付 穎, 柴曉嬌, 白曉雷, 王顯瑞, 沈軼男, 張 姼
(赤峰市農(nóng)牧科學(xué)研究所,內(nèi)蒙古赤峰 024031)
谷子(L.),又稱為粟,脫殼后稱為小米,具有自花授粉、基因組較小(約430 Mb)、抗旱耐瘠和糧草兼用等特點(diǎn),是民眾膳食結(jié)構(gòu)改善和種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的主體作物。近年來(lái),隨著分子生物學(xué)和基因組學(xué)研究的不斷深入,谷子已經(jīng)發(fā)展成為禾本科基因組研究的模式植物之一。盡管我國(guó)是谷子的起源地,擁有豐富的種質(zhì)資源,同時(shí)依靠六十日、昭谷1號(hào)、矮88、噸谷等幾個(gè)谷子核心資源的發(fā)現(xiàn)和利用,谷子育種已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)步,但這也造成了遺傳背景狹窄,大多主栽品種仍以中稈和中高稈品種為主。因此,發(fā)掘、鑒定和利用新的谷子矮源,已成為實(shí)現(xiàn)谷子矮化育種最為直接的手段。此外,谷子高質(zhì)量全基因組測(cè)序的完成及一些矮稈早熟品種高效遺傳轉(zhuǎn)化體系的建立,也為谷子功能基因組學(xué)的研究提供了扎實(shí)的基礎(chǔ)。
我國(guó)對(duì)于谷子矮化機(jī)理的研究起歩較晚,前期主要是對(duì)谷子矮化突變體進(jìn)行遺傳分析和生理研究。進(jìn)入21世紀(jì)之后,研究人員才陸續(xù)開始對(duì)谷子矮化基因進(jìn)行定位、克隆等研究。高俊華等報(bào)道了一個(gè)谷子矮稈突變體安矮3號(hào),并將突變基因定位在谷子3號(hào)染色體上。錢繼岳通過(guò)對(duì)47份谷子矮稈材料中矮稈基因的等位性分析,發(fā)現(xiàn)獲得的58個(gè)矮稈雜交組合中有45個(gè)組合含有非等位基因,7個(gè)組合含有等位基因。趙美丞在谷子中首次利用圖位克隆的方法分離了自然矮化突變體 84133的半顯性矮稈基因,其編碼一個(gè)DELLA蛋白,與赤霉素(GA)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)。隨后,谷子隱性矮稈基因和也相繼被發(fā)現(xiàn),分別定位在3號(hào)染色體和8號(hào)染色體上。近些年來(lái),一些研究人員在谷子矮稈基因的定位、克隆方面已經(jīng)取得了初步成果,但深入的基因解析尚未開展。目前,國(guó)內(nèi)育種人員利用矮88及其衍生系培育出的品種大多都是中稈品種。同時(shí)很多的谷子矮稈種質(zhì)還普遍存在不同程度的早衰現(xiàn)象,很難在育種中利用。因此,挖掘更多的農(nóng)藝性狀優(yōu)良的矮稈資源,就成為了當(dāng)前谷子矮化育種中亟待解決的問(wèn)題。
谷子突變體是經(jīng)過(guò)自然突變形成的一個(gè)矮稈突變體,其葉片直立,莖稈粗壯,株型緊湊,是優(yōu)良的谷子矮稈種質(zhì)資源。本研究以野生型 ZT002為對(duì)照,對(duì)的表型進(jìn)行了系統(tǒng)的鑒定分析,同時(shí)利用BSA(分離群體分組分析)與QTLseq 相結(jié)合的方法對(duì)突變基因進(jìn)行定位,旨在為谷子矮化育種提供可以利用的矮源,豐富和發(fā)展谷子矮化的分子機(jī)理,為進(jìn)一步進(jìn)行分子輔助選擇育種奠定了基礎(chǔ)。
2012年在谷子高稈品種中發(fā)現(xiàn)的1株經(jīng)過(guò)自然突變形成的矮稈突變體(命名為),經(jīng)過(guò)多代自交純合后,其矮化性狀可穩(wěn)定遺傳,野生型為ZT002。
豫谷1號(hào)(Yugu1)是我國(guó)夏谷區(qū)廣泛栽培的品種,并最早完成了全基因組測(cè)序。SSR41是來(lái)自韓國(guó)的一個(gè)地方品種,目前已經(jīng)完成全基因組測(cè)序,該數(shù)據(jù)由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院刁現(xiàn)民課題組提供。
1.2.1 遺傳分析群體及作圖群體的構(gòu)建 2016年夏,將矮稈突變體(母本)與株高正常的Yugu1(父本)和SSR41(父本)分別進(jìn)行雜交即×Yugu1和×SSR41,該試驗(yàn)于赤峰市農(nóng)牧科學(xué)研究所試驗(yàn)站(118°52′0″E、42°17′38″N)進(jìn)行。2016年冬在海南三亞南濱農(nóng)場(chǎng)種植2個(gè)雜交組合的F代,并分別收集F代真雜種的種子。2017年春在赤峰市農(nóng)牧科學(xué)研究所試驗(yàn)站種植2個(gè)雜交組合的F代群體。2個(gè)雜交組合的F代群體均用于基因精細(xì)定位,僅有×Yugu1組合的F代群體用來(lái)做突變體的遺傳分析。同時(shí),將野生型ZT002也在同一地塊進(jìn)行種植,用于的表型鑒定。
1.2.2 突變體的表型鑒定及遺傳分析 于植株進(jìn)入成熟期時(shí),隨機(jī)選取6株和ZT002進(jìn)行相關(guān)農(nóng)藝性狀調(diào)查。同時(shí)調(diào)查和豫谷1號(hào)、F及F群體各單株的株高,統(tǒng)計(jì)正常株高與矮稈植株的比率,并用卡方測(cè)驗(yàn)分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果。
1.2.3 BSA+QTLseq法進(jìn)行突變基因的定位 在2組F群體中分別選取30株極端矮稈植株,按單株剪取1~2張健康葉片用于DNA的提取,并測(cè)定其濃度,然后將30株單株的DNA 等量混合,分別構(gòu)建2個(gè)矮稈混池。
通過(guò)Illumina HiSeq 2500測(cè)序平臺(tái)對(duì)2個(gè)混池樣本進(jìn)行高通量測(cè)序,利用QTLseq法對(duì)2個(gè)混池的測(cè)序數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析,初步確定突變基因所在的染色體和候選區(qū)間,然后在初定位的基礎(chǔ)上利用BSA法進(jìn)行基因定位。根據(jù)重測(cè)序得到的親本之間純合的SNP(單核苷酸多態(tài)性)和InDel(插入缺失序列)設(shè)計(jì)多態(tài)性好的標(biāo)記,并利用這些標(biāo)記定位基因。
前期研究發(fā)現(xiàn),突變體葉片直立,莖稈粗壯,穗莖節(jié)顯著縮短,株型緊湊,抗倒性強(qiáng),是優(yōu)良的谷子矮稈種質(zhì)資源。在成熟期,對(duì)突變體和野生型ZT002 的莖稈部性狀進(jìn)行調(diào)查,發(fā)現(xiàn)的株高為35.90 cm,ZT002的株高為130.83 cm,突變體的株高只是野生型ZT002的27.44%(表1,圖1-B)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)的莖稈也更加粗壯,達(dá)到10.13 mm(表1)。對(duì)突變體與ZT002 的節(jié)間進(jìn)行比對(duì)后發(fā)現(xiàn),和ZT002均具有13個(gè)節(jié)間,并且每一個(gè)節(jié)間都比野生型中相應(yīng)的節(jié)間短(圖1-A),這與前人研究結(jié)果基本一致,都是由于節(jié)間縮短導(dǎo)致的矮化。
表1 突變體 si-dw4和野生型ZT002莖稈部農(nóng)藝性狀統(tǒng)計(jì)
在赤峰和海南連續(xù)種植多代,均表現(xiàn)為矮稈性狀。將突變體與具有正常株高的Yugu1做雜交,得到的F代植株全部表現(xiàn)為正常株高,表明矮稈性狀是隱性性狀。在雜交得到的F分離群體中株高分離明顯,存在中間類型,通過(guò)測(cè)量358株 F群體的株高,發(fā)現(xiàn)最矮植株的株高為33.50 cm,最高為142.30 cm,株高位于120.6~130.0 cm區(qū)間的植株最多,且符合正態(tài)分布規(guī)律(圖2)。充分說(shuō)明F分離群體的株高由主效基因控制,可以把株高性狀看作質(zhì)量性狀進(jìn)行分析定位。
表2 F2代的株高性狀分離情況統(tǒng)計(jì)分析
對(duì)×Yugu1 F和×SSR41 F分離群體的矮稈隱性混池進(jìn)行高通量測(cè)序。對(duì)2個(gè)混池的測(cè)序結(jié)果進(jìn)行比較分析,發(fā)現(xiàn)SNP數(shù)量在100萬(wàn)~200萬(wàn),InDel在20萬(wàn)~40萬(wàn),利用QTLseq軟件作圖,并不能得到顯著的峰值。因此,本研究利用排除法進(jìn)行進(jìn)一步分析,首先將×Yugu1和×SSR41 2個(gè)群體都檢測(cè)到的變異位點(diǎn)取交集,再利用Yugu1和SSR41的全基因組數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的所有變異位點(diǎn)做過(guò)濾,結(jié)果發(fā)現(xiàn)一半以上變異位點(diǎn)集中在5號(hào)染色5~9 Mb區(qū)間內(nèi), 因此將該區(qū)間作為候選區(qū)間。根據(jù)候選區(qū)間內(nèi)的InDel位點(diǎn)設(shè)計(jì)了多個(gè)標(biāo)記(表3),并利用×Yugu1的 F分離群體進(jìn)行驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)標(biāo)記In5-6.23和In5-8.12擴(kuò)增混池 DNA可以得到與母本帶型一致的條帶(圖3),說(shuō)明突變基因與這2個(gè)標(biāo)記緊密連鎖。根據(jù)重測(cè)序分析結(jié)果,已經(jīng)幾乎沒(méi)有InDel位點(diǎn)可以使用,再無(wú)法設(shè)計(jì)出InDel標(biāo)記將定位區(qū)間進(jìn)一步縮小。因此,將突變基因定位于In5-6.23(6 225 727 bp)與 In5-8.12(8 123 723 bp)之間的1.89 Mb 區(qū)間內(nèi)。
表3 基因定位所用的標(biāo)記
本研究中,對(duì)突變體和野生型ZT002的節(jié)間長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)查分析,發(fā)現(xiàn)和ZT002的節(jié)間數(shù)目一致,并沒(méi)有發(fā)生變化,說(shuō)明的矮化是由于節(jié)間縮短導(dǎo)致的。在前期對(duì)突變體農(nóng)藝性狀的研究中,通過(guò)與野生型相比,的葉片呈直立狀,株型也更加緊湊,說(shuō)明該突變基因也參與了株型的調(diào)控。前人研究表明,在水稻中dm、dn和n1這3種矮稈突變體的矮化都是節(jié)間明顯縮短而導(dǎo)致的。同樣,在玉米矮稈突變體中,最為明顯的表型特征也是節(jié)間的變化,一般多表現(xiàn)為節(jié)間數(shù)目減少,節(jié)間長(zhǎng)度縮短,特別是雌穗以下的節(jié)間變化尤為明顯。隨著研究的深入,目前在水稻、玉米、茄科和葫蘆科植物中均已鑒定出這類矮稈突變體,它們的突變基因可以使節(jié)間數(shù)目減少,節(jié)間長(zhǎng)度縮短,導(dǎo)致植株產(chǎn)生矮化,同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了部分基因兼具株型調(diào)控作用,如控制葉片的直立性,使株型緊湊等。當(dāng)然隨著矮稈種質(zhì)資源的不斷利用,植物的矮化機(jī)理研究已經(jīng)取得了較大進(jìn)展,育成的多個(gè)矮稈、抗倒、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的作物品種也得到了迅速推廣。但在谷子矮化育種中,目前可以利用的矮稈資源卻仍然存在早衰和遺傳基礎(chǔ)不明確等問(wèn)題,導(dǎo)致很難在育種中利用,阻礙了谷子的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。因而,更多新的矮稈基因的發(fā)掘不但可以為谷子矮化育種水平的提高帶來(lái)更多的新突破,也為其他農(nóng)作物、園藝作物的矮化改良提供了先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。
本研究將突變基因定位在第5染色體1.89 Mb區(qū)間內(nèi),沒(méi)能完成精細(xì)定位。一方面由于標(biāo)記 In5-6.23 與In5-8.12之間已沒(méi)有可利用的InDel位點(diǎn),很難再開發(fā)出新的InDel標(biāo)記;另一方面原因是作圖群體數(shù)量較少,構(gòu)建的遺傳圖譜精度較低,導(dǎo)致進(jìn)行基因定位時(shí)檢測(cè)到的重組圖譜偏大而檢測(cè)不到重組事件,進(jìn)而表現(xiàn)為重組交換率偏低。為解決這些問(wèn)題,本研究計(jì)劃一方面基于重測(cè)序獲得的SNP位點(diǎn)信息,利用dCAPS Finder 2.0和Primer 3(http://bioinfo.ut.ee/primer3-0.4.0/)來(lái)開發(fā)CAPS(酶切擴(kuò)增多態(tài)性)標(biāo)記引物,進(jìn)一步加密遺傳圖譜;另一方面增大作圖群體數(shù)量,構(gòu)建精度更高的遺傳圖譜,精細(xì)定位突變基因。