大豆共生结瘤相关性状QTL定位信息整合及候选基因分析

目前基于大豆共生结瘤QTL定位的结果少、置信区间大,难以应用于实践中,因此整合前人研究结果、缩短置信区间具有重要意义。本研究针对大豆共生结瘤相关性状,搜集国内外已报道的48个QTL定位结果,利用Meta分析得到2个分别控制结瘤数目、结瘤大小和结瘤干鲜重的Meta-QTL。在区间内选择候选基因,利用野生大豆和栽培大豆验证候选基因在接种根瘤菌后的表达模式,明确候选基因与共生结瘤的关系。对Meta-QTL区间内的6个候选基因进行qRT-PCR检测及初步生物信息学分析,结果表明其中4个基因有可能为大豆共生结瘤性状的候选基因。本研究的实验方法对QTL定位区间内候选基因的确定和功能研究具有指导意义。

大豆底荚高度QTL定位及候选基因挖掘

底荚高度是衡量大豆品种是否适宜机械收获的关键指标。底荚高度较低的品种在机械收割过程中可能造成植株部分被切断或漏割,引起总产量损失。因此,大豆底荚高度候选基因对大豆机械化育种至关重要。本研究利用完备区间作图法(Inclusive Composite Interval Mapping, ICIM)对208染色体片段代换系群体(chromosome segment substitution lines, CSSL)进行大豆底荚高度QTL定位,获得9个与大豆底荚高度相关的QTL,分布在8条连锁群上。结合BSA重测序结果,将与大豆底荚高度相关的QTL定位到C1连锁群上1.1Mb和L连锁群上0.05Mb的区间内,并对其进行基因注释。通过基因注释数据库和信息学分析,在两个共识QTL区间内获得5个可能与大豆底荚高度相关的候选基因。这些结果可以为大豆底荚高度QTL精细定位以及机械化优质高产大豆品种的选育提供理论依据。

基于RIL和CSSL群体定位大豆脂肪酸组分QTL

【目的】大豆(Glycine max)原产于中国,高品质的大豆在食品、饲料、纺织品等多种加工业中广泛应用,因此,选育高品质大豆已成为育种者和生产者的聚焦问题。通过对大豆脂肪酸各组分进行QTL定位及候选基因的筛选,为大豆品质改良奠定分子基础。【方法】以美国大豆品种Charleston和东农594为亲本构建重组自交系(RILs)、以栽培大豆绥农14与野生大豆ZYD00006为亲本构建染色体片段代换系(CSSLs)为试验材料。利用气相色谱法测定2个群体的脂肪酸含量,根据东北农业大学农学院大豆遗传改良实验室已构建的遗传图谱,通过Windows QTL Cartographer 2.5和ICIMapping软件对2017—2018年RIL群体与CSSL群体中的大豆脂肪酸组分进行QTL定位研究,并对所获得的QTL置信区间进行候选基因的挖掘。【结果】2017—2018年,RIL群体和CSSL群体分别定位到34和20个与脂肪酸组分相关的QTL,分布在除B2、C1、G、H、J、M和O以外的13个连锁群上。比较2个群体的QTL定位结果,发现在2个群体中重复检测到10对QTL,其中,分布在A1、C2、D1a、F、K和N连锁群上的QTL与多种脂肪酸含量相关,在A1连锁群上检测到亚油酸和油分含量重叠的QTL;在C2连锁群上检测到硬脂酸和油分含量重叠的QTL;在D1a连锁群上检测到硬脂酸和油分含量重叠的QTL;在F连锁群上检测到棕榈酸、硬脂酸和油分含量重叠的QTL;在K连锁群上检测到亚油酸和亚麻酸含量重叠的QTL;在N连锁群上检测到棕榈酸和油分含量重叠的QTL、油酸和亚油酸含量重叠的QTL。对QTL定位获得的所有置信区间进行候选基因的挖掘,从基因注释数据集中共筛选出485个候选基因,其中,271个候选基因具有GO注释,进一步进行GO富集数据分析,共有15个候选基因与脂肪酸相关。主要通过编码植物酰基-酰基载体蛋白(ACP)硫酯酶、脂肪酸去饱和酶、磷脂酶D1、脂肪酸-羟化酶、丙酮酸激酶和参与酰基辅酶A生物合成、调节脂肪酸链的延伸,从而影响脂肪酸的合成。【结论】共检测到54个与大豆脂肪酸各组分相关的QTL,在2个群体中重复检测到10对QTL,对QTL定位获得的置信区间进行候选基因的筛选,共有15个候选基因与脂肪酸相关。这些稳定的脂肪酸相关的QTL和脂肪酸相关的候选基因可用于大豆脂肪酸改良的分子标记辅助选择。

基于大豆导入系群体结瘤相关性状QTL定位及基因挖掘

氮元素是植物生长所需的重要营养元素之一,生物固氮是大豆生长所需氮元素的重要来源。本实验室以绥农14为母本,野生豆ZYD00006为父本构建一套覆盖野生大豆全基因组的导入系群体。基于大豆导入系群体对结瘤数目和干重进行QTL定位,定位到3个QTL与根瘤干重相关,分布在N、M和D2这3个连锁群上,定位到5个QTL与根瘤数相关,分布在K、F、J和D2这4个连锁群上,在D2连锁群这两个性状有重叠区段(7.20-7.79Mb)。针对这个重叠区段的63个基因进行基因注释,选择到6个与共生、抗病相关的基因作为候选基因进行下一步验证。qRT-PCR分析表明根瘤菌侵染期间Glyma.17G097000基因表达模式与对照相比差异很大。Glyma.17G097000属于GmHIR基因家族,在大豆基因组中发现了11个家族成员。GmHIR家族基因结构相似性很高,基因表达有组织特异性。大豆HIR蛋白有Stomatins和Prohibitin两个结构域,能够参与离子通道调节等生理过程,与植物抗病和细胞周期有关。GmHIR基因来源于四个祖先,进化过程中是高度保守的。对GmHIR基因家族11个成员qRT-PCR检测,结果显示根瘤菌感染期间Glyma.05G029800、Glyma.09G154400和Glyma.17G097000这三个基因与对照相比表达模式差异较大。结果表明这三个基因可能在大豆共生体系建立中起着重要的作用,参与根瘤菌与大豆共生体系建立过程中的离子通道调节和免疫反应。本研究为大豆-根瘤菌共生机制研究奠定基础并提供有效候选基因。

大豆结瘤相关QTL优化和候选基因挖掘

氮是植物生长必须的大量元素之一,大豆根瘤菌共生可以为大豆提供充足的氮元素。研究大豆根瘤菌共生机理,挖掘控制共生结瘤候选基因具有重要意义。鉴于现阶段关于调控大豆共生结瘤QTL区间大,无法直接应用到实际中,本实验整理了68个控制大豆结瘤的QTLs,通过Overview和共线性分析对其进行优化,在Gm06染色体上得到一个高置信QTLs区间对该区间进行了基因注释得到43个基因,其中包括一个控制C2钙/脂质结合和含GRAM结构域的蛋白质,一个侧根形成蛋白和一个E3泛素连接酶相关蛋白,并在CSSLs群体中查找该位置存在插入片段的株系进行结瘤性状鉴定。结果表明C2连锁群上的15-15.5Mb对于大豆根瘤菌共生结瘤有着至关重要的作用。

一个调控大豆根瘤数量的GmWUS2基因功能研究

豆科植物的结瘤固氮作用在农业上具有减肥增效、改良土壤等重大意义。WUS基因在植物分生组织中具有重要作用。基于已公布的大豆基因组数据对该基因进行生物信息学分析,表明大豆WUS基因(GmWUS)和模式植物拟南芥WUS基因(AtWUS)的编码蛋白在氨基酸序列上相似度较高,但在酸性区域存在较大差异。从大豆品种天隆1号基因组中扩增获得GmWUS2基因转录起始位点上游3000 bp的启动子序列GmWUS2pro,并将其与报告基因GUS相连以获得GmWUS2pro:GUS表达载体。qRT-PCR分析发现GmWUS2基因主要在大豆的花和根瘤中表达。通过发根转化和GUS染色,发现该基因启动子在大豆的根和根瘤中都有活性。利用CRISPR/Cas9基因编辑技术和发根农杆菌的转化技术构建GmWUS2基因的敲除载体,同时还构建过表达GmWUS2基因载体。将构建的敲除载体和过表达载体分别导入大豆发根中,并接种根瘤菌。观察统计Gmwus2突变体发根植株和GmWUS2基因的过表达发根植株与导入空载体的对照发根植株的表型差异,发现GmWUS2基因对根瘤及叶片发育具有明显的抑制作用。本研究的初步结果说明WUS基因在根瘤发育中具有重要作用,可为大豆根和结瘤发育机制的研究提供有益线索,并为在农业生产上提高生物固氮提供潜在的新方法。

根瘤菌TtsI突变体构建及结瘤表型鉴定

本论文以中华根瘤菌HH103 Ⅲ型分泌系统调控因子TtsI为研究对象,采用三亲杂交的方法获得突变体HH103ΩTtsI,并用PCR鉴定。Ⅲ型效应因子表达分析表明,在染料木苷存在的情况下,TtsI突变能够抑制NopAA、NopD、NopL和NopP等效应因子基因的转录和表达。当TtsI突变情况下,能够显著抑制根瘤菌HH103 Ⅲ型效应因子的合成。用TtsI突变体和野生型根瘤菌HH103对来自不同生态区的10份种质资源进行结瘤鉴定,结果显示,TtsI突变后能够显著减少根瘤平均数和根瘤干重。导入系群体结瘤鉴定结果显示,TtsI突变体显著减少导入系平均瘤数。说明TtsI在大豆-根瘤菌共生体系建立过程中发挥重要的作用,这种作用的发挥有可能是依赖于调控其他Ⅲ型效应因子的表达。

大豆抗细菌性斑疹病抗性鉴定以及抗病相关QTL定位

黄单胞杆菌(Xanthomonas axonopodis pv. glycines)引起的大豆细菌性斑疹病是影响大豆稳产、高产的一种严重的细菌性病害。然而关于大豆细菌性斑疹病抗性相关QTL标记研究甚少。因此,本研究利用细菌性斑疹病致病菌在重组自交系群体(RIL)室内接种的发病表型结果,定位得到大豆抗细菌性斑疹病相关的QTL,为大豆抗细菌性斑疹病的抗病育种提供指导。致病菌‘Xagneau001’(分离于佳木斯地区大面积发病的大豆叶片)接种到‘Charleston9’(♀)ב东农594’(♂)杂交衍生高世代重组自交系。并基于该RIL群体构建的SNP高密度遗传图谱,利用winQTLcart2.5遗传模型定位相关的QTL,并对每一个标记中基因的功能进行注释,揭示候选基因在大豆防御病原菌入侵的过程中参与的信号通路。针对定位到的3个大豆抗细菌斑疹病相关的QTL。对每个QTL位点上下1 Mb区间基因注释,分析注释结果筛选得到7个可能与大豆抗细菌性斑疹病相关的基因,并对候选基因的结构域和同源基因做了更进一步的注释分析。研究结果对大豆抗细菌性斑疹病抗病基因的挖掘以及抗病品种筛选的分子辅助育种具有重要意义。