控制我國(guó)小麥旗葉性狀的遺傳位點(diǎn)及候選基因的功能分析.pdf

1、葉片是植物進(jìn)行光合作用主要的發(fā)生器官，對(duì)植物株型的形態(tài)建成和產(chǎn)量的形成至關(guān)重要。小麥旗葉性狀與產(chǎn)量構(gòu)成因子之間關(guān)系密切，葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積與穗粒重均呈顯著正相關(guān)，增加旗葉面積有助于提高產(chǎn)量。因此，通過(guò)明確我國(guó)小麥種質(zhì)資源的旗葉性狀表現(xiàn)，尋找不同時(shí)期種質(zhì)資源旗葉性狀的變化規(guī)律，定位控制旗葉大小的遺傳位點(diǎn)及候選基因，將為小麥旗葉性狀的遺傳改良奠定理論基礎(chǔ)。為此本研究開(kāi)展如下三方面的研究：
　　1.我國(guó)小麥旗葉性狀的演變規(guī)律
　　

2、在2014-2015生長(zhǎng)季，對(duì)在北京和河北趙縣種植的我國(guó)1500份不同年代小麥種質(zhì)資源（包括地方品種、近代育成品種和現(xiàn)代育成品種）進(jìn)行旗葉大小的測(cè)量。結(jié)果表明：我國(guó)小麥旗葉面積的變異范圍為1306-5483mm2，旗葉長(zhǎng)為121-327mm，旗葉寬為8.6-24.0mm，其中我國(guó)地方品種旗葉平均面積、長(zhǎng)度和寬度分別為2528mm2、240mm和13.7mm，近代育成品種為2671mm2、220mm和16.0mm，現(xiàn)代育成品種為2666m

3、m2、205mm和17.2mm，表明新近育成的小麥品種旗葉長(zhǎng)度逐漸變短，而旗葉寬度不斷增加，有效地保證了旗葉的面積，暗示旗葉寬度在品種改良中可能有著重要作用。進(jìn)一步對(duì)旗葉性狀和產(chǎn)量三要素和籽粒大小進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，旗葉寬度和千粒重（r=0.345）、粒寬（r=0.391）以及穗粒數(shù)（r=0.456）之間存在著極顯著的正相關(guān)關(guān)系，而和單株穗數(shù)（r=-0.440）之間存在著極顯著的負(fù)相關(guān)，也說(shuō)明旗葉寬度在育種家對(duì)粒重和穗粒數(shù)的改良中得到了

4、同步的選擇。此外，兩個(gè)地點(diǎn)的相關(guān)性分析表明環(huán)境對(duì)旗葉面積和葉長(zhǎng)影響較大，而葉寬在不同地點(diǎn)之間相對(duì)穩(wěn)定。
　　2.我國(guó)小麥種質(zhì)資源旗葉性狀的遺傳位點(diǎn)解析
　　為了解析控制我國(guó)小麥旗葉性狀的遺傳位點(diǎn)，獲得與旗葉大小關(guān)聯(lián)的分子標(biāo)記，在花后一周對(duì)河北趙縣、衡水等不同環(huán)境下點(diǎn)播種植的342份黃淮及北方冬麥區(qū)主要小麥品種（系）材料進(jìn)行旗葉性狀的調(diào)查，并利用小麥Wheat660K SNP芯片進(jìn)行全基因組基因型的掃描。通過(guò)STRUCTURE

5、 v2.3.4軟件對(duì)群體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，將所研究材料劃分為7個(gè)亞群（k=7）；利用TASSEL v5.2.2對(duì)383,780個(gè)標(biāo)記和旗葉性狀進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。關(guān)聯(lián)分析初步的結(jié)果表明：在不同種植環(huán)境條件下，共檢測(cè)到位于16個(gè)染色體區(qū)段（1A、1B、2A、2B、3A、3B、3D、4A、4B、5A、5D、6A、6B、7A、7B和7D）上的40個(gè)位點(diǎn)與旗葉性狀密切相關(guān)。標(biāo)記AX-109920673（2B）、AX-108806630（3B）、AX-10

6、9688668（3D）、AX-108916381（4A）、AX-110537692（7A）、AX-109372256（7A）、AX-111235579（7A）和AX-110878687（7D）與旗葉長(zhǎng)、旗葉面積顯著關(guān)聯(lián)；位于5A上的標(biāo)記AX-95628815、AX-94909932、AX-111616054和AX-111648402能夠顯著的影響旗葉寬和旗葉面積。旗葉性狀的關(guān)聯(lián)位點(diǎn)在不同環(huán)境中雖有差異但仍較為穩(wěn)定，尤其是旗葉寬性狀，其關(guān)

7、聯(lián)的位點(diǎn)大多在4個(gè)環(huán)境中均可以檢測(cè)到，且表型變異貢獻(xiàn)率較高，說(shuō)明小麥旗葉性狀雖然受到環(huán)境的影響，但仍然存在一些重要的控制小麥旗葉性狀形成的染色體區(qū)段，對(duì)這些區(qū)段建立有效的分子標(biāo)記乃至克隆其攜帶的基因?qū)⒂兄谛←溒烊~性狀的定向改良，促進(jìn)小麥新品種的培育。
　　3.控制小麥旗葉寬候選基因TaNAL1-5的克隆及功能分析
　　OsNAL1基因是水稻中重要的調(diào)控劍葉寬的基因，該基因的突變顯著降低了生長(zhǎng)素的極性運(yùn)輸活性，在葉片的橫向生

8、長(zhǎng)中發(fā)揮重要作用。利用比較基因組學(xué)的方法，發(fā)現(xiàn)其小麥同源基因TaNAL1位于5A染色體上與葉寬關(guān)聯(lián)的位點(diǎn)附近，因此以水稻NAL1基因作為參考序列，從小麥品種中國(guó)春中克隆獲得三條分別定位于5A、5B和5D染色體的TaNAL1序列。小麥TaNAL1-5基因由5個(gè)外顯子和4個(gè)內(nèi)含子組成，其中TaNAL1-5A和TaNAL1-5B ORF全長(zhǎng)為1803bp，編碼600個(gè)氨基酸，TaNAL1-5D ORF全長(zhǎng)1796bp，編碼598個(gè)氨基酸，均具

9、有半胱氨酸/絲氨酸胰蛋白酶結(jié)構(gòu)域。不同普通小麥品種中該基因的A、B和D三個(gè)拷貝的序列比較發(fā)現(xiàn)：TaNAL1-5A檢測(cè)到呈現(xiàn)單體型的9個(gè)SNP位點(diǎn)和一個(gè)19bp Indel的兩種等位變異（Hap-A1和Hap-A2），且其啟動(dòng)子區(qū)域存在與編碼區(qū)一致的呈現(xiàn)單體型的6個(gè)SNP位點(diǎn)和一個(gè)24bp Indel，但TaNAL1-5B/5D在這些材料之間沒(méi)有檢測(cè)到序列多態(tài)性；TaNAL1-5A編碼氨基酸的第473位存在M-T、第480位存在H-P的氨

10、基酸改變，可能會(huì)引起其編碼蛋白的功能變化。根據(jù)TaNAL1-5A中19bp Indel開(kāi)發(fā)了功能標(biāo)記并對(duì)115份普通小麥組成的自然群體進(jìn)行檢測(cè)，其中55份為Hap-A1類(lèi)型，其葉寬均值為14.7mm，而60份Hap-A2類(lèi)型材料的葉寬均值（18.1mm）顯著高于Hap-A1類(lèi)型，且千粒重和小穗數(shù)也顯著高于Hap-A1類(lèi)型，說(shuō)明無(wú)19bp插入的Hap-A2是優(yōu)良等位變異類(lèi)型，TaNAL1-5A在小麥旗葉形態(tài)建成過(guò)程中有著重要作用，且可能參

11、與了產(chǎn)量三要素的形成。TaNAL1-5在灌漿快增期的籽粒中表達(dá)量急速增加，說(shuō)明TaNAL1-5很可能參與了籽粒干物質(zhì)的形成過(guò)程，對(duì)粒重的形成具有一定的作用。
　　本研究從表型變異入手，通過(guò)調(diào)查我國(guó)不同育成年代小麥品種的旗葉性狀，明確了隨著育種年代的延伸，小麥旗葉葉長(zhǎng)逐漸變短、葉寬增加，并伴隨著穗粒數(shù)、千粒重的同步增加，而葉面積基本保持不變；通過(guò)關(guān)聯(lián)分析明確小麥旗葉性狀受到40個(gè)遺傳位點(diǎn)的控制，并利用5A關(guān)聯(lián)位點(diǎn)附近的TaNAL1-