小麦产量及氮效率相关性状的全基因组关联分析

【目的】探明控制产量及氮效率相关性状的稳定基因关联位点,为高产和氮素高效小麦育种及养分管理提供参考。【方法】采用134个小麦品种(系)为试验材料,依据小麦产量水平600和400 kg/hm^(2)的需氮量设置正常氮(T1)和低氮(T2)2个处理,进行了2年田间试验,共形成4个处理环境。对小麦成熟期与产量及氮效率相关的14个性状进行了表型鉴定,采用GLM+Q一般线性模型和MLM+K+Q混合线性模型相结合的方法,利用群体差异S NP分子标记(90 K SNP芯片)对小麦产量和氮效率相关性状进行全基因组关联分析。【结果】与正常氮处理相比,低氮处理条件下小麦籽粒产量、秸秆产量显著下降;所有性状的遗传力均在75%以上,其中小穗数的遗传力最高(95.12%)。利用9329个SNP标记进行关联分析,共检测到382个SNP标记位点与供试14个性状存在显著关联(P≤0.001),分布在21条染色体上。有305个(79.84%)SNP标记位点仅在一个关联分析环境中被检测到;有77个位点在至少两种处理环境(包含平均值环境)中被检测到与同一性状显著关联(稳定关联标记)。其中9个SNP标记位点在至少3个环境中被检测到。在4个环境下(包括平均值环境)均检测到的稳定关联位点有4个:BobWhite_c47168_598、Kukri_c31599_1456、wsnp_CAP11_c1761_958064和Excalibur_c62826_254,分别与穗粒数、籽粒氮含量和小穗数显著关联;同时与至少3个性状显著关联的SNP标记位点共12个,分别位于2A、3A、4A、5B和7B染色体上,贡献率为11.14%~22.97%,其中,标记BobWhite_c47168_598和Kukri_c31599_1456还分别定位了两个多环境(4种环境)稳定位点。根据12个与多性状共同定位位点和4个多环境(4个环境)稳定位点关联的SNP标记位置获得稳定位点附近区域的基因(基于LD block等方式估算的区间大小),使用NCBI中CDD工具和EnsemblPlants网站对这些基因进行基因功能注释,根据功能注释,共得到10个与产量和氮效率性状相关的候选基因。【结论】氮供应水平对小麦成熟期产量和氮效率相关性状均有显著影响,氮素累积量与小麦产量显著正相关。本试验中检测到的与产量及氮效率相关性状显著关联的位点中,79.84%的SNP标记位点仅在一个氮处理环境中出现,环境稳定性较差;4个位点在4个环境条件下均被检测到,环境稳定性较好;12个SNP标记位点同时与至少3个性状显著关联,涉及性状均为产量及氮效率相关性状,反映了籽粒产量与氮素效率之间的显著相关关系,也可能是同时控制这些性状的遗传热点位点。根据这些热点位点和环境稳定性好的位点筛选到10个与产量及氮效率相关性状有关候选基因,值得深入探讨。

小麦苗期生物量及氮效率相关性状的全基因组关联分析

【目的】探究不同氮素供应环境下与小麦苗期生物量及氮效率相关性状显著关联的SNP位点,预测相关候选基因,为小麦氮效率的基因克隆及其在育种中的应用提供参考。【方法】以134个小麦品种(系)组成的群体为供试群体,设置低氮、正常氮和高氮3个处理,各处理重复4次,并在2年(2013和2014年)进行了2次完全重复的营养液培养试验。试验对小麦苗期生物量及氮效率相关的14个性状进行了表型鉴定,采用MLM+K+Q混合线性模型,利用90K SNP芯片对小麦生物量及氮效率相关性状进行全基因组关联分析(genome-wide association study,GWAS),获得显著关联的SNP位点。【结果】与正常氮处理相比,低氮处理条件下,根系、地上部及植株氮含量和氮积累量均显著下降,而根生物量和根、植株氮效率均显著增加,高氮处理下,几乎所有鉴定性状均显著增加;14个性状的广义遗传力均在40%以上,其中,植株总干重的遗传力最高(95.73%)。利用9329个SNP标记进行关联分析,共检测到838个SNP标记位点与供试材料的14个性状存在显著关联(P≤0.001),分布在21条染色体上。有435个(51.91%)SNP标记位点仅在一个关联分析环境中被检测到;有403个位点至少在2个处理环境(包含均值环境)中被检测到与同一性状显著关联(稳定关联标记)。其中8个SNP标记位点至少在3个环境中被检测到。在4个环境下(包括均值环境)均检测到的稳定关联位点有2个:Kukri;65481;21和tplb0025f09;052,分别与植株总氮利用效率(total nitrogen use efficiency of plant,TNUE)和根系总氮利用效率(root nitrogen use efficiency,RNUE)显著关联;同时与至少6个性状(生物量及养分效率相关性状)显著关联的SNP标记位点共5个,分别位于1A、1B(3)和2A染色体上;根据小麦基因组注释及LD衰减水平,在同时定位了6个性状的5个SNP位点和2个多环境(4个环境)稳定关联的SNP位点的214 kb的基因组区域中共筛选候选基因84个,根据已知克隆氮效率基因的编码蛋白类型、候选基因功能注释信息及利用植物比较基因组学资源库蛋白序列同源比对分析,筛选到3个候选基因与生物量及氮效率相关。【结论】不同氮素处理显著影响小麦苗期生物量、氮效率相关性状及其相关QTL的表达,大多数SNP位点仅在1个氮素检测环境中被检测到,但也存在环境稳定性较强的位点。生物量及氮效率相关性状之间存在显著相关关系,并在一定程度上受到相同的QTL/基因控制。