普通小麦主要农艺性状的全基因组关联分析

为解析小麦复杂农艺性状的遗传机制,本研究以150份小麦品种(系)为自然群体,在4个环境条件下测定了9个主要农艺性状,利用小麦35K SNP芯片,结合5种关联模型(Q、PCA、K、PCA+K、Q+K),进行全基因组关联分析。结果表明,全基因组多态性信息量PIC的范围为0.0950~0.5000,最小等位基因频率MAF值为0.0500~0.5000;群体结构分析和PCA分析均表明参试材料可分为两个亚群;连锁不平衡分析发现A基因组、B基因组、D基因组和全基因组的LD衰减距离分别为4.7、8、11和6 Mb。9个性状共检测到652个显著的关联位点(P≤0.001),其中21个SNP在2个或2个以上的环境中被重复检测到,分布在1A(1)、1B(4)、2A(3)、2D(2)、3A(1)、5A(1)、5B(5)、6A(1)、6B(2)和7D(3)染色体上;1个SNP标记的物理位置未知,3个SNP标记同时与2个性状显著关联;单个SNP 的表型贡献率为7.67%~18.79%。8个优势等位变异在供试群体中所占比例较低,筛选出14个可能与小麦农艺性状相关的候选基因,其中TraesCS5B02G237200、TraesCS7D02G129700和TraesCS1B02G426300可能在植物抵御生物与非生物胁迫中起作用,TraesCS5B02G010800和TraesCS7D02G436800可能与植物激素的合成和响应有关,TraesCS2A02G092200可能与植物细胞壁的增强有关,TraesCS5A02G438800可能参与叶绿体发育,另外7个候选基因的功能未知。

小麦耐低磷相关性状的全基因组关联分析

通过对小麦耐低磷相关性状进行全基因组关联分析(GWAS,genome-wide association study),挖掘与小麦耐低磷性显著相关的单核苷酸多态性标记(SNP,single nucleotide polymorphism)位点及候选基因,为小麦耐低磷性状的遗传基础和分子机制研究提供理论参考。本试验以198份黄淮麦区小麦品种(系)为试验材料,设置低磷和正常磷营养液水培试验,利用小麦35K芯片对分布于小麦全基因组的11896个SNP,采用Q+K关联模型对小麦耐低磷性相关性状进行关联分析。结果表明,小麦耐低磷性状表现出广泛的表型变异,变异系数为15.65%~26.59%,多态性信息含量(PIC,polymorphic information content)为0.095~0.500。群体结构分析表明,试验所用自然群体可分为2个亚群,GWAS共检测到67个与小麦耐低磷相关性状显著关联的SNP位点(P≤0.001),这些位点分布在除3A、3B和3D以外的18条染色体上,单个SNP位点可解释5.826%~9.552%的表型变异。在这些显著位点中有4个SNP位点同时关联到了2个不同的耐低磷性状。对67个SNP位点进行发掘,筛选到7个可能与小麦耐低磷性有关的候选基因。TraesCS6A02G001000和TraesCS6A02G001100在锌指合成中有重要作用;TraesCS6A02G118100可能为低磷胁迫诱导基因;TraesCS5D02G536400、TraesCS1B02G154200和TraesCS5D02G536500与低磷胁迫相关酶类基因家族有关;TraesCS1D02G231200与植物DUF 538结构域蛋白有关,是植物胁迫相关调控蛋白候选基因。

不同粒色小麦籽粒铁锌含量和生物有效性及其对氮磷肥的响应

明确不同粒色小麦籽粒铁锌含量和生物有效性及其对氮磷肥配施的响应,对小麦高产优质高效生产具有重要意义。本文以6个不同粒色(白粒、红粒和黑粒)小麦品种为材料,在大田条件下研究了不同氮磷肥配比(N1:90 kg N hm^(–2); N_2:240 kg N hm^(–2); P1:60 kg P_2O_5 hm^(–2); P2:209 kg P_2O_5 hm^(–2))对小麦产量、籽粒铁锌含量及其生物有效性的影响。结果表明,不同品种籽粒铁锌含量和积累量存在年际间差异,黑粒小麦具有较高的铁锌生物有效性。小麦籽粒产量、铁锌含量及积累量在N2P1处理下最高;铁锌生物有效性在N2P2或N2P1处理下最高,两处理之间没有显著差异。红粒小麦扬麦15和扬麦22在N2P1水平下籽粒铁锌含量及其积累量最高, N2P2次之;黑粒小麦周黑麦1号和紫麦1号在N2P2水平下铁含量及其积累量最高, N2P1次之;不同品种的铁锌生物有效性多数在N2P1或N2P2水平下最高,表明适量增施氮肥,有利于提高籽粒产量、铁锌含量及其生物有效性。在本试验条件下综合考虑产量和效率,N2P1 (240 kg N hm^(–2)、60 kg P_2O_5 hm^(–2))处理对提高产量、增加籽粒铁锌含量及其生物有效性效果最佳。

小麦籽粒不同层次酚类物质与抗氧化活性差异及氮肥调控效应

明确酚类物质在籽粒不同层次的分布规律及对氮肥调控的响应,为小麦品质改良及优质栽培提供科学依据。本研究以紫麦(冀紫439)和白麦(鑫华麦818)为材料,于2019—2020年分别在郑州和原阳设置高氮(HN,210 kg N hm^(-2))和低氮(LN,105 kg N hm^(-2))处理,采用分层碾磨方法将籽粒从外向内依次分为5层(LY1,LY2,LY3,LY4,LY5),测定不同层次籽粒中的总酚、总类黄酮、花青素含量及其抗氧化活性。结果表明,游离酚和结合酚提取物中的总酚、总类黄酮、花青素含量以及抗氧化活性(TEAC、FRAP)从籽粒外层到内层呈下降趋势。紫麦籽粒不同层次抗氧化物含量及抗氧化活性均高于白麦,但两品种之间的差异随着研磨程度的加深呈下降趋势。籽粒LY1~LY3中总酚、总类黄酮和花青素含量随着施氮量的增加而增加(原阳LY1总酚除外),而内层LY4~LY5增对施氮肥的响应较弱,且存在地点间差异。小麦籽粒酚酸组分中阿魏酸占全部组分93%以上,且表现为在低氮条件下含量增高。综上所述,紫麦具有较高的酚类等抗氧化物质,但与白麦之间的差异随着研磨程度的加深而下降;籽粒外层抗氧化物质含量和抗氧化活性对氮肥调控具有较强的响应,且含量随着氮肥增施而增加。

小麦钾离子通道蛋白基因TaAKT1的功能分析

小麦AKT1具有钾离子转运功能。为了给小麦钾离子吸收转运机制的研究提供参考,本研究从普通小麦品种石4185中扩增得到TaAKT1基因,其编码区序列全长2 694bp,生物信息学分析表明,TaAKT1蛋白包含897个氨基酸,相对分子质量为100.92kDa,具有钾离子通道蛋白的特征序列TxxTxGYGD。多序列比对发现,TaAKT1蛋白与大麦HvAKT1蛋白的进化关系最近,相似性达97.22%。利用qRT-PCR分析发现,在正常条件下TaAKT1基因在小麦根部表达量约为叶片中表达量的5倍,低钾环境下TaAKT1的表达量在小麦根部明显上调,叶部的表达量无明显变化。利用酵母功能互补实验发现,转TaAKT1基因的酵母在含有5mmol·L^(-1) KCl的AP培养基上正常生长,而转空载体的酵母长势受到抑制,说明TaAKT1具有钾离子转运功能。同时转TaAKT1基因与TaCIPK23基因的酵母能在含60μmol·L^(-1) KCl的AP培养基上生长,而转空载体与转TaAKT1基因的酵母菌株均不能生长,说明TaCIPK23可以增强TaAKT1的钾离子吸收能力。

小麦耐低钾性状的全基因组关联分析

【目的】筛选与小麦耐低钾性状相关的标记,为揭示小麦耐低钾性状的遗传机理奠定基础。【方法】本研究以198份中国黄淮南片麦区的小麦品种(系)作为供试群体。小麦种子发芽后,幼苗在正常钾营养液中生长4天,然后在低钾(0.01 mmol/L)和正常钾(2 mmol/L)营养液中生长25天。调查生物量,分析地上部和根部钾含量,计算小麦7个性状的相对值,利用小麦35K SNP芯片结合Q+K混合线性模型(mixed linear model,MLM)对7个耐低钾性状进行全基因组关联(genome-wide association study,GWAS)分析,筛选位于显著关联位点上的候选基因并进行功能注释,对显著关联位点进行等位变异分析,发掘优异等位变异。【结果】低钾胁迫条件下,地上部、根部、全株钾累积量和钾累积量根冠比显著降低,地上部、根部、全株钾利用指数显著升高。群体结构分析和PCA分析均将供试群体分为2个亚群。通过GWAS分析,共检测到75个显著关联单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP)标记(P<0.001),分布在除1A、3B、3D、4D和6A染色体外的16条染色体上。通过候选基因搜寻及注释,共筛选出13个可能与小麦耐低钾胁迫相关的候选基因。等位变异分析共挖掘了14个优异等位变异,其中6个优异等位变异在供试群体中出现的频率较大。【结论】7个耐低钾性状均具有明显的数量性状特征,变异系数范围为20.66%~30.44%。40%的SNP标记分布在2B、5B和6B染色体上,21个SNP位点与多个耐低钾性状显著关联,单个SNP标记解释的表型贡献率的变异范围为5.78%~11.22%。TraesCS4A02G335400、TraesCS2B02G306000、TraesCS5B02G260000可能参与物质转运过程,TraesCS1D02G350600和TraesCSU02G105300可能参与逆境胁迫响应等生理过程,TraesCS2A02G000200可能参与逆境胁迫下的信号转导过程。