蔡長春,鄧環(huán),馮吉,程玲,余君,王欣
1湖北省煙草科學(xué)研究院,武漢 430030;
2 武漢區(qū)域氣候中心,武漢 430074
烤煙生育期相關(guān)性狀的初步遺傳分析
蔡長春1,鄧環(huán)2,馮吉1,程玲1,余君1,王欣1
1湖北省煙草科學(xué)研究院,武漢 430030;
2 武漢區(qū)域氣候中心,武漢 430074
為初步掌握烤煙生育期相關(guān)性狀的遺傳機理,利用由開花相對稍早的品種K326和遲花品種興煙1號雜交所得的F1植株經(jīng)過組織培養(yǎng)和染色體加倍技術(shù)獲得的雙單倍體(doubled haploid,DH)群體為作圖群體,以AFLP和SSR分子標(biāo)記為主構(gòu)建了包含23個連鎖群、160個標(biāo)記的烤煙遺傳連鎖圖譜,其中包括23個AFLP標(biāo)記、1個SRAP標(biāo)記和136個SSR標(biāo)記,圖譜總長為1814.1 cM。利用復(fù)合區(qū)間作圖法對煙草生育期開花時間和有效葉數(shù)進(jìn)行了初步的遺傳分析,結(jié)果表明,共檢測到3個主效QTL位點與生育期性狀相關(guān),其中2個位點(df1和df2)與開花時間相關(guān),分別位于第1和第11連鎖群,表型變異貢獻(xiàn)率分別為24.5%和17.3%;第3個位點與有效葉數(shù)(npl)相關(guān),分布在第3連鎖群上,表型變異貢獻(xiàn)率為18.6%,該結(jié)果為后續(xù)利用高通量分析手段對煙草生育期性狀進(jìn)行精細(xì)定位奠定了基礎(chǔ)。
烤煙,開花時間,有效葉數(shù),遺傳分析
煙草為葉用植物,它是我國云南、貴州、四川等西部省份貧困山區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)作物,其開花時間和有效葉數(shù)等生育期性狀對煙葉的產(chǎn)量和質(zhì)量有較大影響[1],早花不僅導(dǎo)致葉片小而薄,而且有效葉數(shù)明顯減少,而遲花則主要影響后期煙葉成熟采收和調(diào)制[2],對一些高海拔地區(qū)影響更顯著。已有的研究表明[3-5],植物生育期性狀是遺傳基礎(chǔ)較為復(fù)雜且易受環(huán)境條件影響的數(shù)量性狀,影響它的環(huán)境因素主要包括溫度和光照,因此,開展以開花時間和有效葉數(shù)為主要內(nèi)容的煙草生育期性狀遺傳分析對于培育適宜生育期的煙草新品種意義重大。從1920年美國科學(xué)家Garner和Allar[6]在煙草中首次發(fā)現(xiàn)植物的光周期規(guī)律以來,國內(nèi)外眾多研究人員在擬南芥[7-11]、水稻[12-15]、油菜[16-19]、大豆[20-21]、燕麥[22]、高粱[23]和向日葵[24]等作物中廣泛開展了生育期相關(guān)性狀的遺傳規(guī)律研究,并取得顯著進(jìn)展,構(gòu)建了較為完整的植物開花分子控制途徑[25-26]。
目前對煙草生育期的研究多集中在探討環(huán)境因素中的溫度和光照如何誘導(dǎo)或影響開花時間早晚和葉數(shù)多少等問題上[27],而對于其分子遺傳機理研究尚未見諸報道。本研究基于烤煙品種K326/興煙1號組合的DH群體和遺傳連鎖圖譜對生育期性狀開花時間和有效葉數(shù)進(jìn)行了初步的遺傳分析,旨在為與煙草生育期性狀相關(guān)基因的定位和克隆打下基礎(chǔ)。
親本材料K326(P1)和興煙1號(P2)分別為開花稍早、葉數(shù)較少和開花較遲、葉數(shù)較多的優(yōu)質(zhì)烤煙品種,分別由湖北省煙草科學(xué)研究院和貴州省煙草科學(xué)研究院提供。2009年7月在湖北省恩施煙草基地配制F1(P1×P2)代,2010年7月中下旬在湖北省煙草科學(xué)研究院經(jīng)組織培養(yǎng)及染色體加倍技術(shù)獲得DH群體,共計112個DH系用于本試驗分析,2011和2012連續(xù)兩年種植在湖北省恩施煙草基地以取樣和調(diào)查生育期性狀。
每個材料(親本和DH系)均設(shè)3次重復(fù),完全隨機區(qū)組,每重復(fù)種30株,株距和行距按優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)要求執(zhí)行(分別為55 cm和120 cm),設(shè)保護(hù)行,按優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)規(guī)范管理。
從煙苗移栽到DH系或親本有50%的植株開花的時間長度為開花期(df)。
打頂后煙株可收獲的有效葉片數(shù)(npl)[28]。
親本K326、興煙1號和DH群體均于壯苗期選鮮嫩葉片取樣,采用李佳等[29]提出的方法提取總DNA。
由于煙草遺傳背景比較狹窄,不同煙草類型間親緣關(guān)系較近,因此,將本實驗室2009年構(gòu)建白肋煙遺傳連鎖圖譜[30]的112個AFLP標(biāo)記用于多態(tài)性引物篩選。AFLP標(biāo)記試驗操作程序參照文獻(xiàn)[31]進(jìn)行。
選取本實驗室2009年用于白肋煙遺傳連鎖圖譜構(gòu)建[30]的6個SRAP標(biāo)記直接在雙親中進(jìn)行多態(tài)性篩選,PCR反應(yīng)體系完全參照文獻(xiàn)[30]。
從Bindler等[32]發(fā)表的文章中公布的SSR標(biāo)記中挑選了332個SSR標(biāo)記(PT開頭)用于本研究,另外, 279個TM開頭的SSR標(biāo)記由云南省煙草農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院提供[33],表1列出來代表性的SSR標(biāo)記序列,PCR反應(yīng)體系和程序完全參照文柯等[34]的方法進(jìn)行。
表1 部分SSR標(biāo)記序列信息Tab.1 Sequence information of partial SSR markers
以上3種分子標(biāo)記序列合成均由上海生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司完成,均采用PTC-225型熱循環(huán)儀(MJR,美國)進(jìn)行PCR擴增,采用濃度為6%~7%的PAGE(聚丙烯酰胺)凝膠電泳分離選擇性擴增產(chǎn)物,儀器型號:Sequi-Gen?sequencing cell (Bio-Rad,USA),緩沖液:0.5×TBE。用恒定功率85 W電泳1.0~1.5 h,電泳后的染色與顯影等操作完全參照陸光遠(yuǎn)等[31]的方法。
顯性標(biāo)記根據(jù)有無帶分別以1和0統(tǒng)計;共顯性標(biāo)記凡與親本P1相同統(tǒng)計為A,與親本P2相同統(tǒng)計為B,缺失帶統(tǒng)計為“-”。以性狀(如開花時間為df,有效葉數(shù)為npl)+序號(相同性狀按1,2,3…依次編寫)命名所獲得的QTL。
利用構(gòu)圖軟件Mapmaker V3.0[35]構(gòu)建圖譜,(LOD>3.0),為圖譜美觀,使用專業(yè)繪圖軟件MapDraw Ver 2.1[36]繪制遺傳圖譜。
采用定位軟件WinQTLCart2.5[37]進(jìn)行遺傳分析,選模式6,窗口大小設(shè)置為10 cM,背景標(biāo)記數(shù)量5個,QTL閾值為LOD>2.5。以DH系兩年性狀均值為表型值,根據(jù)運行結(jié)果計算出每個QTL對表型的貢獻(xiàn)率和加性效應(yīng)等。
有112對AFLP引物在雙親間進(jìn)行多態(tài)性篩選,檢測到標(biāo)記30個,多態(tài)性比例為26.78%;篩選SRAP引物6對,檢測到4個穩(wěn)定標(biāo)記,多態(tài)性比例為66.67%;篩選SSR-PT和SSR-TM系列引物分別為332和279對,分別檢測到72和70個標(biāo)記,多態(tài)性比例分別為21.69%和25.09%。以χ2測試來檢驗標(biāo)記分離情況,檢測到15個偏分離標(biāo)記(p<0.01),比例為8.52%(表2)。
表2 構(gòu)建遺傳連鎖圖譜的分子標(biāo)記分析Tab.2 Analysis of molecular markers composing genetic linkage map
利用篩選獲得的176個分子標(biāo)記來構(gòu)建烤煙遺傳連鎖圖譜,其中160個標(biāo)記能連上圖譜,16個標(biāo)記未能上圖,共23個連鎖群,總遺傳距離為1814.1 cM,連鎖群的遺傳距離從最短16.9 cM到最長192.8 cM,標(biāo)記間的平均距離為11.3 cM,標(biāo)記數(shù)量在連鎖群上分布不均勻(2個到20個),在3個連鎖群(LG1、LG4和LG11)集中了主要偏分離標(biāo)記(表3)。3個代表性引物在DH群體中的擴增電泳圖見圖1。
圖1 AFLP引物S2M15(A)、SSR引物PT50298(B)和SRAP引物ME19EM10b(C)在DH群體中的擴增電泳圖Fig.1 Amplification electropherogram of primer S2M15(A),PT50298(B) and ME19EM10b(C) in DH groups
表3 連鎖群上遺傳距離和標(biāo)記分布Tab.3 Genetic distance and marker distribution in linkage group
LSD(least significance difference,最小顯著差數(shù)法)檢測表明:雙親在開花時間和有效葉數(shù)上均存在顯著差異(P<0.05),DH群體中各DH系在這兩個性狀上存在極顯著差異(P<0.01)(方差分析略)。雙向超親現(xiàn)象一定程度存在,且兩個性狀均符合正態(tài)分布特征,說明這些性狀具備數(shù)量性狀的特征(表4)。
表4 親本和DH群體部分性狀描述性統(tǒng)計Tab.4 Descriptive statistics of partial traits of parents and DH group day
應(yīng)用數(shù)量性狀定位分析軟件Windows QTL Cartographer V2.5[37]對烤煙生育期性狀進(jìn)行了QTL分析,并確定LOD值>2.5作為確定某一點存在QTL的閾值。共檢測到3個主效QTL位點與生育期性狀顯著相關(guān),涉及3個連鎖群(LG1、LG4和LG11)(圖2)。與開花時間相關(guān)的兩個QTL位點(df1和df2)分別位于LG1和LG11連鎖群上,加性效應(yīng)分別為6.7%和-2.3%,使得開花時間分別延長6.7天和減少2.3天,貢獻(xiàn)親本分別為興煙1號和K326,貢獻(xiàn)率分別為24.5%和17.3%;與有效葉數(shù)相關(guān)的QTL位點(npl)位于LG4連鎖群上,加性效應(yīng)為3.2%,使得開花時間延長3.2天,貢獻(xiàn)親本為興煙1號,貢獻(xiàn)率為18.6%,這3個位點均為主效QTL位點(表5)。
表5 烤煙生育期性狀的QTL分析Tab.5 QTL analysis of growth period traits of flue-cured tobacco
本研究利用永久性分離的DH群體并借助AFLP、SRAP和SSR分子標(biāo)記構(gòu)建了一張烤煙分子遺傳連鎖圖譜,其中72個SSR標(biāo)記來自于Bindler等[32]2011年發(fā)表的烤煙遺傳圖譜,初步的共線性比較發(fā)現(xiàn),僅有少量SSR標(biāo)記存在共線性,其原因可能是親本、群體類型、規(guī)模大小、作圖方法、標(biāo)記數(shù)量等有存在較大差異。
作為細(xì)胞遺傳學(xué)模式植物的煙草其分子生物學(xué)方面的基礎(chǔ)研究十分薄弱,加之其基因組規(guī)模是人類基因組的1.5倍[38],而且煙草進(jìn)化歷史較短,遺傳背景狹窄導(dǎo)致,常規(guī)標(biāo)記多態(tài)性較差,因此,目前見諸報道的煙草分子遺傳圖譜數(shù)量較少,其中以Bindler等[32]2011年構(gòu)建的高密度煙草遺傳圖譜質(zhì)量最好,包含有2363個SSR標(biāo)記,24個連鎖群,全長3270 cM,標(biāo)記平均間距為1.41 cM。目前國內(nèi)外一些研究機構(gòu)和煙草企業(yè)正對野生煙草和栽培種煙草正在進(jìn)行全基因組測序,隨著測序的陸續(xù)完成和序列的公布[39],將極大的推動煙草以基因組學(xué)為核心的各種組學(xué)研究,今后以SNP標(biāo)記為主的超高密度遺傳圖譜也將會產(chǎn)生,在這之前,可以利用公共數(shù)據(jù)庫中公布的煙草和其他茄科植物的EST序列來設(shè)計引物增加圖譜標(biāo)記數(shù)量。
圖2 烤煙分子遺傳連鎖圖譜及生育期性狀QTL位點Fig.2 QTLs for genetic linkage map and growth period traits
關(guān)于煙草生育期相關(guān)性狀(主要是開花時間和有效葉數(shù))的研究尚未見報道,本研究首次嘗試?yán)每緹烡H群體定位了3個與此相關(guān)的主效QTL位點,其中2個與開花時間有關(guān),一個與有效葉數(shù)有關(guān),對表型變異的貢獻(xiàn)率均在20%左右,其中位點df1與SSR標(biāo)記PT1348的遺傳距離為1.35 cM,雖然相對于巨大的煙草基因組而言,標(biāo)記與目標(biāo)基因距離較遠(yuǎn),但仍然為未來精細(xì)定位奠定了良好基礎(chǔ)。2010年我國啟動了煙草基因計劃,目前已完成兩個野生種和栽培種的全基因組測序(尚未發(fā)表),作為可共享全部數(shù)據(jù)的參與單位,將為本研究的深入開展產(chǎn)生極大的促進(jìn)作用,下一步研究計劃將開展該DH群體的重測序或SNP芯片工作,開發(fā)大量SNP分子標(biāo)記,與現(xiàn)有常規(guī)分子標(biāo)記進(jìn)行整合,基于本研究圖譜新構(gòu)建一張高密度的烤煙分子遺傳圖譜,將開展生育期性狀的精細(xì)定位,為最終克隆相關(guān)基因奠定良好基礎(chǔ)。另外,由于眾多國內(nèi)外研究人員在植物開花時間和光周期方面取得了顯著的進(jìn)展和成績,克隆了一系列關(guān)鍵基因,比如擬南芥中的CONSTANS[7]、FLC[10]、FT[11]、水稻中的Hd1[13]等,下一步也將嘗試通過同源克隆的方法獲得煙草中的開花同源基因,這將為快速獲取煙草生育期相關(guān)基因開展分子標(biāo)記輔助選擇篩選合適生育期的新品種奠定良好基礎(chǔ)。
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Preliminary genetic analysis of relevant traits in flue-cured tobacco at growth and development period
CAI Changchun1,DENG Huan2,FENG Ji1,CHENG Ling1,YU Jun1,WANG Xin1
1 Hubei Academy of Tobacco Science and Research,Wuhan 430030,China;
2 Wuhan Regional Climate Center,Wuhan 430074,China
A genetic linkage map was built based on one DH population derived from one F1 in order to understand genetic control of growth period traits including days to flower (df) and number of productive leaves (npl) in flue-cured tobacco.The F1 was obtained by crossing early-flowering cultivar K326 with late-flowering cultivar Xingyan No.1.The map was composed of 23 AFLP,one SRAP and 136 SSR molecular markers assembled into 23 linkage groups (LG1 – LG23) with a total genetic distance of 1814.1 cM.Composite interval mapping (CIM) was used to detect QTLs involved in df and npl.Results showed that a total of three main-effect QTLs were detected,of which two (df1 in LG1 anddf2 in LG11) were related to df and one (nplin LG3) tonpl.Df1 anddf2 accounted for 24.5% and 17.3% of phenotypic variation of df,respectively.Npl accounted for 18.6% of npl variation.The primary conclusion can provide good reference for further study in mapping growth period traits in tobacco by using high-throughput technology.
flue-cured tobacco; days to flower; number of productive leaves; genetic analysis
10.3969/j.issn.1004-5708.2014.06.011
S572.03 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1004-5708(2014)06-0070-08
湖北省煙草公司重點科技項目“白肋煙煙堿轉(zhuǎn)化性狀的關(guān)聯(lián)分析”[合同號:027Y2013-014]
蔡長春(1974—),博士,副研究員,主要從事煙草遺傳育種和分子生物學(xué)研究。E-mail:ccchun88@sohu.com
鄧環(huán)(1980—),碩士,工程師,主要從事農(nóng)業(yè)氣象因素對農(nóng)作物影響研究等。E-mail:373709032@qq.com
2013-11-12