耿慶河 王蘭芬 武 晶 王述民

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所,北京 100081

普通菜豆籽粒大小與形狀的QTL定位

耿慶河 王蘭芬 武 晶 王述民*

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所,北京 100081

普通菜豆是世界上最重要的食用豆類(lèi)作物之一,其籽粒大小和形狀與產(chǎn)量及外觀品質(zhì)密切相關(guān)。本研究以來(lái)自安第斯基因庫(kù)的大粒品種龍270709和來(lái)自中美基因庫(kù)的小粒品種F5910配置雜交組合,獲得的F2分離群體分別在哈爾濱大田與北京昌平溫室種植,對(duì)百粒重、粒長(zhǎng)、粒寬、粒厚、長(zhǎng)寬比和長(zhǎng)厚比6個(gè)籽粒性狀進(jìn)行了相關(guān)性分析和QTL定位。相關(guān)性分析表明,百粒重與粒長(zhǎng)、粒寬、粒厚、長(zhǎng)寬比、長(zhǎng)厚比5個(gè)衡量籽粒大小和形狀的性狀均顯著正相關(guān)。利用基于完備區(qū)間作圖方法的IciMapping 4.1進(jìn)行QTL定位,哈爾濱環(huán)境下定位到38個(gè)與百粒重、粒長(zhǎng)、粒寬、粒厚、長(zhǎng)寬比、長(zhǎng)厚比相關(guān)的QTL,表型貢獻(xiàn)率介于2.39%~17.37%之間,分布在除第1染色體外的其余10條染色體上;北京昌平環(huán)境下定位到21個(gè)上述性狀的QTL,表型貢獻(xiàn)率介于5.92%~22.53%之間,分布在第1、第3、第6、第7、第8、第9和第11染色體上。其中,百粒重QTLSW7與SW7’,SW6.1與SW6’,粒長(zhǎng)QTLSL6.1與SL6.1’,粒厚QTLSH11與SH11’在2個(gè)環(huán)境下的標(biāo)記區(qū)間重疊或者重合,SW7、SW6.1、SL6.1、SW6’和SL6.1’的表型貢獻(xiàn)率在10%以上。

普通菜豆;籽粒大小;粒形;數(shù)量性狀位點(diǎn)(QTL)

普通菜豆(Phaseolus vulgaris L.)是世界上種植面積最大的食用豆類(lèi),在非洲和美洲的部分地區(qū)作為一種重要的食物來(lái)源被廣泛種植[1-3]。在我國(guó),普通菜豆是重要的出口創(chuàng)匯作物,主要分布在黑龍江、內(nèi)蒙古、山西、陜西、四川、貴州、云南等省區(qū)。籽粒是普通菜豆主要的消費(fèi)對(duì)象,在長(zhǎng)期飲食習(xí)慣和文化的影響下,不同地區(qū)的人們對(duì)籽粒的大小和形狀形成了不同的偏好,籽粒大小和形狀作為重要的品質(zhì)性狀深刻影響著普通菜豆的商業(yè)價(jià)值[2]。同時(shí),籽粒大小也是普通菜豆產(chǎn)量要素之一,在長(zhǎng)期育種實(shí)踐中扮演著不可或缺的角色。因此,解析普通菜豆籽粒大小的遺傳基礎(chǔ)將有效地促進(jìn)普通菜豆的育種進(jìn)程。

籽粒性狀在水稻中的研究較為深入,已鑒定出大量相關(guān)基因,其中包括控制粒長(zhǎng)和粒重的GS3[4]基因,控制粒寬和粒重的GW2[5]基因,控制粒寬和粒重的qSW5[6]基因等,與粒重相關(guān)的基因GS3、GS5、qSW5、GW5、GW8、GIF1在馴化和育種進(jìn)程中與產(chǎn)量密切相關(guān)[4-10],這些基因的分離和鑒定極大地促進(jìn)了水稻的育種進(jìn)程。普通菜豆籽粒大小QTL定位的研究基礎(chǔ)相對(duì)薄弱,而且大部分集中在國(guó)外。普通菜豆的籽粒大小是多基因控制的數(shù)量性狀[11],遺傳基礎(chǔ)相對(duì)復(fù)雜,籽粒大小又可進(jìn)一步劃分為粒長(zhǎng)、粒寬、粒厚等遺傳組分[12]。1923年,Sax[11]報(bào)道了與百粒重連鎖的P基因。隨著分子標(biāo)記的不斷發(fā)展,遺傳連鎖作圖已成為解析數(shù)量性狀遺傳基礎(chǔ)的重要方法。2006年,Blair等[13]利用哥倫比亞大粒栽培種與野生種雜交獲得的 BC2F3:5群體以及SSR、SCAR、朊蛋白標(biāo)記構(gòu)建的連鎖圖譜定位到10個(gè)與百粒重相關(guān)的QTL,位于第2、第3、第6、第7、第8、第9、第10和第11染色體上;2010年,Pérez-Vega等[2]利用來(lái)自2個(gè)基因庫(kù)間的材料構(gòu)建的RIL群體在第2、第3、第6、第8和第10染色體上定位到5個(gè)與粒長(zhǎng)相關(guān)的QTL,在第3、第6和第7染色體上定位到3個(gè)與粒寬相關(guān)的QTL,在第6、第8染色體上定位到2個(gè)與粒厚相關(guān)的QTL,以及在第6、第8染色體上定位到3個(gè)與百粒重相關(guān)的QTL; 2014年,Fernando等[14]利用2個(gè)來(lái)自安第斯基因庫(kù)的親本雜交獲得的185個(gè)RILs定位到6個(gè)與粒長(zhǎng)相關(guān)的QTL,位于第1、第2、第6、第7和第10染色體上,3個(gè)與粒寬相關(guān)的QTL,位于第2、第7和第9染色體上,2個(gè)與粒厚相關(guān)的QTL,位于第2、第9染色體上,以及4個(gè)與百粒重相關(guān)的QTL,位于第1、第6和第9染色體上。之前的報(bào)道中所用的定位群體的親本多來(lái)自同一基因庫(kù),親本間的多態(tài)性較低,在一定程度上影響了QTL定位的準(zhǔn)確度與精確度。中美起源中心(主要包括墨西哥、危地馬拉、哥倫比亞等國(guó)家)和安第斯起源中心(主要包括秘魯南部、玻利維亞、阿根廷等國(guó)家和地區(qū))由于長(zhǎng)期地理隔離導(dǎo)致生殖隔離而形成了2個(gè)獨(dú)立的基因庫(kù),在形態(tài)特征方面,安第斯起源中心的栽培種籽粒大小(百粒重大于40 g)普遍大于中美起源中心栽培種的籽粒大小(百粒重25~40 g,或小于25 g),因此發(fā)掘不同起源中心種質(zhì)的優(yōu)異籽粒性狀基因有利于推進(jìn)普通菜豆的育種進(jìn)程。普通菜豆2個(gè)基因庫(kù)典型材料全基因組測(cè)序的完成為解析重要農(nóng)藝性狀的遺傳基礎(chǔ)提供了新的契機(jī)[3,15]。

本研究采用分別來(lái)自安第斯基因庫(kù)和中美基因庫(kù)的龍270709和F5910為親本配制雜交組合,獲得F2分離群體作為定位群體,有利于發(fā)掘來(lái)自不同基因庫(kù)的新基因。根據(jù)普通菜豆全基因組序列設(shè)計(jì)SSR標(biāo)記,有利于QTL信息的比對(duì)和綜合分析。多環(huán)境F2定位數(shù)據(jù)利于獲得穩(wěn)定的QTL。本研究為進(jìn)一步精細(xì)定位籽粒性狀相關(guān)基因及分子標(biāo)記輔助育種奠定了良好基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料及田間試驗(yàn)

以龍270709為母本,F5910為父本構(gòu)建F2群體。龍270709為2005年黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院育成品系,來(lái)自安第斯基因庫(kù),生長(zhǎng)習(xí)性為矮生有限型,生育期100 d左右,籽粒較大,百粒重約70 g;F5910為哥倫比亞品種,來(lái)自中美基因庫(kù),生長(zhǎng)習(xí)性為矮生無(wú)限型,生育期90 d左右,籽粒較小,百粒重約20 g。親本在粒長(zhǎng)、粒寬、粒厚等籽粒大小相關(guān)性狀間均存在較大差異。2015年5月中旬,在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)種植400株F2單株,每行10株,株距44 cm,行距50 cm,田間管理與當(dāng)?shù)卮筇锕芾硐嗤?346株單株最終用于本試驗(yàn);同年11月底,在北京中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所昌平試驗(yàn)基地溫室種植的包括188個(gè)F2單株的群體用于本試驗(yàn),種植密度及田間管理同上,溫室溫度設(shè)置為白天28℃±2℃,夜晚20℃±2℃。成熟后,單株收取干籽粒,用于表型鑒定。

1.2 性狀調(diào)查

收獲后調(diào)查百粒重(seed weight,SW)、粒長(zhǎng)(seed length,SL)、粒寬(seed width,SWI)、粒厚(seed height, SH)、長(zhǎng)寬比(seed length-to-width ratio,SLW)和長(zhǎng)厚比(seed length-to-height ratio)。粒長(zhǎng)為平行于種臍,上下2個(gè)頂點(diǎn)之間的距離,粒寬為垂直于種臍,上下2個(gè)面之間的距離,粒厚為種臍到它對(duì)立面的距離[14],長(zhǎng)寬比=粒長(zhǎng)/粒寬,長(zhǎng)厚比=粒長(zhǎng)/粒厚。從每個(gè)單株取健康籽粒20粒,采用SC-G自動(dòng)考種分析儀測(cè)量粒長(zhǎng)、粒厚,采用游標(biāo)卡尺測(cè)量粒寬,利用電子分析天平測(cè)量百粒重。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用SAS9.2軟件和Microsoft Excel 2007進(jìn)行各性狀間相關(guān)性分析,以及基本統(tǒng)計(jì)量的計(jì)算。

1.4 QTL定位

在開(kāi)花前,取親本和 F2單株幼嫩葉片,以CTAB法提取葉片DNA[16]。本實(shí)驗(yàn)室根據(jù)2014年公布的普通菜豆全基因組序列(https://phytozome. jgi.doe.gov/)[3],開(kāi)發(fā)了2000余對(duì)SSR標(biāo)記。篩選獲得的親本間多態(tài)性標(biāo)記用于本試驗(yàn)基因型的鑒定。利用IciMapping 4.1計(jì)算標(biāo)記間的遺傳距離,設(shè)置LOD≥3,利用 Kosambi作圖函數(shù)作圖,利用JoinMap 4根據(jù)遺傳距離繪制連鎖圖譜[17-19]。采用高用明等[20]推薦的 QTL命名方法命名。利用IciMapping 4.1檢測(cè)F2群體籽粒大小和形狀QTL,采用完備區(qū)間作圖方法,設(shè)置檢測(cè)步長(zhǎng)1.0 cM和1000次排列檢驗(yàn)確定QTL的臨界值(P<0.05)[17-18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 表型變異及相關(guān)分析

從表1可以看出,母本龍270709的百粒重、粒長(zhǎng)、粒寬、粒厚、長(zhǎng)寬比、長(zhǎng)厚比均高于父本F5910,其中百粒重的差異最為明顯。母本270709百粒重在黑龍江哈爾濱和北京昌平溫室2個(gè)環(huán)境下的均值差別較大,可能是品種特性與環(huán)境因素共同作用的結(jié)果。F2分離群體在2個(gè)環(huán)境下不同性狀間均存在較大程度的分離,變異系數(shù)介于5.17%~20.35%之間,其中百粒重的變異系數(shù)最大,2個(gè)地點(diǎn)分別為16.62%和20.35%,長(zhǎng)厚比的變異系數(shù)最小,分別為5.17%和6.62%。各性狀的表型值為連續(xù)變異,接近正態(tài)分布(圖1)。

相關(guān)性分析結(jié)果(表2)顯示,百粒重分別與粒長(zhǎng)、粒寬、粒厚、長(zhǎng)寬比及長(zhǎng)厚比顯著正相關(guān)。粒長(zhǎng)分別與粒寬、粒厚、長(zhǎng)寬比和長(zhǎng)厚比顯著正相關(guān)。粒寬與粒厚顯著正相關(guān),與長(zhǎng)寬比顯著負(fù)相關(guān),與長(zhǎng)厚比在哈爾濱環(huán)境(環(huán)境1,下同)下顯著正相關(guān),在北京昌平環(huán)境下(環(huán)境2,下同)相關(guān)性不顯著。粒厚與長(zhǎng)寬比顯著正相關(guān),與長(zhǎng)厚比相關(guān)性不顯著。長(zhǎng)寬比與長(zhǎng)厚比顯著正相關(guān)。

2.2 遺傳圖譜構(gòu)建

利用哈爾濱種植的346株F2和北京昌平種植的188株F2分別構(gòu)建了連鎖圖譜(圖2和圖3)。346株F2構(gòu)建的遺傳圖譜包括100個(gè)SSR標(biāo)記,分布于11條染色體上,每條染色體上的標(biāo)記個(gè)數(shù)5~17個(gè),連鎖圖譜總長(zhǎng)439.88 cM,標(biāo)記間平均遺傳距離4.40 cM,有2對(duì)標(biāo)記間的遺傳距離大于20.00 cM,分別位于第10染色體P10S167~P10S186(31.91 cM)和第4染色體P4S2~P4S22(22.28 cM),其余標(biāo)記遺傳距離均小于20 cM。188株F2構(gòu)建的遺傳圖譜包括88個(gè)SSR標(biāo)記,與前者相比,第5、第6、第7、第9和第11染色體分別缺少了4、4、2、1、1個(gè)標(biāo)記,為F2基因型缺失較嚴(yán)重的標(biāo)記,其余標(biāo)記均與前者相同,每條染色體上的標(biāo)記個(gè)數(shù)3~13個(gè),連鎖圖譜總長(zhǎng)421.94 cM,標(biāo)記間平均遺傳距離4.80 cM,標(biāo)記間遺傳距離大于20 cM的2對(duì)標(biāo)記同樣位于第10染色體P10S167~P10S186(31.18 cM)和第4染色體P4S2~ P4S22(26.57 cM),其余標(biāo)記的遺傳距離均小于20 cM。

圖1 群體籽粒大小與形狀相關(guān)性狀頻率分布圖Fig.1 Frequency distribution of seed size and shape traits of F2population in Harbin and Beijing

表2 籽粒性狀間的相關(guān)性分析Table 2 Correlation coefficients for seed traits in common bean

2.3 QTL定位

利用IciMapping 4.1進(jìn)行1000次排列獲得QTL顯著的LOD閾值均為3.0。哈爾濱環(huán)境下定位到的QTL在11條染色體上的分布如圖2所示,北京昌平環(huán)境下定位到的QTL在11條染色體上的分布如圖3所示。2個(gè)環(huán)境下QTL的定位結(jié)果見(jiàn)表3,其中哈爾濱環(huán)境下共定位到38個(gè)與百粒重、粒長(zhǎng)、粒寬、粒厚、長(zhǎng)寬比和長(zhǎng)厚比相關(guān)的QTL,北京昌平環(huán)境下共定位到21個(gè)與上述6個(gè)性狀相關(guān)的QTL。

2.3.1 百粒重 環(huán)境1中共檢測(cè)到7個(gè)與百粒重相關(guān)的QTL(SW7、SW6.1、SW6.2、SW9、SW4、SW2和SW10),分布在第2、第4、第6、第7、第9和第10染色體上,表型貢獻(xiàn)率介于3.88%~10.97%之間,加性效應(yīng)均為正,表明增效等位基因均來(lái)自大粒親本龍270709。第7染色體上的SW7,表型貢獻(xiàn)率最大,為10.97%。第6染色體上的SW6.1和SW6.2,表型貢獻(xiàn)率分別為10.79%和7.76%,遺傳效應(yīng)較大。SW9、SW4、SW2、SW10分別位于第9、第4、第2和第10染色體上,表型貢獻(xiàn)率分別為 5.56%、5.27%、4.42%和3.88%,遺傳效應(yīng)較小。

環(huán)境2中共檢測(cè)到4個(gè)與百粒重相關(guān)的QTL (SW6’、SW7’、SW11’、SW9’),分布在第6、第7、第11和第9染色體上,表型貢獻(xiàn)率分別為15.88%、8.22%、8.16%和7.85%,加性效應(yīng)均為正。

比較2個(gè)環(huán)境下的定位結(jié)果比較,第6、第7和第9染色體上均檢測(cè)到百粒重QTL,SW7(P7S85~ P7S129)與SW7’(P7S85~P7S140)標(biāo)記區(qū)間存在重合,與標(biāo)記P7S85的遺傳距離均為0 cM。SW6.1與SW6’均位于標(biāo)記P6S108~P6S266之間,與標(biāo)記P6S108的遺傳距離分別為 4.50 cM和 0.32 cM。SW9 (P9S147~P9S155)與 SW9’(P9S136~P9S147)標(biāo)記區(qū)間相鄰,與標(biāo)記P9S147的遺傳距離分別為2.17 cM和0.47 cM。SW4、SW2、SW10環(huán)境貢獻(xiàn)率均小于SW9,未在環(huán)境2中檢測(cè)到,SW6.2貢獻(xiàn)率比SW7和SW6.1小,比SW9大,在環(huán)境2中未被檢測(cè)到。

2.3.2 粒長(zhǎng) 環(huán)境1中共檢測(cè)到8個(gè)與粒長(zhǎng)相關(guān)的QTL(SL6.1、SL7、SL6.2、SL9、SL5、SL10、SL2和SL4),分布在第2、第4、第5、第6、第7、第9和第10染色體上,除SL5外,其余位點(diǎn)加性效應(yīng)均為正。SL6.1和SL7遺傳效應(yīng)較大,表型貢獻(xiàn)率分別為17.37%和12.53%。其余6個(gè)QTL(SL6.2、SL9、SL5、SL10、SL2、SL4)表型貢獻(xiàn)率分別為8.57%、4.46%、4.25%、3.96%、2.94%和2.64%。

在環(huán)境2定位到5個(gè)粒長(zhǎng)QTL(SL6.1’、SL7’、SL6.2’、SL1’和SL9’),分布于第1、第6、第7和第9染色體上,表型貢獻(xiàn)率介于6.01%~22.53%之間, SL1’加性效應(yīng)為負(fù)值,其余均為正值。SL6.1’與SL7’遺傳效應(yīng)較大,表型貢獻(xiàn)率分別為 22.53%和10.14%。SL6.2’、SL1’、SL9’表型貢獻(xiàn)率分別為9.10%、7.14%和6.01%。

2個(gè)環(huán)境下定位結(jié)果比較分析,均在第6、第7、第9染色體上定位到粒長(zhǎng)QTL。SL6.1與SL6.1’均位于標(biāo)記P6S108~P6S266之間,與標(biāo)記P6S108之間的遺傳距離分別為 4.50 cM 和 0.32 cM。SL7 (P7S85~P7S129)和 SL7’(P7S140~P7S153)與標(biāo)記P7S85的遺傳距離分別為 3 cM 和 4 cM。SL9 (P9S86~P9S129)和 SL9’(P9S136~P9S147)與標(biāo)記P9S147間的遺傳距離分別為4.83 cM和0.47 cM。SL6.2與SL6.2’均位于第6染色體,但是距離較遠(yuǎn),與標(biāo)記P6S185之間的遺傳距離分別是7.00 cM和28.82 cM。另外,在環(huán)境2定位到位于第1染色體的SL1’并沒(méi)有在環(huán)境1中檢測(cè)到,環(huán)境1中檢測(cè)到的的SL5、SL10、SL2、SL4表型貢獻(xiàn)率相對(duì)較小,沒(méi)有在環(huán)境2中檢測(cè)到。

2.3.3 粒寬 在環(huán)境1定位到3個(gè)粒寬QTL (SWI2、SWI6、SWI5),分布于第2、第5和第6條染色體上,表型貢獻(xiàn)率介于4.36%~7.68%之間,除SWI5加性效應(yīng)為負(fù)值外,其余位點(diǎn)加性效應(yīng)均為正值。

圖2 哈爾濱環(huán)境下(環(huán)境1)定位到的QTL在連鎖群上的分布Fig.2 Distribution of QTL for seed size and shape in linkage groups in Harbin,Heilongjiang(environment 1)

在環(huán)境2定位到3個(gè)粒寬QTL(SWI11’、SWI8’和SWI9’),分布于第8、第9、第11染色體上,表型貢獻(xiàn)率介于8.22%~10.72%之間,加性效應(yīng)均為正值。2個(gè)群體中定位到的粒寬QTL表型貢獻(xiàn)率均沒(méi)有超過(guò)10%,同時(shí)也沒(méi)有位于相同染色體上的位點(diǎn),表明粒寬受環(huán)境影響較大。

圖3 北京昌平環(huán)境下(環(huán)境2)定位到的QTL在連鎖群上的分布Fig.3 Distribution of QTL for seed size and shape in linkage groups in Beijing(environment 2)

表3 哈爾濱環(huán)境(環(huán)境1)和北京昌平(環(huán)境2)的QTL定位結(jié)果Table 3 QTL detected in Harbin,Heilongjiang(environment 1)and Changping,Beijing(environment 2)

(續(xù)表3)

2.3.4 粒厚 在環(huán)境1定位到9個(gè)粒厚QTL (SH8、SH6.1、SH6.2、SH7、SH2、SH3.1、SH11、SH4和SH3.2),分布于第2、第3、第4、第6、第7、第8和第11染色體上,表型貢獻(xiàn)率介于3.29%~ 10.91%之間,在第3和第6染色體上分別檢測(cè)到2個(gè)QTL,在其余染色體上均檢測(cè)到1個(gè)QTL。SH8和SH3加性效應(yīng)為負(fù)值,其余位點(diǎn)遺傳效應(yīng)均為正值。SH8表型貢獻(xiàn)率最大,為10.91%,SH6.1表型貢獻(xiàn)率次之,為9.62%。其余位點(diǎn)(SH6.2、SH7、SH2、SH3.1、SH11、SH4、SH3.2)表型貢獻(xiàn)率分別為7.11%、6.84%、4.80%、4.26%、4.06%、3.29%和2.39%。在環(huán)境2定位到4個(gè)粒厚QTL(SH7’、SH1’、SH6’、SH11’),分布于第1、第6、第7、第11染色體上,SH1’加性效應(yīng)為負(fù)值,其余位點(diǎn)加性效應(yīng)均為正值。表型貢獻(xiàn)率在10%以上的位點(diǎn)有2個(gè),分別是SH7’(17.78%)和SH1’(10.23%)。SH6’和SH11’表型貢獻(xiàn)率分別為8.92%和7.20%。

(續(xù)表3)

環(huán)境1中檢測(cè)到的SH8表型貢獻(xiàn)率最大,但在環(huán)境2中并未被檢測(cè)到。SH6.1(P6S108~P6S266)和SH6’(P6S275~P6S283)與標(biāo)記P6S108間的遺傳距離分別為4.50 cM和23.68 cM。SH6.2(P6S316~P6S289)和SH6’(P6S275~P6S283)與標(biāo)記P6S289間的遺傳距離分別為0.08 cM和21.22 cM?？梢?jiàn)SH6’與SH6.1和SH6.2距離都比較遠(yuǎn)。SH7(P7S85~P7S129)和SH7’(P7S140~P7S153)與標(biāo)記P7S85間的遺傳距離分別為 0 cM和 4 cM。SH11與 SH11’均位于標(biāo)記P11S21-P11S18之間,與標(biāo)記P11S18間的遺傳距離分別為0.32 cM和0.90 cM。

2.3.5 長(zhǎng)寬比 環(huán)境1中定位到4個(gè)長(zhǎng)寬比QTL (SLW6、SLW7、SLW8、SLW10),分布于第6、第7、第8、第9染色體上,SLW8加性效應(yīng)值為負(fù),其余均為正,表型貢獻(xiàn)率最大的QTL是SLW6,為9.27%,最小的是SLW10,為3.48%。環(huán)境2中定位到3個(gè)長(zhǎng)寬比QTL(SLW6’、SLW8’、SLW7’),分布于第6、第7、第8染色體,SLW8’加性效應(yīng)值為負(fù),其余為正,3個(gè)長(zhǎng)寬比QTL(SLW6’、SLW8’、SLW7’)表型貢獻(xiàn)率分別為20.29%、9.88%和7.31%。

2個(gè)環(huán)境下均在第6、第7、第8染色體上定位到長(zhǎng)寬比QTL。在第6染色體上定位到的SLW6 (P6S283~P6S316)和SLW6’(P6S266~P6S309)標(biāo)記區(qū)間不同且不相鄰,與標(biāo)記P6S316間的遺傳距離為8.08 cM和36.22 cM,相距較遠(yuǎn)。在第7染色體上定位到的SLW7(P7S171~P7S182)與SLW7’(P7S153~ P7S171)標(biāo)記區(qū)間相鄰,與標(biāo)記P7S182間的遺傳距離分別為5.41 cM和11.80 cM。在第8染色體上定位到的SLW8(P8S141~P8S152)和SLW8’(P8S106~ P8S141)標(biāo)記區(qū)間相鄰,與標(biāo)記P8S152間的連鎖距離分別是4.11 cM和4.21 cM。

2.3.6 長(zhǎng)厚比 環(huán)境1中定位到7個(gè)與長(zhǎng)厚比相關(guān)的QTL(SLH3、SLH7、SLH6、SLH5、SLH8、SLH9和SLH10),分布在第3、第5、第6、第7、第8、第9和第10染色體上,加性效應(yīng)值均為正,表型貢獻(xiàn)率介于2.83%~10.99%之間。環(huán)境2中定位到2個(gè)與長(zhǎng)厚比相關(guān)的QTL(SLH6’、SLH3’),位于第6和第3染色體上,表型貢獻(xiàn)率分別為31.59%和5.92%,加性效應(yīng)值均為正。

2個(gè)環(huán)境下均在第3和第6染色體上定位到長(zhǎng)厚比 QTL,位于第 3染色體上的 SLH3(P3S79~ P3S137)與 SLH3’(P3S169~P3S171)標(biāo)記區(qū)間不同,與標(biāo)記P3S171間的遺傳距離分別為20.98 cM和0.76 cM,相距較遠(yuǎn)。位于第 6染色體上的SLH6(P6S309~P6S275)與SLH6’(P6S108~P6S266)標(biāo)記區(qū)間不同,與P6S108間的遺傳距離分別是7.90 cM和0.32 cM。

3 討論

3.1 QTL定位結(jié)果分析

普通菜豆的籽粒特性是重要的農(nóng)藝性狀,直接影響著普通菜豆的產(chǎn)量和商品性。一直被研究者關(guān)注,截至目前在菜豆中已經(jīng)定位到大量的與籽粒特性相關(guān)的QTL[2,13-14,21]。本研究在哈爾濱環(huán)境下共定位到38個(gè)與百粒重、粒長(zhǎng)、粒寬、粒厚、長(zhǎng)寬比和長(zhǎng)厚比相關(guān)的QTL,在昌平環(huán)境下共定位到21個(gè)與上述性狀相關(guān)的QTL。其中,位于第2染色體的百粒重QTL SW2,標(biāo)記區(qū)間P2S11~P2S13,在染色體上的物理位置為2.48~3.11 Mb,與Blair等[13]定位到的百粒重QTL sw2.2(2.819 Mb)位置重疊;位于第6染色體標(biāo)記 P6S289~P6S185之間的百粒重 QTL SW6.2,物理位置在29.57~30.77 Mb之間,與Blair等[13]檢測(cè)到的百粒重QTL sw6.1(27.44 Mb)位置重疊;位于第1染色體上的粒長(zhǎng)QTLSL1’,標(biāo)記區(qū)間P1S77~P1S82,物理位置在39.77~42.35 Mb之間,與Fernando等[14]檢測(cè)到的SL1.2PP(32.41 Mb)位置相近。定位結(jié)果的一致性一方面說(shuō)明定位結(jié)果的可靠性,另一方面也說(shuō)明這些位點(diǎn)的重要性。我們還注意到在第4染色體上未見(jiàn)前人報(bào)道與籽粒大小相關(guān)的位點(diǎn),而本研究在這一染色體上檢測(cè)到與百粒重、粒長(zhǎng)、粒厚相關(guān)的QTL,位于標(biāo)記P4S2~P4S22之間。

同一群體多環(huán)境表型鑒定及QTL分析,可以檢測(cè)到相對(duì)穩(wěn)定可靠的位點(diǎn)。特別是貢獻(xiàn)率(加性效應(yīng))較大的QTL更容易在不同環(huán)境條件下被連續(xù)檢測(cè)到[22]。本研究中2個(gè)環(huán)境下共檢測(cè)到4對(duì)標(biāo)記區(qū)間重疊的QTL:百粒重QTL SW7和SW7’分別位于標(biāo)記區(qū)間P7S85~P7S129和 P7S85~P7S140,百 粒 重 QTL SW6.1(SW6’)位于標(biāo)記區(qū)間P6S108~P6S266,粒長(zhǎng)QTL SL6.1(SL6.1’)位于標(biāo)記區(qū)間 P6S108~P6S266,粒厚 QTL SH11(SH11’)位于標(biāo)記區(qū)間 P11S18~ P11S21。其中3對(duì)QTL至少在一個(gè)環(huán)境下表型貢獻(xiàn)率在 10%以上,SW7(SW7’)表型貢獻(xiàn)率 10.91% (8.22%),SW6.1(SW6’)表型貢獻(xiàn)率10.79%(15.88%), SL6.1(SL6.1’)表型貢獻(xiàn)率17.37%(22.53%)。這種具有較高貢獻(xiàn)率且在不同的環(huán)境下可連續(xù)檢測(cè)到的QTL可以更好地用于分子標(biāo)記輔助選擇育種[23]。4對(duì)QTL加性效應(yīng)均為正,表明增效等位基因均來(lái)自母本龍270709,這將有利于發(fā)掘和利用來(lái)自安第斯基因庫(kù)的普通菜豆優(yōu)異種質(zhì)的籽粒大小和形狀基因。除此之外,有3對(duì)QTL標(biāo)記區(qū)間雖然不重疊但是相鄰,分別位于第7、第8、第9染色體上,位于第7染色體上的長(zhǎng)寬比QTL SLW7和SLW7’分別位于標(biāo)記區(qū)間P7S171~P7S182和P7S153~P7S171,位于第8染色體上的長(zhǎng)寬比QTL SLW8和SLW8’分別位于標(biāo)記區(qū)間P8S141~P8S152和P8S106~P8S141,位于第9染色體上的百粒重QTL SW9和SW9’分別位于標(biāo)記區(qū)間P9S147~P9S155和P9S136~P9S147。SLW8(SLW8’)、SW9(SW9’)與SLW7(SLW7’)表型貢獻(xiàn)率均介于4%~10%之間,分別為4.09%(9.88%)、5.56%(7.85%)和6.71%(7.31%)?；蛐团c環(huán)境互作可能是導(dǎo)致這類(lèi)情況出現(xiàn)的主要原因,尤其是對(duì)于表型貢獻(xiàn)率相對(duì)較小的位點(diǎn),環(huán)境的影響更為明顯。精細(xì)定位或者標(biāo)記選擇時(shí)可考慮將其標(biāo)記區(qū)間擴(kuò)大來(lái)利用這些位點(diǎn)。

另外,由于環(huán)境2所用群體比環(huán)境1所用群體相對(duì)較小,環(huán)境1中檢測(cè)到的表型貢獻(xiàn)率較小的位點(diǎn)在環(huán)境2中并未被檢測(cè)到,如SW2、SW4、SW10、SL2、SL4、SL5、SL10、SH2、SH3和SH4,包括與百粒重、粒長(zhǎng)和粒厚相關(guān)的QTL,集中分布在第2、第3、第4、第5染色體上。群體大小影響檢測(cè)的效率,群體擴(kuò)大,效應(yīng)值較小的位點(diǎn)也能被檢測(cè)到[24]。

3.2 染色體區(qū)段多效性分析

本研究中出現(xiàn)不同性狀定位在相同或相近染色體區(qū)段的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象較為普遍,在小麥、玉米、大豆等作物中均有類(lèi)似報(bào)道[25-29]。Tuberosa等[30]認(rèn)為“一因多效”可能是這種現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因,例如水稻中的GS3基因既控制粒長(zhǎng),又與百粒重有關(guān), GW2同時(shí)與粒寬和百粒重相關(guān)[4-5]。另外,QTL緊密連鎖也可能是導(dǎo)致這種結(jié)果的一個(gè)原因。本研究中,第 6染色體 P6S108~P6S266區(qū)段、第 7染色體P7S85~P7S129區(qū)段內(nèi)均同時(shí)檢測(cè)到與百粒重、粒長(zhǎng)、粒厚和長(zhǎng)厚比均相關(guān)的QTL;第4染色體P4S2~P4S22區(qū)段檢測(cè)到與百粒重、粒長(zhǎng)和粒厚相關(guān)的QTL;第2染色體P2S11~P2S13區(qū)段內(nèi)檢測(cè)到與百粒重、粒寬相關(guān)的QTL,P2S56~P2S68區(qū)段內(nèi)檢測(cè)到與粒長(zhǎng)、粒厚相關(guān)的QTL;第10染色體P10S3~ P10S86區(qū)段內(nèi)檢測(cè)到與百粒重、粒長(zhǎng)、長(zhǎng)厚比相關(guān)的QTL;第6染色體P6S275~P6S283與第7染色體P7S140~P7S153區(qū)段內(nèi)均同時(shí)檢測(cè)到與粒長(zhǎng)、粒厚相關(guān)的QTL;第9染色體P9S136~P9S147區(qū)段內(nèi)同時(shí)檢測(cè)到與百粒重、粒長(zhǎng)、粒寬相關(guān)的QTL。百粒重與粒長(zhǎng)、粒厚、粒寬、長(zhǎng)厚比相關(guān)的QTL在同一染色體區(qū)段被同時(shí)檢測(cè)到,這為解釋百粒重與粒長(zhǎng)、粒厚、粒寬及長(zhǎng)厚比之間顯著的相關(guān)性提供了一定的遺傳基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

黑龍江哈爾濱環(huán)境中定位到38個(gè)與百粒重、粒長(zhǎng)、粒寬、粒厚、長(zhǎng)寬比和長(zhǎng)厚比相關(guān)的QTL,北京昌平環(huán)境下定位到上述性狀的QTL共21個(gè),其中百粒重QTLSW7(SW7’)和SW6.1(SW6’),粒長(zhǎng)QTL SL6.1(SL6.1’),粒厚QTLSH11(SH11’)在2個(gè)環(huán)境下被重復(fù)檢測(cè)到,4個(gè)位點(diǎn)增效等位基因均來(lái)自安第斯基因庫(kù)的大粒親本龍270709,可作為精細(xì)定位的重要候選區(qū)段以及標(biāo)記輔助選育的位點(diǎn)。

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QTL Mapping for Seed Size and Shape in Common Bean

GENG Qing-He,WANG Lan-Fen,WU Jing,and WANG Shu-Min*

Institute of Crop Science,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100081,China

Common bean is one of the most important food legumes worldwide.Seed size and shape have a great effect on yield and seed quality.This research used an F2population derived from a cross of Andean cultivar Long 270709′Mesoamerican cultivar F5910 planted in Harbin,Heilongjiang and Beijing respectively to analyze the correlation among seed weight,seed length, seed width,seed height,seed length-to-width ratio and seed length-to-height ratio,and to detect QTL related to these traits.The correlation analysis showed that seed weight had a significant correlation with other traits related to seed size and shape.Software IciMapping 4.1 based on inclusive composite interval mapping was used to identify the additive QTL for seed size and shape.A total of 38 QTL were detected on 10 chromosomes except the first chromosome in Harbin environment with the PVE between 2.39%and 17.37%.A total of 21 QTL were detected on seven chromosomes(Chr.1,Chr.3,Chr.6,Chr.7,Chr.8,Chr.9,Chr.11)in Beijing environment with the PVE between 5.92%and 22.53%.Among them,four pairs of QTL were detected on the same marker interval,including seed weight QTL SW7 and SW7’,seed weight QTL SW6.1 and SW6’,seed length QTL SL6.1 and SL6.1’,and seed height QTL SH11 and SH11’.The PVE of SW7,SW6.1,SL6.1,SW6’,and SL6.1’was larger than 10%.

Common bean;Seed size;Seed shape;Quantitative trait locus(QTL)

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):2016-12-21;Accepted(接受日期):2017-04-20;Published online(網(wǎng)絡(luò)出版日期):2017-04-27.

10.3724/SP.J.1006.2017.01149

本研究由國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31471559),國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)(CARS-09)和國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAD01B05-2-4)資助。

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China(31471559),the China Agriculture Research System (CARS-09),and the National Key Technology R&D Program of China(2013BAD01B05-2-4).

*通訊作者(Corresponding author):王述民,E-mail:wangshumin@caas.cn

聯(lián)系方式:E-mail:17710428642@163.com

URL:http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20170427.0948.016.html