知識學習|利用兩個基因組已知的親本構建群體定位大麥控制粒重的關鍵QTL位點並預測候選基因

2021-01-14 小麥遺傳與育種
粒重和單位面積穗粒數是影響大麥產量的主要因素。粒重主要受遺傳因素影響，同時也是廣義遺傳率較高、性狀遺傳較穩定的產量構成因子。在高產栽培條件下，由於單位面積穗粒數受到限制，粒重成為影響產量的最主要因素。因此，了解粒重的遺傳基礎對於進一步提高大麥產量尤為重要。然而，大麥基因組比水稻、玉米更加複雜，粒重基因的精細定位、克隆及功能研究進展相對緩慢，現階段國內外研究主要圍繞籽粒基因的初定位及其遺傳效應展開，並已在大麥7條染色體上鑑定到多個QTL位點，但是均沒有更進一步的研究。因此，解析大麥粒重的遺傳機制，是提高大麥產量的一個有效策略。近日四川農業大學小麥研究所和澳大利亞CSIRO Agriculture Flagship在The Crop Journal上發表了題為「Identification of loci and candidate genes controlling kernel weight in barley based on a population for which whole genome assemblies are available for both parents」的論文。該論文以小粒重野生大麥AWCS276為共同親本，分別和大粒重栽培大麥Morex和Baudin構建了兩個重組自交系（MA和BA）（圖1），並對MA群體進行了genotyping by sequence (GBS)測序構建高密度遺傳連鎖圖譜，在多環境和多群體對百粒重位點進行了挖掘和鑑定。

圖1 大粒重栽培大麥（Morex和Baudin）和小粒重野生大麥AWCS276籽粒圖


結果

1.百粒重QTL檢測

在BA群體裡一共鑑定到5個QTL控制百粒重，分布在2H、3H、3H、6H和7H，可解釋的表型變異在10.5 (KW-BA-2H)和30.3% (KW-BA-3H.2) 之間。其中只有KW-BA-6H能在連續3年所有環境下鑑定到，LOD值在3.8和5.8之間。同樣在MA群體裡鑑定到5個QTL，分布在2H、3H、6H、7H和7H，其中兩個QTL（KW-MA-2H和KW-MA-6H）能在所有4個環境下鑑定到。最後在兩個群體多個環境下鑑定得到3個主效QTL位點，分別位於2HL、6HL和7HL上（圖2）。

圖2 MA群體中控制粒重的QTL分布圖


2.百粒重主效QTL位點KW-6HNILs創製

在3個主效位點中，位於6HL上的位點KW-6H 能在兩個群體的所有環境下檢測到，因此針對該位點構建了近等基因系（NILs）。將篩選得到的9對NILs種到田間和溫室，表型調查發現，其中7對NILs的粒重存在顯著差異，而其他農藝性狀均沒有顯著差異。

3.百粒重主效QTL位點候選基因預測

研究者利用已公布的MA群體兩個親本（Morex和AWCS276）參考基因組和水稻粒重相關同源基因序列，對主效QTL位點進行候選基因預測。KW-2H和KW-6H位點分別預測到3個和1個候選基因，通過親本序列比對發現，4個候選基因均存在基因序列的SNP或者Indel差異（圖3）。以上結果為後續精細定位和克隆大麥粒重QTL奠定了基礎，同時證明利用已知基因組序列親本構建的遺傳群體進行目標性狀的遺傳定位，有利於對候選基因的預測挖掘。


圖3 KW-2H 和 KW-6H的候選基因的基因結構和在親本（Morex和AWCS276）之間的序列差異


討論

本研究中兩個重組自交系的共同親本AWCS276是中東野生大麥，沒有經過人為選擇，馴化程度較低，含有栽培大麥沒有的優異基因，可為遺傳變異和作物改良提供豐富的種質資源，已經廣泛的被用於大麥遺傳育種。而另外兩個親本Morex和Baudin是高產栽培品種，他們與AWCS276均有較遠的血緣關係，且百粒重具有較大的差異，所以由野生大麥AWCS276和栽培大麥品種Morex、Baudin構建的遺傳群體具有豐富的遺傳基礎，有利於野生大麥和栽培大麥間百粒重的QTL定位。同時栽培大麥Morex和野生大麥AWCS276已先後於2017年和2020年公布了參考基因組數據。兩個親本材料的基因組數據也為後續主效QTL位點的候選基因的挖掘提供了序列基礎。本研究利用兩個重組自交系群體鑑定到10個控制百粒重的QTL，這些位點在前人研究中均有報導，說明這些QTL在不同的遺傳背景和環境下較穩定。同時通過比對這些QTL位點的物理位置發現它們均位於染色體的長臂上。眾所周知，不同的群體裡的重組率可能有所不同，但依然不能解釋本研究發現的所有來自野生大麥的主效位點都位於染色體長臂且大部分都靠近端粒是否只是巧合。

本文鑑定到主效QTL位點HKW-6H 能在兩個群體的所有環境下檢測到，因此針對該位點用HIF法構建了近等基因系。在MA群體篩選得到的9對NILs，其中7對NILs的百粒重存在顯著差異，而其他性狀均沒有顯著差異。然而對水稻粒重基因的研究發現，許多農藝性狀都與粒重相互作用，如籽粒長寬、分櫱、旗葉生長。而HKW-6H的NILs之間只有百粒重有顯著差異，表明在單個基因型中控制粒重的位點很小，而針對較小的位點的鑑定和深入挖掘要比繼續檢測新的位點更有利於大麥育種工作。

HIF方法構建NILs最初是利用側翼標記去篩選雜合植株。如果兩個側翼標記都與它們的目標位點緊密相連，這種方法的成功率較高。然而，當使用來自QTL定位的側翼標記與目標位點距離較遠時，連鎖阻力可能是一個重要的問題。因為一對NILs之間的最小差異會是兩個側翼標記之間的染色體片段，所以當用QTL初定位結果的側翼標記構建NILs時，如果側翼標記與目標基因座沒有緊密連鎖，NILs之間差異片段可能會很大。為了獲得一對NILs之間差異的染色體片段較小的NILs，可以只使用一個與目標位點緊密連鎖的標記去構建NILs。然而，一個標記和它的目標基因座之間也可能發生重組，因此使用單個標記獲得的一些NILs可能是錯誤的，它們不會在目標位點分離。這可能是在本研究中構建的9對NILs中有兩對在粒重上沒有差異的原因，這也與前人研究中獲得的結果相似。


周紅、羅偉、高尚為本文共同第一作者，劉春吉和劉亞西為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金項目（31771794），國家重點研發計劃項目（2017YFD0100900、2016YFD0101004），四川省科技廳青年基金項目（2016JQ0040），科技部國際合作專項項目（2015DFA306002015-GH03-00008-HZ）的資助。


來源：The Crop Journal，僅用於學術分享，轉載註明來處。若有侵權，請聯繫刪除或修改。


原文連結：https://doi.org/10.1016/j.cj.2020.07.010

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