控制我國小麥旗葉性狀的遺傳位點及候選基因的功能分析.pdf

1、葉片是植物進行光合作用主要的發(fā)生器官，對植物株型的形態(tài)建成和產(chǎn)量的形成至關重要。小麥旗葉性狀與產(chǎn)量構成因子之間關系密切，葉長、葉寬、葉面積與穗粒重均呈顯著正相關，增加旗葉面積有助于提高產(chǎn)量。因此，通過明確我國小麥種質資源的旗葉性狀表現(xiàn)，尋找不同時期種質資源旗葉性狀的變化規(guī)律，定位控制旗葉大小的遺傳位點及候選基因，將為小麥旗葉性狀的遺傳改良奠定理論基礎。為此本研究開展如下三方面的研究：
　　1.我國小麥旗葉性狀的演變規(guī)律
　　

2、在2014-2015生長季，對在北京和河北趙縣種植的我國1500份不同年代小麥種質資源（包括地方品種、近代育成品種和現(xiàn)代育成品種）進行旗葉大小的測量。結果表明：我國小麥旗葉面積的變異范圍為1306-5483mm2，旗葉長為121-327mm，旗葉寬為8.6-24.0mm，其中我國地方品種旗葉平均面積、長度和寬度分別為2528mm2、240mm和13.7mm，近代育成品種為2671mm2、220mm和16.0mm，現(xiàn)代育成品種為2666m

3、m2、205mm和17.2mm，表明新近育成的小麥品種旗葉長度逐漸變短，而旗葉寬度不斷增加，有效地保證了旗葉的面積，暗示旗葉寬度在品種改良中可能有著重要作用。進一步對旗葉性狀和產(chǎn)量三要素和籽粒大小進行相關性分析發(fā)現(xiàn)，旗葉寬度和千粒重（r=0.345）、粒寬（r=0.391）以及穗粒數(shù)（r=0.456）之間存在著極顯著的正相關關系，而和單株穗數(shù)（r=-0.440）之間存在著極顯著的負相關，也說明旗葉寬度在育種家對粒重和穗粒數(shù)的改良中得到了

4、同步的選擇。此外，兩個地點的相關性分析表明環(huán)境對旗葉面積和葉長影響較大，而葉寬在不同地點之間相對穩(wěn)定。
　　2.我國小麥種質資源旗葉性狀的遺傳位點解析
　　為了解析控制我國小麥旗葉性狀的遺傳位點，獲得與旗葉大小關聯(lián)的分子標記，在花后一周對河北趙縣、衡水等不同環(huán)境下點播種植的342份黃淮及北方冬麥區(qū)主要小麥品種（系）材料進行旗葉性狀的調(diào)查，并利用小麥Wheat660K SNP芯片進行全基因組基因型的掃描。通過STRUCTURE

5、 v2.3.4軟件對群體結構進行分析，將所研究材料劃分為7個亞群（k=7）；利用TASSEL v5.2.2對383,780個標記和旗葉性狀進行關聯(lián)分析。關聯(lián)分析初步的結果表明：在不同種植環(huán)境條件下，共檢測到位于16個染色體區(qū)段（1A、1B、2A、2B、3A、3B、3D、4A、4B、5A、5D、6A、6B、7A、7B和7D）上的40個位點與旗葉性狀密切相關。標記AX-109920673（2B）、AX-108806630（3B）、AX-10

6、9688668（3D）、AX-108916381（4A）、AX-110537692（7A）、AX-109372256（7A）、AX-111235579（7A）和AX-110878687（7D）與旗葉長、旗葉面積顯著關聯(lián)；位于5A上的標記AX-95628815、AX-94909932、AX-111616054和AX-111648402能夠顯著的影響旗葉寬和旗葉面積。旗葉性狀的關聯(lián)位點在不同環(huán)境中雖有差異但仍較為穩(wěn)定，尤其是旗葉寬性狀，其關

7、聯(lián)的位點大多在4個環(huán)境中均可以檢測到，且表型變異貢獻率較高，說明小麥旗葉性狀雖然受到環(huán)境的影響，但仍然存在一些重要的控制小麥旗葉性狀形成的染色體區(qū)段，對這些區(qū)段建立有效的分子標記乃至克隆其攜帶的基因將有助于小麥旗葉性狀的定向改良，促進小麥新品種的培育。
　　3.控制小麥旗葉寬候選基因TaNAL1-5的克隆及功能分析
　　OsNAL1基因是水稻中重要的調(diào)控劍葉寬的基因，該基因的突變顯著降低了生長素的極性運輸活性，在葉片的橫向生

8、長中發(fā)揮重要作用。利用比較基因組學的方法，發(fā)現(xiàn)其小麥同源基因TaNAL1位于5A染色體上與葉寬關聯(lián)的位點附近，因此以水稻NAL1基因作為參考序列，從小麥品種中國春中克隆獲得三條分別定位于5A、5B和5D染色體的TaNAL1序列。小麥TaNAL1-5基因由5個外顯子和4個內(nèi)含子組成，其中TaNAL1-5A和TaNAL1-5B ORF全長為1803bp，編碼600個氨基酸，TaNAL1-5D ORF全長1796bp，編碼598個氨基酸，均具

9、有半胱氨酸/絲氨酸胰蛋白酶結構域。不同普通小麥品種中該基因的A、B和D三個拷貝的序列比較發(fā)現(xiàn)：TaNAL1-5A檢測到呈現(xiàn)單體型的9個SNP位點和一個19bp Indel的兩種等位變異（Hap-A1和Hap-A2），且其啟動子區(qū)域存在與編碼區(qū)一致的呈現(xiàn)單體型的6個SNP位點和一個24bp Indel，但TaNAL1-5B/5D在這些材料之間沒有檢測到序列多態(tài)性；TaNAL1-5A編碼氨基酸的第473位存在M-T、第480位存在H-P的氨

10、基酸改變，可能會引起其編碼蛋白的功能變化。根據(jù)TaNAL1-5A中19bp Indel開發(fā)了功能標記并對115份普通小麥組成的自然群體進行檢測，其中55份為Hap-A1類型，其葉寬均值為14.7mm，而60份Hap-A2類型材料的葉寬均值（18.1mm）顯著高于Hap-A1類型，且千粒重和小穗數(shù)也顯著高于Hap-A1類型，說明無19bp插入的Hap-A2是優(yōu)良等位變異類型，TaNAL1-5A在小麥旗葉形態(tài)建成過程中有著重要作用，且可能參

11、與了產(chǎn)量三要素的形成。TaNAL1-5在灌漿快增期的籽粒中表達量急速增加，說明TaNAL1-5很可能參與了籽粒干物質的形成過程，對粒重的形成具有一定的作用。
　　本研究從表型變異入手，通過調(diào)查我國不同育成年代小麥品種的旗葉性狀，明確了隨著育種年代的延伸，小麥旗葉葉長逐漸變短、葉寬增加，并伴隨著穗粒數(shù)、千粒重的同步增加，而葉面積基本保持不變；通過關聯(lián)分析明確小麥旗葉性狀受到40個遺傳位點的控制，并利用5A關聯(lián)位點附近的TaNAL1-