出較高的遺傳效應。

注:x軸表示每個染色體上SNP標記的物理位置;y軸表示LOD值,虛線表示閾值。下同。

定位于第4條染色體控制藜麥單株粒重的QTL是qSPW4,大小為10.54 kb,LOD值為2.55,可解釋藜麥單株產量表型變異7.58%(表1、圖3)。

圖3 定位于第4條染色體控制藜麥單株粒重QTL

定位于第5條染色體控制藜麥單株粒重的QTL是qSPW5,大小為194.87 kb,LOD值為3.56,可解釋藜麥單株產量表型變異6.09%(表1、圖4)。

圖4 定位于第5條染色體控制藜麥單株粒重的QTL

定位于第5條染色體控制藜麥單株粒重的QTL 有2個,分別是qSPW7-1和qSPW7-2(表1、圖5)。其中,qSPW7-1大小為199.07 kb,LOD值為3.13,可解釋藜麥單株粒重表型變異的7.70%(表1);qSPW7-2大小為63.04 kb,LOD值為4.07,可解釋藜麥單株粒重表型變異9.33%(表1),表現出了較高的遺傳效應。

圖5 定位于第7條染色體控制藜麥單株粒重的QTL

定位于第12條染色體的QTL是qSPW12,大小為102.09 kb,LOD值為2.98,可解釋藜麥單株粒重表型變異的6.63%(表1、圖6)。

圖6 定位于第12條染色體控制藜麥單株粒重的QTL

3 討 論

目前,藜麥QTL定位相關研究報道較少,尤其是單株粒重相關QTL定位,只有Cervantes等[10]利用Red Carina和Atlas為親本構建94個F3個體與1 076個SNP定位到與藜麥單株粒重相關的QTL pleio7.1,為解析藜麥單株粒重遺傳基礎,提供的理論依據有限。本研究以單株粒重差異較大的兩個親本構建的雙親分離群體為材料,基于GBS測序和表型鑒定結果,利用完備區間作圖法定位到7個控制藜麥單株粒重的QTL(表1),均為新定位到的控制藜麥單株粒重相關QTL,分別是位于第3染色體的qSPW3-1、qSPW3-2;位于第4染色體的qSPW4;位于第5染色體的qSPW5,位于第7染色體的qSPW7-1、qSPW7-2;以及位于第12染色體的qSPW12;單個QTL表型變異貢獻率為6.09%～10.17%,可累計解釋藜麥單株粒重變異的58.34%;單個QTL變幅為10.54～401.86 kb。這些研究將為初步揭示藜麥產量相關性狀變異的遺傳基礎提供分子遺傳學依據,為基于分子標記輔助選擇的藜麥高產新種質創制提供一定支撐。下一步,本研究將結合連鎖分析和關聯分析,針對雙親分離群體重組事件相對較小以及自然群體定位結果假陽性較高的特點,提高定位精度,為進一步的精細定位和基因篩選提供參考。