小麦分子遗传图谱的构建及数量性状基因定位

论文摘要

小麦是世界重要的粮食作物。小麦等农作物的许多重要农艺性状（如产量性状、生育期、抗逆性等）和品质性状是由多基因控制的数量性状（QTL）。随着分子遗传学和基因组学研究的发展,对QTL的标记、分离与利用将成为农作物遗传改良实践中一个重要和必不可少的组成部分,不仅可以为分子标记辅助选择和分子设计育种准备基因资源,也可以为相关基因的精细定位和克隆奠定基础。本研究以花培3号×豫麦57的双单倍体（Doubled Haploid,DH）群体为作图群体,构建了小麦分子遗传图谱,并利用基于混合线性模型的QTLNetwork 2.0软件,对籽粒产量、穗部相关性状、株高、抽穗期、抗倒伏性、白粉病成株抗性、叶绿素含量、叶部形态（旗叶挺直角度、上三叶的长、宽和面积）等重要农艺性状及面粉白度（R457）、a*值、b*值、L*值、多酚氧化酶活性、湿面筋含量、面筋指数和籽粒硬度等品质性状共33个性状进行了QTL定位分析,取得的主要结果如下:1.利用高产、多抗的中国普通小麦花培3号和综合性状优良的豫麦57构建的168个株系的DH群体为作图群体。选用2002对不同来源的引物（包括1623对SSR引物和379对EST-SSR引物）对亲本进行扩增筛选,其中270对SSR引物和17对EST-SSR引物在群体中扩增出清晰且有差异的标记位点,大多数位点在群体中的分布符合1: 1的分离比例,结果表明,该群体可用于小麦数量性状的作图研究。2.用MAPMAKER/EXP3.0b软件,将305个标记,包括283个SSR标记和22个EST-SSR标记位点定位在小麦的21条染色上。图谱全长2141.7 cM,平均两个标记间的遗传距离是7.02 cM,形成24个连锁群,被定位在小麦的21条染色体上。每个连锁群包括3～24个位点,平均每个连锁群为12.71个位点。发现了一些标记富集区,这些区域在不同作图群体间多态性较高,有利于进行QTL定位研究。3.77个（24.4%）位点发生了偏分离,其中44个位点（57.1%）偏向母本花培3号等位位点,33个位点（42.9%）偏向父本豫麦57等位位点。偏分离位点在A、B和D基因组上的分布是不均衡的,分别为12、51和14个位点,其在染色体上的分布存在明显的聚集现象,主要分布在染色体1A （5）、1B （12）、3B （21）和6B （13）上。4.利用基于混合线性模型的QTLNetwork 2.0软件,对籽粒产量及相关重要农艺性状和主要品质性状共33个性状进行了2年3点的QTL定位分析,共检测到123个加性QTLs和89对上位QTLs,分布在小麦的21条染色体上。其中31个加性QTLs遗传贡献率较大（超过10%）,属主效基因,其余92个加性QTLs遗传贡献率较小（小于10%）,属微效基因。4.1籽粒产量及穗部性状的QTLs定位。籽粒产量的3个加性QTLs位于2D、4A和5D染色体,可分别解释14.07%、4.52%和10.32%的表型变异;3对上位QTLs可分别解释2.25%、4.03%和6.51%的表型变异;穗部相关性状（穗长、穗粒数、总小穗数、小穗着生密度、可育小穗数、千粒重和粒径）的24个加性QTLs位于1B、2B、2D、3A、3B、4A、4B、4D、5D、6A、6B、7A和7D染色体,单个QTL可解释表型变异的1.48～15.63%,10对上位QTLs可解释3.33～7.42%的表型变异。4.2株高及相关农艺性状的QTLs定位。株高的4个加性QTLs位于3A、4B、4D和7D染色体,可分别解释8.50%、14.51%、20.22%和2.54%的表型变异,5对上位QTLs可解释2.62～6.56%的表型变异;抽穗期的2个QTLs位于1B和5D染色体,可分别解释3.49%和53.19%的表型变异,2对上位QTLs可分别解释2.45%和3.44%的表型变异;白粉病成株抗性的2个QTLs位于4D和5D染色体,可分别解释20.0%和1.3%的表型变异,2对上位QTLs可分别解释3.6%和1.3%的表型变异;抗倒伏性的5个QTLs位于1B、2B、3A、4B和4D染色体,可分别解释4.2%、2.5%、4.3%、2.1%和3.0%的表型变异,6对上位QTLs可解释1.0%～3.9%的表型变异;穗下节长度的5个QTLs位于3A、4B、4D、5A和7D染色体,可分别解释2.6%、1.8%、8.2%、3.1%和12.9%的表型变异,2对上位QTLs可分别解释8.1%和4.7%的表型变异。其中位于5DL染色体Xbarc320-Xwmc215区间的qHd5D遗传贡献率最大,可解释53.19%的表型变异,该位点与Vrn-D1紧密连锁,为通过有限回交建立近等基因系,进行该位点的精细定位和图位克隆奠定了基础。4.3植物生理性状的QTLs定位。叶绿素（叶绿素a和叶绿素b）含量的8个QTLs位于1B、2D、4A（2）、5A、5D（2）和7A染色体,单个QTL可解释0.84～23.29%的表型变异;叶绿素a含量的3对上位QTLs可分别解释3.97%、1.62%和1.86%的表型变异。叶部形态（旗叶挺直角度、上三叶长、宽和面积）10个性状检测到31个加性QTLs,单个QTL可解释1.17～21.91%的表型变异,22对加性QTLs可解释0.61～7.98%的表型变异。4.4品质性状的QTLs定位。检测到控制8个品质性状（面粉白度、a*值、b*值、L*值、多酚氧化酶活性、湿面筋含量、面筋指数和籽粒硬度）的39个加性QTLs,单个QTL可解释0.51～25.64%的表型变异,33对上位QTLs可解释0.60～9.14%的表型变异。5.新定位了22个SSR位点,发现了20个SSR位点新的染色体位置,丰富了分子标记在小麦遗传和育种中的应用。首次定位了控制旗叶挺直角度、倒二叶和倒三叶形态（叶长、叶宽和叶面积）、湿面筋含量和面筋指数的QTL。首次在同一个小麦群体中解析了植物生理性状（叶部形态和叶绿素含量）与籽粒产量、品质、早熟性和抗病虫性表型相关的遗传机理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1. 遗传图谱的构建
• 1.1 亲本选择
• 1.1.1 作图群体的选择与类型
• 1.1.1.1 F2 群体或其衍生的F3、F4 家系
• 1.1.1.2 BC 群体
• 1.1.1.3 NIL 群体
• 1.1.1.4 DH 群体
• 1.1.1.5 RIL 群体
• 1.1.2 群体大小
• 1.2 遗传标记的选择与类型
• 1.2.1 形态标记
• 1.2.2 细胞学标记
• 1.2.3 生化标记
• 1.2.4 DNA 分子标记
• 1.2.4.1 限制性片段长度多态性（Restriction Fragment Length polymorphism, RFLP）
• 1.2.4.2 随机扩增多态性DNA （Random Amplified Polymorphic DNA, RAPD）
• 1.2.4.3 序列特异性扩增区域（Sequence Characterized Amplified Regions，SCAR）
• 1.2.4.4 序列标志位点（Sequence Tagged Sites，STS）
• 1.2.4.5 简单序列重复（Simple Sequence Repeats，SSRs）
• 1.2.4.6 简单序列重复区间扩增多态性（Inter-Simple Sequence Repeat，ISSR）
• 1.2.4.7 单核苷酸多态性（Single Nucleotide Polymorphism，SNP）
• 1.2.4.8 扩增片段长度多态性（Amplified Fragment Length Polymorphism，AFLP）
• 1.3 构建分子连锁图
• 1.3.1 构建连锁图谱的程序
• 1.3.2 与遗传连锁图谱构建有关的几个问题
• 1.3.2.1 遗传图距的相对性
• 1.3.2.2 构建饱和图谱所需分子标记数
• 1.3.2.3 作图群体数目
• 1.3.2.4 作图群体大小
• 1.4 小麦遗传图谱研究进展
• 1.4.1 小麦经典遗传图谱研究进展
• 1.4.2 小麦分子遗传图谱研究进展
• 2. 基因定位的种类与方法
• 2.1 质量性状基因定位
• 2.2 数量性状QTL 定位
• 2.2.1 QTL 作图原理及QTL 定位的必要条件
• 2.2.2 QTL 作图的统计方法
• 2.2.2.1 单标记分析法
• 2.2.2.2 区间作图法
• 2.2.2.3 复合区间作图法
• 2.2.2.4 混合线性模型方法
• 2.2.3 QTL 的作图精度
• 2.2.4 QTL 与环境的互作
• 2.2.5 小麦QTL 研究进展
• 2.2.6 QTL 分子标记发展及应用前景
• 3. 分子标记辅助育种
• 4. 本研究的目的与意义
• 第二章 小麦分子遗传图谱的构建
• 1 材料和方法
• 1.1 试验材料
• 1.2 方法
• 1.2.1 基因组DNA 的提取
• 1.2.1.1 主要试剂和仪器
• 1.2.1.2 基因组DNA 的提取
• 1.2.2 DNA 浓度及纯度的检测
• 1.2.3 分子标记实验程序
• 1.2.3.1 微卫星引物的来源
• 1.2.3.2 微卫星DNA 扩增
• 1.2.3.3 扩增产物变性
• 1.2.4 电泳分析
• 1.2.4.1 聚丙烯酰胺凝胶的配制
• 1.2.4.2 电泳胶板的制备
• 1.2.4.3 扩增产物的电泳
• 1.2.4.4 扩增产物的银染显色
• 1.3 遗传图谱的构建
• 2 结果与分析
• 2.1 SSR 和EST-SSR 标记在作图群体中的分离
• 2.2 遗传图谱的构建
• 2.3 偏分离标记位点的分布
• 3 小结
• 第三章 小麦数量性状基因定位
• 1 材料和方法
• 1.1 试验材料
• 1.2 田间试验设计
• 1.3 性状调查或测定
• 1.3.1 株高的测定
• 1.3.2 抽穗期调查
• 1.3.3 籽粒产量的测定
• 1.3.4 穗部相关性状的调查
• 1.3.5 白粉病成株抗性的调查
• 1.3.6 抗倒伏性的调查
• 1.3.7 叶绿素含量的测定
• 1.3.8 叶部相关性状的调查
• 1.4 主要品质指标测定
• 1.4.1 磨粉
• 1.4.2 面粉白度（R457）
• 1.4.3 面粉色泽（L* a* b*值）
• 1.4.4 多酚氧化酶活性的测定
• 1.4.5 湿面筋含量和面筋指数的测定
• 1.4.6 籽粒硬度和籽粒粒径的测定
• 1.5 数据统计和QTL 分析
• 2. 结果与分析
• 2.1 籽粒产量和穗部相关性状的QTLs 定位研究
• 2.1.1 籽粒产量和穗部相关性状的变异
• 2.1.2 籽粒产量及穗部相关性状的的相关性分析
• 2.1.3 籽粒产量和穗部相关性状的QTL 定位及效应分析
• 2.1.3.1 籽粒产量的QTLs 定位及效应分析
• 2.1.3.2 穗粒数的QTLs 定位及效应分析
• 2.1.3.3 穗长的QTLs 定位及效应分析
• 2.1.3.4 总小穗数的QTLs 定位及效应分析
• 2.1.3.5 小穗着生密度的QTLs 定位及效应分析
• 2.1.3.6 结实小穗数的QTLs 定位及效应分析
• 2.1.3.7 粒径的QTLs 定位及效应分析
• 2.1.3.8 千粒重的QTLs 定位及效应分析
• 2.2 株高及其它农艺性状的QTLs 定位研究
• 2.2.1 株高及其它农艺性状的变异
• 2.2.2 株高及其它农艺性状相关性分析
• 2.2.3 株高及其它农艺性状QTLs 定位及效应分析
• 2.2.3.1 株高QTLs 定位及效应分析
• 2.2.3.2 抽穗期QTLs 定位及效应分析
• 2.2.3.3 白粉病成株抗性的QTLs 定位及效应分析
• 2.2.3.4 抗倒伏性的QTLs 定位及效应分析
• 2.2.3.5 穗下节长度的QTLs 定位及效应分析
• 2.3 叶绿素含量QTL 定位研究
• 2.3.1 叶绿素含量变异及其相关性分析
• 2.3.2 叶绿素含量的QTLs 定位研究
• 2.3.2.1 叶绿素a 含量的QTLs 定位及效应分析
• 2.3.3.2 叶绿素b 含量的QTLs 定位及效应分析
• 2.4 叶部形态QTLs 定位研究
• 2.4.1 叶部形态的变异
• 2.4.2 叶部形态的相关性分析
• 2.4.3 叶部形态的QTL 定位及效应分析
• 2.4.3.1 旗叶挺直角度的QTL 定位及效应分析
• 2.4.3.2 旗叶长的QTLs 定位及效应分析
• 2.4.3.3 旗叶宽的QTLs 定位及效应分析
• 2.4.3.4 旗叶面积的QTLs 定位及效应分析
• 2.4.3.5 倒二叶长的QTLs 定位及效应分析
• 2.4.3.6 倒二叶宽的QTLs 定位及效应分析
• 2.4.3.7 倒二叶面积的QTLs 定位及效应分析
• 2.4.3.8 倒三叶长的QTLs 定位及效应分析
• 2.4.3.9 倒三叶宽的QTLs 定位及效应分析
• 2.4.3.10 倒三叶面积的QTLs 定位及效应分析
• 2.5 品质性状QTLs 定位研究
• 2.5.1 品质性状的表型变异
• 2.5.2 品质性状间的相关性分析
• 2.5.3 品质性状的QTLs 定位及效应分析
• 2.5.3.1 面粉白度（R157）的QTLs 定位及效应分析
• 2.5.3.2 面粉色泽红度a* 值的QTLs 定位及效应分析
• 2.5.3.3 面粉色泽黄度b*值的QTLs 定位及效应分析
• 2.5.3.4 面粉色泽亮度L* 值的QTLs 定位及效应分析
• 2.5.3.5 多酚氧化酶活性的QTLs 定位及效应分析
• 2.5.3.6 湿面筋含量的QTLs 定位及效应分析
• 2.5.3.7 面筋指数的QTLs 定位及效应分析
• 2.5.3.8 籽粒硬度的QTLs 定位及效应分析
• 3. 小结
• 第四章 讨论与结论
• 1 讨论
• 1.1 本分子遗传图谱构建的意义
• 1.2 分子标记偏分离的遗传原因
• 1.3 目前小麦分子遗传图谱构建存在的问题及解决途径
• 1.4 小麦数量性状的遗传基础与遗传改良
• 1.5 相关性状的遗传基础与分子聚合育种
• 1.5.1 QTL 位点的“一因多效性”和性状的相关性
• 1.5.2 双位点互作的多效性和性状的相关性
• 1.6 QTL 定位一致性的讨论
• 1.7 饱和遗传图谱的构建、群体数量的扩展和永久F2 群体的建立
• 1.8 QTL 精细定位、克隆及利用
• 2. 结论
• 3. 创新点
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文及获奖成果