中國大麥低溫春化和光周期基因單倍型及表型關(guān)聯(lián)分析.pdf

1、種質(zhì)資源是大麥育種的物質(zhì)基礎(chǔ)，其中蘊藏著各種目標(biāo)性狀基因的豐富等位變異?；谧匀蝗后w的候選基因關(guān)聯(lián)分析在挖掘育種重要目標(biāo)性狀功能基因及其優(yōu)異等位變異方面具有獨特的優(yōu)勢。不僅為育種提供具有目標(biāo)性狀優(yōu)異等位基因的親本材料，而且可以根據(jù)鑒定發(fā)現(xiàn)的優(yōu)異等位變異，為開展分子標(biāo)記輔助選擇開發(fā)功能標(biāo)記，從而提高大麥的育種效率、加快育種速度。
　　抽穗期是決定大麥品種地區(qū)與季節(jié)適應(yīng)性的重要農(nóng)藝性狀，在合適的時間抽穗開花不僅為完成其正常生命周期所必

2、需，而且也是實現(xiàn)大麥高產(chǎn)的基本前提。HvVRN1和HvVRN2是春化通路中決定大麥生長習(xí)性的主要基因，HvVRN3、PPD-H1和PPD-H2是光周期通路中控制大麥抽穗期的重要基因。本文以中國大麥核心種質(zhì)為實驗材料，對這5個重要基因進行了重測序、基因型分子標(biāo)記鑒定和單倍型分析；同時，采用SNP芯片技術(shù)，結(jié)合不同播期處理和多點表型鑒定，開展了基因等位變異和全基因組表型關(guān)聯(lián)分析。主要研究結(jié)果如下：
　　1．春化基因HvVRN1和HvV

3、RN2的顯隱性基因型鑒定結(jié)果表明，在野生大麥中沒有發(fā)現(xiàn)Hvvrn1（v1）類型，栽培品種中V1和v1的比例分別為54％和46%。春化基因HvVRN2主要以V2為主，占86%，而v2只有14%。從野生大麥到農(nóng)家品種再到育成品種中，v2的比例明顯增加，分別為3%、10%和60%。v2主要分布在高緯度的北方春大麥區(qū)，并且隨著緯度下降，v2的比例逐漸減少；在南方冬大麥地區(qū)，除了西南高原大麥區(qū)（XI）有少量分布外，幾乎全部是V2的類型。
　

4、　2．開發(fā)出了鑒定HvVRN1顯性等位基因V1單倍型的分子標(biāo)記。在1398份中國大麥中，除V1-7之外，HvVRN1的其他9種單倍型均被檢測到。其中，V1-2和V1-3是育成品種所特有，系譜分析推斷這兩個單倍型來源于國外大麥；V1-10為農(nóng)家品種所特有，由于該單倍型在世界范圍內(nèi)，僅出現(xiàn)在處于亞熱帶的中國華南冬大麥區(qū)，因此認為是起源于中國的自然變異。HvVRN1的9種單倍型在中國大麥中的出現(xiàn)頻率依次為：V1-8（35%）>V1-9（7%）

5、>V1-5（6%）>V1-4（4%）>V1-1（3%）>V1-6（3%）>V1-10（2%）>V1-2（0.6%）>V1-3（0.3%）。野生大麥中，只有2種單倍型V1-4和V1-8，農(nóng)家品種和育成品種分別包含8和9種單倍型。在地理分布上，單倍型V1-8的分布最廣，并且，在青藏高原裸大麥區(qū)，幾乎全部為V1-8；V1-1和V1-5主要分布在北方春大麥區(qū)，尤其在北緯44°N以上，只發(fā)現(xiàn)V1-5類型；v1和V1-6主要分布在黃淮和長江流域的冬

6、大麥區(qū)，是中國冬性大麥品種的主要基因型；V1-9集中分布在西南高原冬大麥區(qū)，V1-10只分布在緯度<25°N的華南冬大麥區(qū)。本研究共發(fā)現(xiàn)HvVRN1和 HvVRN2（V1/V2）等位基因變異組合的18種單倍型，地理分布與HvVRN1的一致，其中，單倍型V1-1/v2和V1-5/v2幾乎全部分布在高緯度春大麥區(qū)。
　　3．通過對703份大麥在北京秋播、春播和夏播，進行冬春性鑒定與HvVRN1等位變異的相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)大麥的冬春生長習(xí)

7、性首先是由HvVRN1決定，而且第一內(nèi)含子的核心區(qū)段“0.44 kb”直接與冬春性相關(guān)，該核心區(qū)段缺失的單倍型V1-1、V1-2、V1-3、V1-5和V1-10均表現(xiàn)為強春性，并且不受HvVRN2和其他位點的影響。第一內(nèi)含子存在該核心區(qū)段的單倍型v1、V1-4、V1-6、V1-8和V1-9中，春性、半冬性和冬性都有發(fā)現(xiàn)，且同時受到HvVRN2和其他位點的影響；但這些單倍型HvVRN1第一內(nèi)含子其他區(qū)段發(fā)生缺失片段的大小與冬春性有一定關(guān)系

8、，缺失片段越大春性比例越高。
　　4．采用包含覆蓋大麥全基因組的7000個SNP位點的9k芯片，進行冬春生長習(xí)性的全基因組關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，不管參試材料分為冬性和春性（抽穗和不抽穗）或者分為冬性、半冬性和春性，HvVRN1（5H）和HvVRN2（4H）均顯示為與冬春性相關(guān)的最主要位點。另外，位于2H染色體的HvCEN基因?qū)ιL習(xí)性也有一定的影響，但7H染色體上的HvVRN3卻對生長習(xí)性沒有作用。除前人報道的這些位點以外，還發(fā)現(xiàn)1H、2

9、H和6H染色體上也存在與生長習(xí)性顯著相關(guān)的位點。
　　5．為消除春化基因的干擾，采用包含7000個SNP位點的9k芯片，對281份春化不敏感的春性大麥品種，進行了抽穗期全基因組關(guān)聯(lián)分析。發(fā)現(xiàn)大麥光周期基因PPD-H1（2H）在哈爾濱、北京和青海等多地春播的較長日照條件下，對抽穗期具有顯著作用，并且在哈爾濱春播環(huán)境下，PPD-H1對抽穗期的影響最大，但是在北京和駐馬店兩地秋播的較短日照下，對抽穗期沒有作用。光周期基因PPD-H2（1

10、H）在駐馬店秋播和青海春播環(huán)境下，對抽穗期具有一定的作用，但在北京夏播和春播以及哈爾濱春播環(huán)境下，對大麥抽穗期似乎都沒有影響。這進一步證明PPD-H1在長日照下發(fā)揮作用，而PPD-H2在短日照下發(fā)揮作用。研究還發(fā)現(xiàn)，在大麥2H染色體上與抽穗期相關(guān)的位點比其他染色體多，并且其53.47-58.78cM區(qū)段在多種環(huán)境下均極顯著影響大麥抽穗期；除哈爾濱和北京順義春播以外，在其余所有環(huán)境條件下，該區(qū)段都對大麥抽穗期的影響效應(yīng)最大。
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11、．在377份中國大麥中，共發(fā)現(xiàn)HvVRN3基因67個等位變異位點，包括61個SNP和6個插入/缺失，除4個發(fā)生在內(nèi)含子外，其余都在啟動子上。根據(jù)啟動子SNP927（T/C）和第一內(nèi)含子（TC-AG）變異類型，可以區(qū)分HvVRN3的顯性和隱性。在中國大麥中，Hvvrn3（v3）占97.1%，HvVrn3（V3）只占2.9%。HvVRN3基因的67個等位變異共形成10種單倍型。其中，H1和H9主要分布在青藏高原地區(qū)，并且H1是該區(qū)特有的單倍

12、型；H4只分布在高緯度的東北春大麥區(qū)；H2、H7和H8是中國大麥地理分布最廣的單倍型。根據(jù)多點鑒定，H4是晚熟單倍型，H8為早熟單倍型，兩者的抽穗期相差4-15天，在需要早熟品種的生態(tài)區(qū)，H8具有較大的應(yīng)用價值。在HvVRN3重要等位變異位點的組合中，T-0-4-AG類型在所有春播環(huán)境下都表現(xiàn)晚熟，與C-0-4-TC和C-4-0-TC之間的差異極顯著，相差4-12天。
　　7．在381份中國大麥中，共檢測到PPD-H1基因44個等

13、位變異位點，包括5個InDel和39個SNP，分布在啟動子、內(nèi)含子和外顯子上，其中外顯子上的12個SNP變異導(dǎo)致氨基酸突變。PPD-H1基因的這44個等位變異共形成17種單倍型。其中，H2、H4、H5、H6、H12和H15是中國大麥的主要單倍型，H2和H12為青藏高原地區(qū)的主要單倍型，H4主要分布在高緯度的東北春大麥區(qū)，H5、H6和H15為其余各生態(tài)區(qū)的主要單倍型。在中國大麥中，光周期基因PPD-H1大部分是以顯性Ppd-H1形式存在，

14、占87.9%，隱性ppd-H1只占12.1%。
　　8．PPD-H1等位變異與表型之間的線性關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，位于CCT結(jié)構(gòu)域內(nèi)的一個單核苷酸變異SNP37與抽穗期相關(guān)顯著，并且這個位點只在春播較長日照條件下影響抽穗期，在駐馬店和北京兩地秋播較短日照下對抽穗期沒有影響。在PPD-H1主要的單倍型中，除了駐馬店秋播以外，單倍型H5、H6和H15在哈爾濱、北京和青海春播，均表現(xiàn)為早抽穗，與晚抽穗的單倍型H2、H4和H12相差4-14天。在

15、長日照環(huán)境下，Ppd-H1較ppd-H1早抽穗，并且差異達到極顯著水平；但在日照較短的環(huán)境下，該基因的顯、隱性等位變異之間抽穗期沒有差異。
　　9．分子標(biāo)記鑒定發(fā)現(xiàn)，中國大麥以Ppd-H1為主，在364份攜帶顯性Ppd-H1的材料中，共檢測到13個等位變異位點，包含11個SNP和2個插入/缺失，構(gòu)成9種單倍型。關(guān)聯(lián)分析顯示，SNP10（A/G）在除秋播以外的所有環(huán)境下，與抽穗期顯著相關(guān)。根據(jù)SNP10（A/G），將PPD-H2的主