油菜主花序角果密度及其相关性状的全基因组关联分析

【目的】油菜高产是育种工作的主要研究目标之一。角果密度、主花序有效角果数等性状与产量都有显著或极显著的正相关关系,是油菜高产育种考查的主要性状。为揭示油菜角果密度及其相关性状的遗传机理和分子机制奠定基础。【方法】以不同遗传背景和地理来源的213份甘蓝型油菜品种(系)构成的自然群体为研究对象,利用芸薹属60K Illumina Infinium SNP芯片对该群体进行基因型分型。分别于2015年和2016年在成熟期调查该群体主花序有效长和主花序有效角果数,计算主花序角果密度。利用Structure 2.3.4软件对该群体进行群体结构分析,Tassel 5.1.0软件分析亲缘关系和染色体连锁不平衡的衰减;然后基于最优模型对主花序角果密度及其相关性状进行全基因组关联分析(genome-wide association analysis,GWAS),依据关联SNP位点的LD区间序列,预测与性状相关的重要关联候选基因。【结果】群体结构分析显示,213份甘蓝型油菜分为P1和P2亚群,P1亚群包含50份材料(23.5%),P2亚群包含163份材料(76.5%),基本上和油菜的地理栽培属性一致;亲缘关系发现约89.74%材料之间的亲缘关系值小于0.2,其中约有59.91%材料的亲缘关系值为0。总体来看,整个自然群体材料之间的亲缘关系比较远。对A、C基因组进行连锁不平衡分析发现,A和C基因组的r2随着遗传距离的增加而下降,A基因组的衰减距离整体比C基因组的衰减距离小。GWAS分析两年数据共检测到17个SNP位点与主花序角果密度及其相关性状关联。其中与主花序角果密度和主花序有效长相关的SNP标记分别有7个和9个,并分别解释11.34%—15.96%和9.67%—13.10%的表型变异;与主花序有效角果数相关联的标记有1个,解释11.56%的表型变异。通过分析关联SNP位点的LD区间与甘蓝型油菜对应的区间序列,找到22个与主花序角果密度及其相关性状有关的候选基因,其中Bna A01g16940D、Bna C01g38800D和Bna A04g09170D等主要通过调控赤霉素和生长素等内源激素的合成和信号转导来控制主花序角果密度及其相关性状;Bna A01g16970D、Bna A03g29180D、Bna A03g29810D、Bna C01g39680D和Bna C03g32770D通过对分生组织的调控来改变表型;Bna C09g18690D和Bna C09g09210D等主要通过控制细胞分裂生长等过程改变表型。【结论】检测到17个SNP标记与油菜主花序角果密度、主花序有效长和主花序有效角果数关联,筛选出22个与主花序角果密度及其相关性状有关的候选基因。

甘蓝型油菜籽粒着生密度及其相关性状全基因组关联分析

油菜角果内籽粒着生密度影响每果粒数,对油菜产量有直接或间接影响。本研究以不同遗传背景和地理来源的213份甘蓝型油菜品种(系)构成的自然群体为研究对象,利用芸薹属60 K Illumina Infinium SNP芯片进行群体结构、亲缘关系以及连锁不平衡分析;然后基于最优模型对籽粒着生密度及其相关性状进行全基因组关联(GWAS)分析。通过GWAS分析,共检测到10个SNP位点与籽粒着生密度及其相关性状关联。其中与籽粒着生密度关联的标记有2个,表型贡献率分别为9.49%和11.17%;与角果有效长关联的标记有6个,单个位点可解释9.81%~12.17%的表型变异;与每果粒数相关联的标记有2个,分别解释10.44%和10.87%的表型变异。通过分析关联SNP位点的LD区间的基因信息,筛选出16个与籽粒着生密度及其相关性状有关的候选基因,其中KMD4和UGT76C2基因与细胞分裂素的调控有关;AGL104和ADC2基因参与种子的形成过程;MCCB、NGA2和MATE等基因参与侧生器官的生长发育过程,它们的异常表达会导致一些侧生器官的变异。ADC2和UGT76C2两个候选基因可能对籽粒着生密度和每果粒数一因多效性。

草铵膦胁迫下油菜苗期叶片药害相关性状的全基因组关联分析

随着油菜大面积种植和田间草害的日益严重,草铵膦近年来被尝试性地用于田间除草,但草铵膦在杀除杂草的同时或轻或重会对油菜产生药害,影响其正常生理活动,甚至影响其产量。本研究通过比较,选取最能体现油菜苗期耐药性差异的200 mg L–1作为胁迫浓度。以506份具有代表性的甘蓝型油菜品种(系)为材料,利用芸薹属60k Illumina Infinium SNP芯片分析其基因型,对油菜种质苗期的单位叶面积干重耐除草剂系数(CLW)、叶绿素含量耐除草剂系数(CCC)和综合药害指数(CPC)进行全基因组关联分析,从基因组水平分析油菜在草铵膦胁迫下的生理和形态反应。关联分析中,扫描到与单位叶面积干重耐除草剂系数显著相关的SNP位点6个,表型贡献率在6.53%～10.04%之间;与叶绿素含量耐除草剂系数相关的SNP位点共22个,表型贡献率在4.97%～6.20%之间;与综合药害指数相关的SNP位点98个,覆盖了A、C基因组,贡献率在3.25%～18.66%之间。通过对显著SNP位点对应的LD区间基因序列的分析,共获得18个与草铵膦的灭生机制相关的候选基因。在叶绿素含量耐除草剂系数关联位点的LD区域发现11个候选基因,其中9个参与酰基转移酶活性的调控,2个与乙酰CoA转移酶活性有关。在与综合药害指数关联位点的LD区域发现7个候选基因,其中1个与谷氨酰胺转移酶活性有关,参与谷氨酰胺代谢,其余6个和乙酰CoA转移酶活性有关。这些基因调控的生理生化过程均与叶片干重、叶绿素含量的变化及草铵膦的灭生机制有关。这些关联位点和候选基因的挖掘,将为油菜在草铵膦逆境胁迫下的生理生态反应的基因调控机制研究提供参考。

草铵膦对油菜种子萌发和根尖细胞遗传毒性的影响

[目的]探讨草铵膦对油菜种子萌发和根尖细胞遗传毒性的影响。[方法]模拟不同浓度和处理时间下,低剂量草铵膦残留对甘蓝型油菜萌发后幼苗生长初期的生长发育和根尖细胞分裂活动的影响。[结果]草铵膦处理对油菜发芽期幼苗下胚轴、初生根等性状的抑制效果随处理浓度的升高和处理时间的延长而增强;0.000 01%的草铵膦残留即可对油菜地上部分和地下部分产生明显的抑制效果,下胚轴对草铵膦的敏感性显著大于初生根;0.005%的草甘膦处理根尖4 h可显著抑制油菜根尖分生区细胞的有丝分裂,其抑制作用随浓度的升高和处理时间的延长逐步增强,并可诱发细胞产生染色体桥、染色体落后、多级分裂、间期微核、染色体浓缩等染色体变异。[结论]试验结果为草铵膦在油菜田使用的安全性评估提供了理论依据。