小麦染色体2DS雌性育性位点的连锁不平衡分析
2023-10-20
来源:乌哈旅游
新疆农业大学学报2009,32(2):28 ̄33 Journal of Xinjiang Agricultural University 文章编号:1007—8614(2009)02—0028—06 小麦染色体2 DS雌性育性位点的连锁不平衡分析 侯北伟 ,窦秉德 ,张新玲 ,王 芳 ,朱晓滨 。,徐海明。 (1.淮阴师范学院植物生物技术研究所,江苏省环洪泽湖生态农业生物技术重点实验室,淮安223300;2.新疆农 业大学农学院,乌鲁木齐830052;3.浙江大学农业与生物技术学院,杭州310029) 摘 要: 小麦生态遗传型雌性不育系XND126的育性受两对主效基因和微效多基因联合控制。通过SSR分子标 记连锁分析,在2DS上定位了一个主基因位点。为了精细定位该位点,并验证其真实性,在59个育性正常的普通 小麦品种(系)与XND126组成的较小自然群体中,用2DS参考连锁图上的14对SSR研究了标记与位点间的连锁 不平衡(LD)程度,发现所有标记均存在LD现象,并找到了与XND126多态性高的品种(系),作为进一步精细定 位的研究材料。依据连锁分析结果,对260个品种(系)与XND126组成的较大自然群体的连锁不平衡研究发现, 主效基因位点与其最近的标记Xbarc95间的LD值最大,I D衰减在大群体中同样存在,进一步表明雌性育性主基 因位点的确存在于2DS。提示利用连锁分析和关联分析相结合策略进行QTI 精确定位是一种有益的尝试。 关键词:小麦;雌性不育;SSR标记;连锁不平衡;自然群体 中图分类号:S512.032 文献标识码:A Linkage Disequilibrium Analysis of Female Fertility Locus on Chromosome 2DS in Wheat(Triticum aestivum L.) HOU Bei—wei ,DOU Bing—de ,ZNAHG Xin—ling , WANG Fang 。ZHU Xiao—bin 。XU Hai—ming。 (1.Institute of Plant Biotechnology,Jiangsu Key Laboratory of Eco—Agricultural Biotechnology a— round Hongze Lake,Huaiyin Teachers College,Huai’an 223300,China;2.College of Agronomy, Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China;3.College of Agriculture and Biotech— nology,Zhejiang University,Hangzhou 310029,China) Abstract:Previous studies suggested the female fertility inheritance in wheat could be explained by two— major—genes plus polygenes mixed mode1.One major locus,tafl,was detected on 2DS by SSR linkage anal— ysis.To fine map the major locus and confirm the linkage analysis result,the genetic diversity between XND126 and 59 varieties of common wheat were assayed with 14 SSR markers on reference map.As the results,the varieties lines highly diverse with XND126 were determined and could be used in fine mapping population construction.Interestingly,all of the 14 markers displayed linkage disequilibrium(LD)with trait locus taf1.The LD was further analyzed by a larger population of 26 1 varieties including the female sterile line.The maximum degree of LD was found between lOCUS tafl and Xbarc95.the nearest marker to tafl,and LD decay was found both in the bigger and the smaller populations.These results confirmed that the tafl was harbored on chromosome 2DS in wheat.Meanwhile the analysis suggested that the combina— tion of linkage analysis and association analysis may be an efficient tool for QTL fine mapping and under— standing the genetic mechanism of female fertility in wheat. Key words: wheat;female sterility;SSR marker;linkage disequilibrium;natural population 收稿日期:2008—12—25 基金项目:国家自然科学基金项目(30771380) 通讯作者:窦秉德,E—mail:doubd@163.com 第2期 侯北伟,等./J、麦染色体2DS雌性育性位点的连锁不平衡分析 29 小麦是雌雄同花的自交植物,雌雄育性都是重 要的生殖性状。雌雄不育性对于性别分化研究具有 重要的理论意义,对于杂种优势利用具有潜在的实 践意义_1 ]。对小麦雄性不育性的研究起步较早, 木原均 首次报道了合成的异源细胞质雄性不育 系。随后各类细胞核雄性不育(GMS)、细胞质雄性 不育(CMS)、光温敏感雄性不育等雄性不育材料相 继被发现报道l6 ]。而小麦雌性不育性发现的较 tafl间连锁不平衡值(,一 ),试图认识分子标记与小 麦雌性育性位点间连锁不平衡关系。同时比较了正 常品种(系)与小麦雌性不育系XND126的多态性, 了解连锁分析与关联分析的相关性,以便分别在品 种组成的自然群体和杂交构建的实验群体中对小麦 雌性育性位点进行剖析,为小麦雌性育性的遗传研 究奠定基础。 晚,窦秉德等 报道了可自繁保种的小麦雌性不育 系XND126。它与育性正常小麦品种(系)杂交,其 F 育性正常,经自交F。育性分离,育性频数呈双峰 连续分布。用盖钧镒等的数量性状分离分析法4世 代联合分析表明,在3种不同生态型的小麦与雌性 不育系所配制的杂交组合中,小麦雌性育性均受两 对主效基因控制并有微效多基因修饰 ]。选用冬性 杂交组合(藁城8901与XND126)的F 群体,基于 SSR标记利用贝叶斯法对小麦雌性育性QTL进行 了初步定位,在2DS连锁图谱上发现一个主效 QTL位点tall,位于Xbarc95和Xgwm296标记之 间,与Xbare95标记紧密连锁,遗传距离3.4 cM。解 释22.35 的遗传变异【】 。随后通过增加连锁标记 继续分析,主效基因tafl的置信区间降到了 2.4 cM,遗传效应占表型效应的44.9 El1 3。但是 标记与tall的距离仍然过大,成为研究该位点的遗 传效应的主要障碍。 自Thornserry等_J 首次突破植物群体结构的 障碍将关联分析成功引入玉米开花期变异的研究以 来,关联分析是新近开始在植物数量性状研究和植 物育种中应用的一种分析方法,具有周期短、广度 大、精确度高、发现力强等特点Ⅲ1 ]。它是以连锁 不平衡为基础鉴定某一自然群体内性状与遗传标记 或候选基因间的关系。连锁分析与关联分析在 QTL定位的精度和广度、提供的信息量、统计分析 方法等方面具有明显的互补性。连锁分析是通过实 验设计的分离群体,初步定位控制目标性状等位基 因的位置,由于重组率有限,精确度不高,对于遗传 效应较小的位点发现力不足;而关联分析则是利用 历史上有效重组对目标基因进行定位,精确度高,发 现力强,但是由于群体结构的影响,容易出现假阳性 结果。结合两者的优点,分别从纵向和横向对数量 性状进行剖析,是QTL精确定位的有效方法。 本研究选取我国不同小麦生态区的部分代表性 品种(系),构成由品种(系)组成的“自然”群体。在 基因组中雌性育性主效位点所在染色体区域进行分 子标记的多态性筛选,分别计算分子标记与位点 1材料与方法 1.1供试材料 小麦雌性不育系XND126,以及来自国内各生 态区的分属春性、冬性和强冬性3种不同生态型的 59个育性正常的普通小麦品种(系)(表1)。另外增 加201个参试品种(系),分别来自淮阴师范学院植 物生物技术研究所和淮安市农科院所收集的全国各 地品种(系)。 表1参试的普通小麦品种(系)及其来源 Tablel The varieties(1ines)in experiments and its’source 生态型 普通小麦品种 来源 强冬性盏警 。 , ,冬新疆农科院 3O 新疆农业大学学报 2009年 1.2供试标记 2005年定位组合(藁城8901×XND126)的双 亲间在2DS连锁图上共发现5个多态性标记,目标 位点tafl位于Xbare95和Xgwm296标记之间,在 Xbarc95标记一侧由近而远分别为Xgwm261、 Xwmc503、Xcfd53标记(图1)。根据Roder实验室 发表的SSR标记引物序列及小麦资源网(http:// wheat.pw.usda.gov)2D染色体的参考遗传图 谱口 ,以与tafl相连锁的5个标记为对象分别向两 侧10 eM区域内选取SSR标记。连同5个已有的 连锁标记共计选取了14个SSR标记进行分析(表 2)。引物由上海生工合成。 0.0 Xcfd53 24.7 Xwmc503 30.9 Xgwm261 42.0 Xbare95 78.6 Xgwm296 图1藁城8901×XND126所配组合所构建的染色体2DS 遗传图谱 Fig.1 Genetic map of chromosome 2DS constructed from cross Gaocheng8901×XND126 襄2 14对SSR标记与雌性育性位点taft问LD值 Table 2 The degree of LD between 14 pairs of SSR markers and female fertility QTL taft *:为2005年原组合(藁城8901×XND126)所作连锁图上 的标记。 1.3方法 1.3.1 DNA提取 采取CTAB法提取基因组DNA,将雌性不育 系XND126及共260个(含表1所示59个)普通小 麦品种(系)的叶片分别用液氮在研钵中磨碎,分别 装在1.5mL的EP管中(不超过EP管的2/3),参 照Hoisington的程序,提取DNA,用紫外分光光度 计测A 。 /A ‰ 的光吸收值,计算DNA的浓度并 分析其纯度[1 。 1.3.2 SSR分析 PCR反应在10 I二的体系中进行,其中包含 10 mmol/L Tris—HC1,pH8.3;5O mmol/L KCI; 2.0 mmol/LMgC12;200/ ̄mol/L dNTPs;50 ng引 物;5O ng模板DNA和1 U Taq酶。PCR反应在 Model My Gradient上进行。 PCR扩增程序为 以94℃预变性4 min;然后 94℃变性1 min,50 ̄60℃退火(因不同引物而异) 1 min,72℃延伸2min进行45个循环;之后72℃延 伸10 rain;最后4℃保存。 采用8 (w/v)聚丙烯酰胺凝胶(Acr:Bis= 39:1)电泳和银染显色检测DNA条带多态性[1引。 1.4数据处理 1.4.1 多态性分析 统计2DS染色体上14个SSR参考标记在59 个普通小麦品种(系)与雌性不育系XND126之间 的带型差异,无差异赋值为“0”,有差异赋值为“1”, 通过Excel软件统计参试品种(系)与雌性不育系 XND126间的多态性标记数目。 1.4.2连锁不平衡(LD)值计算 连锁不平衡值(r2)计算时,D是基本成分。若 连锁的两个座位上的等位基因和标记分别为Q,q 和M,m,组成的单倍型有QM, ,qM和qm共4 种,-厂(z)为各种等位基因和单倍型的频率口 ,则: D=f(QM)一f(Q)×f(M) (1) r 一D。/(户Q×P ×P.M×P. ) (2) 参照公式(1)、(2),假设育性正常的小麦目标位 点tafl的基因型为QQ,而雌性不育系基因型为 qq,分别计算各分子标记与目标位点的LD值(r。)。 2结果与分析 由组合(藁城8901×XND126)F2于2OO5年所 构建的2DS遗传连锁图谱上标记之间的遗传距离 均比较大(图1,>5 cM)。根据各对引物扩增产物 在各品种(系)与XND126带型的差异,对标记及品 种(系)的多态性分别分析。 2.1标记的多态性分析 2.1.1 分子标记与tafl的LD值 在包含XND126的6O个品种(系)组成的小群 第2期 侯北伟,等:小麦染色体2DS雌性育性位点的连锁不平衡分析 1 0 0 0 O 0 31 体中,l4个标记在小麦雌性不育系XND126和育性 正常材料间的多态性大部分都较高(表2),多数标 记的多态性品种(系)数目都超过一半,只有 Xcfd53、Xwmcl12两个标记多态性品种(系)数相对 较低(≤50 ),I D值较小;而Xbarc95及Xg— wm296多态性品种(系)数最高(98.3 ),LD值亦 较大。 可以看出,离目标QTL位点较近的标记(如 Xbarc95)则有较多的多态性品种(系)(98.3 ),标 记与位点tafl间LD值也相对较大,而原连锁图上 较远的标记(如Xcdf53)则LD值较小,连锁不平衡 程度也较低,但所有2DS上的标记都存在连锁不平 衡现象,说明位点tafl存在于染色体2DS。 2.1.2 分子标记的连锁不平衡衰减 选取原连锁图上的5个标记,另外增加201个 品种(系),构成了一个261个品种(系)的大群体, 在260个普通小麦品种(系)与雌性不育系间观察标 记的多态性,计算LD值并与小群体作图比较 (图2)。 +261个品种(系)大群体LD衰减 +60个品种(系)小群体LD衰减 一45.4 —20.7 一l4.5 —3.4 0 33.2 各标记与tafl位点间的遗传距离(cM) 图2大小样本自然群体的I D衰减图 Fig.2 Decay of LD with two natural population 实验发现大群体中Xwmc503标记的多态性品 种(系)数目最小(81),LD值为0.002,Xgwm261, Xcfd53标记的LD值分别为0.003,0.006,与 Xwmc503标记处于相同的LD数量级。而Xg— wm296,Xbarc95的LD值相对较高,分别为0.198, 0.248。在大群体中仍然发现,离目标基因位点较近 的标记(Xbarc95)LD值较大,反之亦然。由于自然 群体的种质构成,群体大小的差异及群体结构的影 响,LD衰减速度不同(即同一标记在不同群体中的 LD值有一定的差异),可能是导致大群体I D衰减 比小群体快的主要原因,但两群体LD衰减总体趋 势是一致的(图2),验证了tafl存在于2DS上各标 记间的真实性。同时说明了选择适当的群体,较合 0∞ ∞ ∞ ∞ 加 ∞ 0 0 0 O 0 适的群体大小以及群体结构对校正LD分析的必要 性。实验群体分析中得到的与位点tall最近的标 记,在自然群体中的I D值仍不是太大,故有必要寻 找具有更大LD值的标记,结合连锁分析进行精细 定位。 2.2品种(系)的多态性分析 由PCR扩增结果可知,各品种(系)与雌性不育 系间多态性分子标记数差异明显,有些品种(系)多 态性分子标记数目相对较高,而有些品种(系)相对 较低。对3类生态型小麦品种(系),分别依据多态 性标记数,比较了品种(系)之间的多态性,多态性较 高的品种(系)见表3。 表3 小麦不同生态类型中与雌性不育系多态性相对较高 的品种(系) Table 3 The high diversity varieties of different ecotype com- pared with female sterile line in wheat 在15个春性品种(系)中有4个品种(系)的多 态性较高,14个标记中有12个标记呈现多态性(占 85.7 )。在36个冬性品种(系)中有6个品种(系) 的多态性较高,其中4个品种(系)有13个标记呈现 多态性(占92.9 ),2个品种(系)有12个标记呈现 多态性(占85.7 )。而在8个强冬性品种(系)中 只有2个品种(系)的多态性较高,12个标记呈现多 态性,多态性标记达85.7 。 2007年组合(藁城8901×XND126)定位的结 果表明,连锁的9个标记使得主效基因tafl的置信 区间降到了2.4 cM,遗传效应占表型效应的 44.9 _1 。本次实验选出的12个生态型的品种 (系),与雌性不育系有更大的遗传差异。显然,利用 这些品种(系)与XND126构建的群体将有助于构 nn 新疆农业大学学报 2009年 建更高密度的遗传图谱,从而对主效基因位点tall 最近,而与标记Xcfd53最远[1。。。本实验利用包括 的位点和效应做更准确深入研究。 雌性不育系和59个品种(系)组成的自然群体共 6O份材料,在分子标记的分析结果中发现,标记 3讨论 Xbarc95与雌性育性位点tafl之间连锁不平衡程度 基因的精细定位与诸多关键因素有关,选择在 较大,而标记Xcfd53与位点之间LD程度较小,这 目标区段多态性的亲本是关键。QTL发现能力和 种标记的多态性分布规律在较大的自然群体(包括 图谱的分辨率则是QTL分析的两个关键因子 。 雌性不育系的261个品种(系))中同样存在,这种标 Nadeau等_2 报道了QTL估计的精确度与图谱分 记与雌性育性主效基因位点连锁不平衡程度的大小 辨率直接相关,试验杂交的设计可能影响精确度。 在一定程度上说明了在品种(系)演化过程中标记位 Paterson等_2 认为增加标记数,缩短目标区段内标 点和基因位点间可能的紧密连锁关系,尽管雌性不 记的间距是基因精确定位的基础。阮成江等_2。 提 育突变等位基因位点在群体中以较低频率出现,但 出选择数量性状差异大的亲本,着眼于重要染色体 其较高的外现率同样哥被检测到。突变和重组是形 区间的检测,可能提高QTL定位精确性的途径。 成LD的重要因素,生物因素和历史因素则影响LD 本研究通过比较品种(系)与XND126之间多态性, 的程度和分布。例如物种的异交率,即交配体系、染 59个正常品种(系)中有12个品种(系)的多态性较 色体位置、群体大小、基因或染色体片段所受的选择 高。杂交亲本间QTL主效位点tafl区段多态性越 强度、遗传漂变等均能影响LD程度_2 。尽管群体 高,多态性标记越多,遗传图谱就越密。通过2005 结构影响结果真实性,同一标记在不同群体中的 年实验群体(藁城8901 X XND126)F 构建的2DS LD值有差异,但由于本实验基因位点信息来自于 遗传图谱只有5个多态性标记,而经过筛选的多态 实验群体,可以认为不存在假阳性,只是说明群体大 性高的品种(系)一般都有12~13个多态性参考标 小和结构需要调整而已,故认为tafl存在于染色体 记,这将大大提高图谱的分辨率,进而提高tall位 2DS是真实的。同时发现,最近的标记在两群体中 点定位的精确度,这一结论在2007年实验群体(藁 的LD值都不接近1,因此为了能精确定位QTL主 城8901XXND126)F2中得到了验证。选择不同生 效位点tafl,有必要寻找具有更大LD值标记。LD 态型的12个多态性较高的品种(系)做杂交亲本,构 是关联分析的基础和前提,选择LD程度高的群体 建定位群体,将可能会更有利于位点tafl的精细定 如具有瓶颈效应的群体有利于全基因组的检测,结 位,而且在不同生态型的遗传背景下,共有亲本的多 合连锁分析和关联分析的优点,则有利于特定位点 组合定位分析更有利于全面揭示数量性状的遗传基 的发现和精细定位研究口引。因此结合杂交分离群 础 。 体初步定位的结果,同时用品种(系)组成的自然群 自然群体中的关联分析,是发掘可能的目标基 体进行基因定位是一种有益的尝试_2 ,而且这种定 因及其等位变异的有效手段。利用冬性组合藁城 位对于优良亲本的选配及后代的标记辅助选择具有 8901×XND126衍生的实验群体对小麦雌性育性 更实际的意义。 QTL定位结果显示主效位点tafl与标记Xbarc95 参考文献: [1]Budar F,Touzet P,De Paepe R.The nucleo—mitochondrial conflict in cytoplasmic male sterilities revisited[J].Genetics, 2003,1l7(1):3-16. 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