我国大豆资源的蛋白质组分与亚基归组及其变异程度、遗传和QTL分析

我国大豆资源的蛋白质组分与亚基归组及其变异程度、遗传和QTL分析

论文摘要

大豆[Glycine max(L.)Merr.]原产于我国,是当今世界上最重要的植物蛋白与食用植物油的来源。大豆含有丰富的蛋白质和人体必需的氨基酸,蛋白质组分(主要为11S和7S及其比值)和亚基是大豆蛋白质品质的重要性状。以往蛋白质组分及其含量的测定主要采用超速离心分离或碱溶、酸沉、凝胶过滤纯化方法,这些方法适于小样本大样品的情况。对于育种和资源研究,需要一种能处理大样本小量样品、简单易行的技术。国内外不同学者曾经对蛋白质组分做过SDS-PAGE分析,电泳分析比较简易,但所分析材料多局限于局部地区的个别品种,缺乏代表性,所获蛋白质组分和亚基分子量的研究结果差异很大甚至相互矛盾,参考价值受到限制。因此,分析材料的范围有待扩大,材料代表性有待提高,以便把研究结果用于大豆蛋白质品质改良的研究中,因为育种者期望用简易方法研究资源和育种材料,提高育种成效并节省人力、物力和时间。在方法未解决时,育种者只对蛋白质含量做了分析测定,也做了一些遗传分析与QTL定位,但对11S、7S组分及其亚基相对含量的遗传分析和QTL定位研究很少。鉴于以上情况,本研究目的为:(1)在前人研究的基础上,通过640份具有代表性的栽培大豆品种的蛋白质SDS-PAGE分析,揭示蛋白质组分和亚基的电泳条带分布规律、确定鉴别大豆蛋白质11S和7S组分及其亚基的分子量标准,在此基础上建立一种相对简单的测定其相对含量的方法。(2)以原产于我国各个生态区的代表性野生豆、地方品种和育成品种为材料,在同一试验条件和同一直接测定方法下研究自然进化和人工进化对蛋白质含量、11S和7S组分相对含量的影响,分析不同生态区不同类型资源变异的特点,并从中优选特异资源以供蛋白质品质育种利用。(3)在资源研究的基础上,利用南京农业大学大豆所提供的重组自交系群体NJRIKY和重组回交自交系群体NJBIEX,探讨蛋白质含量、11S和7S组分相对含量的遗传机制并进行QTL定位,筛选相关的分子标记,为大豆蛋白质品质育种提供参考。本研究得到以下主要结果:1.640份栽培大豆品种的提取蛋白SDS-PAGE分析结果,品种间电泳条带数和条带分子量(MW)变异很大,在SDS-PAGE谱带中不同分子量的电泳条带呈现连续分布的趋势,没有间断点。参照前人结果,根据分布峰谷状况,按分子量把SDS-PAGE谱带划分成两个区域:分子量MW<44 KDa区域和分子量MW≥44 KDa的区域。第一个区域对应为11S组分,第二个区域对应为7S组分。进一步按照电泳条带次数分布的峰谷变化将条带分组称为亚基组。第一个区域的电泳条带归为4个亚基组,即11S-1(14.4-22 KDa)、11S-2(22-26 KDa)、11S-3(26.34 KDa)和11S-4(34-44 KDa);第二个区域的电泳条带归为6个亚基组,即7S-1(44-49KDa)、7S-2(49-55 KDa)、7S-3(55-67 KDa)、7S-4(67-73 KDa)、7S-5(73-82 KDa)和7S-6(82-91KDa)。11S-1~11S-4相对含量之和作为11S组分的相对含量,7S-1~7S-6相对含量之和作为7S组分的相对含量,从而计算11S/7S的比值。2.对全国138份野生豆、409份地方品种和148份育成品种以及83份国外引进品种(合计778份)的蛋白质组分有关性状分析结果,全国野生豆蛋白质含量、油脂含量和蛋脂总含量变幅分别为39.2~54.2%、7.5~17.5%和47.3~64.6%,地方品种为38.8~51.5%、11.5~23.4%和55.6~70.6%,国内育成品种为41.7~49.4%、12.9~24.9%和55.6~72.0%。野生豆驯化为栽培豆并经人工选育后油脂含量和蛋脂总含量有大幅增加,而蛋白质含量平均数和变异度则有减小,说明以往人工进化着重在油脂含量的改进。蛋白质含量、油脂含量和蛋脂总含量3性状各群体在各生态区内均有较大变异,区平均间差异并不大,各区都有优良变异。野生豆蛋白质含量、油脂含量和蛋脂总含量与来源地纬度并未发现相关;栽培豆地方品种和育成品种的油脂含量与地理纬度出现显著正相关;育成品种蛋白质含量与地理纬度还出现显著负相关;野生自然状态下蛋白质含量和油脂含量之间无相关,而栽培豆地方品种和育成品种依次增强了负相关,说明形成这种相关的原因在于地区间油脂含量人工进化程度的差异。全国野生豆、地方品种和育成品种11S相对含量平均分别为54.7%、64.8%和71.7%,变幅28.8~82.6%、38.8~79.4%和48.2~88.9%;7S相对含量平均分别为44.7%、34.9%和27.9%,变幅20.6~71.2%、20.6~61.1%和15.7~47.8%;11S/7S比值平均分别为1.4、2.0和2.7,变幅0.4~3.9、0.6~3.9和0.9~4.0。野生豆驯化为栽培豆并经选育后11S相对含量和11S/7S比值上升,7S相对含量下降,变幅均减小;亚基组11S-2和11S-3相对含量增加;7S的6个亚基组,尤其7S-1和7S-6,相对含量下降。11S、7S、11S/7S在各群体各生态区内均有较大变异,与来源地纬度、蛋白质和油脂含量均无显著相关。从各生态区和国外引进品种中优选出高蛋白质(≥50%)、高油脂(≥23%)和高蛋脂总含量(≥68%)种质各10份,优选到11S/7S比值大于3.7、11S相对含量为78.9-88.9%的8份种质,发现有11S的4个亚基组相对含量分别大于37%、7S的6个亚基组相对含量分别大于24%、以及11S-1和7S的6个亚基组缺失的种质。3.以蛋白质组分有关性状差异较大的科丰1号与南农1138-2衍生的RIL群体(NJRIKY,简称KY)和ZDD2315与Essex衍生的BIL群体(NJBIEX,简称EX)为材料,用主基因+多基因混合遗传模型分析大豆蛋白质组分有关性状的遗传机制,结果在KY中蛋白质含量主基因和多基因的遗传率分别为31.3%和53.7%,11S组分相对含量的为14.3%和50.7%,7S组分相对含量的为34.5%和45.1%,11S/7S比值的为74.8%和20.1%,4个11S亚基组的为45.2~77.9%和15.5~41.2%,6个7S亚基组的为38.9~67.8%和29.2~45.5%。在EX中蛋白质含量的为40.9%和37.2%,11S组分相对含量的为60.7%和17.0%,7S组分相对含量的为44.1%和21.6%,11S/7S比值的为56.6%和10.1%,4个11S亚基组的为45.4~67.6%和26.6~53.4%,6个7S亚基组的为76.2~92.6%和5.0~22.2%。在KY中蛋白质含量、11S和7S组分相对含量的多基因遗传率高于主基因遗传率,而11S和7S的亚基组则相反。EX中多数性状的主基因遗传率高于多基因遗传率。两个群体的蛋白质组分有关性状的多基因遗传率有差异,但都比较高,在主基因+多基因混合遗传中具有重要作用。4.以KY和EX为作图群体采用Win QTL Cartographer Version 2.5程序,利用CIM法进行QTL检测,结果在KY中蛋白质含量2个QTL(B1pr和Epr1),累计贡献率为16.5%。11S组分相对含量2个QTL(A211S和D1a11S),累计贡献率为13.3%。7S组分相对含量2个QTL(I7S1和I7S2),累计贡献率为12.7%。11S/7S比值3个QTL(D1arat、Irat1和Irat2),累计贡献率为19.8%。11S和7S的亚基组QTL贡献率均低于10%。在EX中蛋白质含量1个QTL(Epr2),贡献率为10.6%。11S组分相对含量2个QTL(E11S和B211S),累计贡献率为23.5%。7S组分相对含量3个QTL(E7S1、E7S2和D1b-27S),累计贡献率为38.3%。11S/7S比值1个QTL(Erat),贡献率为14.3%。4个11S亚基组QTL贡献率为8.7~21.9%,其中11S-1的QTL(M11S-11)贡献率最高(21.9%),6个7S亚基组QTL贡献率8.2~16.3%。在KY的D1a连锁群上的分子标记GMKF008b-GMKF008a之间和在EX群体的E连锁群上的分子标记sat380-satt263之间各检测到3个QTL,GMKF008b-GMKF008a与11S组分的OTL D1a11S、11S/7S比值的QTL D1arat和7S-2亚基组的QTL D1a7S-2相关联,sat380-satt263与11S组分的QTL E11S、7S组分的QTL E7S1和11S/7S比值的QTL Erat相关联,它们是重要的分子标记。在两个群体中除了个别性状,检测到的QTL位点贡献率都很低(KY中一般低于10%,EX中约10%左右),没有检测到贡献率高的主效QTL位点。蛋白质组分有关性状的遗传中主效QTL数量少、贡献率低,仅能解释约10%的表型变异,因此,多基因起着重要作用,这与遗传分析的结果相一致。本研究提出的亚基组划分标准和方法,经验证试验证明简单、稳定和使用方便,并在本研究的资源分析、遗传分析和QTL分析中得到应用。通过对778份资源的分析所筛选的特异种质可供蛋白质组分育种利用。遗传分析和QTL分析说明在蛋白质组分有关性状的遗传中多基因具有重要作用,在提高蛋白质含量和改善蛋白质组分时既要利用主基因又要注意多基因的积累。QTL分析发现的重要分子标记,有希望作为标记辅助选择育种的参考。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一部分 文献综述
  • 第一章 文献综述
  • 1.1 大豆在我国国民经济及人民生活中的重要地位
  • 1.2 大豆籽粒蛋白质及其提取蛋白的组成
  • 1.2.1 大豆籽粒蛋白质
  • 1.2.2 亚基
  • 1.2.3 大豆籽粒提取蛋白的组分及其比值
  • 1.3 大豆蛋白质组分提取、凝胶特性及电泳分析研究
  • 1.3.1 大豆蛋白质组分的提取
  • 1.3.1.1 11S组分的分离提取方法
  • 1.3.1.2 7S组分的分离提取方法
  • 1.3.1.3 大豆分离蛋白的分离提取
  • 1.3.2 凝胶特性研究
  • 1.3.2.1 11S蛋白质的凝胶特性
  • 1.3.2.2 7S蛋白质的凝胶特性
  • 1.3.2.3 大豆分离蛋白的凝胶特性
  • 1.3.2.4 大豆11S和7S蛋白质亚基与凝胶特性关系的研究
  • 1.3.3 11S和7S及其亚基的电泳分析
  • 1.3.3.1 7S和11S蛋白质的Disc-PAGE分析
  • 1.3.3.2 7S和11S蛋白质的亚基分子量SDS-PAGE分析
  • 1.3.3.3 7S和11S蛋白质亚基含量的SDS-PAGE分析
  • 1.4 我国大豆种质资源蛋白质及蛋白质组分的含量测定
  • 1.4.1 大豆蛋白质含量的测定
  • 1.4.1.1 栽培种质蛋白质含量的测定
  • 1.4.1.2 野生种质蛋白质含量的测定
  • 1.4.2 大豆蛋白质组分含量的测定
  • 1.5 我国大豆生态区域种质资源蛋白质组分性状变异特点
  • 1.5.1 我国大豆生态区域种质资源蛋白质含量变异特点
  • 1.5.1.1 栽培种质蛋白质含量变异特点
  • 1.5.1.2 野生种质蛋白质含量变异特点
  • 1.5.2 我国大豆生态区域种质资源蛋白质组分变异特点
  • 1.6 大豆蛋白质含量及其组分的遗传研究
  • 1.6.1 大豆蛋白质含量遗传规律的研究
  • 1.6.2 大豆蛋白组分、亚基及比值遗传规律研究
  • 1.7 分离分析检测QTL的方法及其应用
  • 1.8 大豆蛋白质性状基因定位研究进展
  • 1.8.1 用于定位的遗传图谱和标记类型
  • 1.8.2 大豆蛋白质含量及组分的QTL定位结果
  • 1.8.2.1 大豆蛋白质含量的QTL定位结果
  • 1.8.2.2 大豆蛋白质组分、亚基和比值的QTL定位结果
  • 1.8.3 大豆蛋白质性状QTL定位结果的不一致性
  • 1.8.4 大豆蛋白质组分性状QTL定位方法探讨
  • 1.9 本研究的目的与意义
  • 第二部分 研究报告
  • 第二章 研究材料与方法
  • 2.1 研究材料
  • 2.1.1 参试资源材料
  • 2.1.2 参试群体材料
  • 2.2 研究方法
  • 2.2.1 田间试验设计
  • 2.2.1.1 参试资源材料的田间试验设计
  • 2.2.1.2 参试群体材料的田间试验设计
  • 2.2.2 室内分析
  • 2.2.2.1 测试性状
  • 2.2.2.2 大豆提取蛋白的制备
  • 2.2.2.3 SDS-PAGE
  • 2.2.2.4 遗传分离分析方法
  • 2.2.2.5 QTL分析方法
  • 2.3 数据分析
  • 第三章 大豆资源的蛋白质组分和亚基归组的SDS-PAGE分析
  • 3.1 结果与分析
  • 3.1.1 大豆蛋白质的SDS-PAGE谱带
  • 3.1.2 电泳条带的蛋白质相对含量
  • 3.1.3 蛋白质电泳条带的次数分布
  • 3.1.4 11S和7S组分的相对划分
  • 3.1.5 亚基组的分子量范围
  • 3.1.6 11S/7S比值及亚基组蛋白质相对含量的测定
  • 3.1.7 亚基组分类与Fonte和Sathe等方法亚基分子量标准的比较
  • 3.1.8 大豆提取蛋白组分及其亚基组分类稳定性的验证
  • 3.1.9 640份测试栽培品种11S和7S亚基组的次数分布
  • 3.2 讨论
  • 3.3 主要结论
  • 第四章 我国大豆资源蛋白质组分有关性状的变异及生态特点
  • 4.1 结果与分析
  • 4.1.1 我国大豆资源蛋白质组分有关性状的变异
  • 4.1.1.1 蛋白质含量的变异
  • 4.1.1.2 油脂含量的变异
  • 4.1.1.3 蛋脂总含量的变异
  • 4.1.1.4 11S相对含量的变异
  • 4.1.1.5 7S相对含量的变异
  • 4.1.1.6 11S/7S比值的变异
  • 4.1.1.7 11S和7S蛋白质亚基组相对含量的变异
  • 4.1.2 各生态区域大豆资源蛋白质组分有关性状的变异
  • 4.1.2.1 蛋白质含量的变异
  • 4.1.2.2 油脂含量的变异
  • 4.1.2.3 蛋脂总含量的变异
  • 4.1.2.4 11S相对含量的变异
  • 4.1.2.5 7S相对含量的变异
  • 4.1.2.6 11S/7S比值的变异
  • 4.1.3 蛋白质组分有关性状的相关分析
  • 4.1.3.1 蛋白质和油脂含量与地理纬度的相关
  • 4.1.3.2 蛋白质含量和油脂含量的相关
  • 4.1.3.3 11S和7S蛋白质及其亚基组相对含量与来源地纬度及其它性状的相关
  • 4.1.4 蛋白质组分有关性状优异资源的遴选
  • 4.1.4.1 蛋白质含量、油脂含量和蛋脂总含量优异资源的遴选
  • 4.1.4.2 蛋白质组分及其亚基组优异资源的遴选
  • 4.2 讨论
  • 4.2.1 关于大豆蛋白质含量和油脂含量的自然变异与人工进化
  • 4.2.2 关于大豆驯化后蛋白质含量、油脂含量和蛋脂总含量的变异
  • 4.2.3 关于蛋白质、油脂含量与来源地纬度相关性和品质区划的意义
  • 4.2.4 关于大豆资源11S和7S蛋白质及其亚基组相对含量的变异
  • 4.2.5 关于蛋白质含量、油脂含量和蛋脂总含量优异种质的研究与利用
  • 4.2.6 关于蛋白质组分和亚基组优选种质的利用
  • 4.3 主要结论
  • 第五章 大豆蛋白质组分有关性状的遗传分析与QTL分析
  • 5.1 大豆蛋白质组分有关性状的遗传分析
  • 5.1.1 结果与分析
  • 5.1.1.1 大豆蛋白质组分有关性状的次数分布
  • 5.1.1.2 蛋白质、油脂含量和蛋脂总含量的遗传分析
  • 5.1.1.3 11S和7S组分相对含量及其11S/7S比值的遗传分析
  • 5.1.1.4 11S亚基组的相对含量遗传分析
  • 5.1.1.5 75亚基组相对含量遗传分析
  • 5.1.2 讨论
  • 5.1.2.1 KY与EX群体蛋白质组分有关性状遗传模型的差异
  • 5.1.2.2 蛋白质组分性状遗传模型的分析方法
  • 5.1.2.3 综合性状与分性状的遗传
  • 5.1.3 主要结论
  • 5.2 大豆蛋白质组分有关性状的QTL分析
  • 5.2.1 结果与分析
  • 5.2.1.1 蛋白质、油脂和蛋脂总含量的QTL分析
  • 5.2.1.1.1 蛋白质含量
  • 5.2.1.1.2 油脂含量
  • 5.2.1.1.3 蛋脂总含量
  • 5.2.1.2 11S、7S组分相对含量和11S/7S比值的QTL分析
  • 5.2.1.2.1 11S组分相对含量
  • 5.2.1.2.2 7S相对含量
  • 5.2.1.2.3 11S/7S比值
  • 5.2.1.3 4个11S亚基组相对含量的QTL分析
  • 5.2.1.4 7S的6个亚基组相对含量的QTL分析
  • 5.2.2 讨论
  • 5.2.2.1 KY与EX群体大豆蛋白质组分相关性状的QTL比较
  • 5.2.2.2 关于大豆蛋白质组分相关性状QTL的效应
  • 5.2.3 主要结论
  • 第六章 全文讨论、结论及创新点
  • 6.1 讨论
  • 6.1.1 大豆提取蛋白亚基组SDS-PAGE分析
  • 6.1.2 我国大豆资源的蛋白质组分有关性状的变异
  • 6.1.3 大豆蛋白质组分有关性状的遗传机制研究
  • 6.1.4 综合性状与分性状的关系
  • 6.1.5 我国大豆蛋白质性状品质育种展望
  • 6.2 全文结论
  • 6.2.1 大豆提取蛋白组分和亚基归组的标准与方法
  • 6.2.2 我国大豆资源蛋白质组分有关性状的变异特点
  • 6.2.3 大豆蛋白质组分有关性状的遗传机制
  • 6.2.4 大豆蛋白质组分有关性状的QTL定位
  • 6.3 创新点
  • 参考文献
  • 撰写论文情况
  • 致谢
  • 相关论文文献

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