大麦籽粒蛋白质含量的QTL定位分析

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第32卷第9期2013年9月种子(Seed)Vol．32No．9Sep．2013大麦籽粒蛋白质含量的QTL定位分析1211121李解，严俊，杨荣志，王茹，薛文韬，赵钢，程剑平(1．贵州大学麦作研究中心，贵阳550025;2．成都大学生物产业学院，四川成都610106)摘要:通过栽培大麦Karl与Lewis杂交构建的重组自交系F10代60个骨干家系，种植于贵州高海拔地区，并对其F11代籽粒蛋白质含量(GPC)进行测定及其QTL分析后，发现2个单一QTL(GPC1和GPC2)，LOD值分别为3．63和2．93，贡献率分别为49%和26%，加性效应分别为+2．9%和+1．9%。在自交系群体中发现极端表现型家系，分别为高GPC的R9、R15、R32、R7及低GPC的R121、R34、R110、R136，两极端表现型家系GPC相差高达10%。以上结果均为大麦GPC基因研究及品种改良提供了极具价值的依据和材料。关键词:大麦;籽粒蛋白质含量(GPC);QTL分析中图分类号:S512．3文献标志码:文章编号:1001－4705(2013)09-0006-04QTLAnalysisofGrainProteinContentinBarley1211LIJie，YANJun，YANGRong-zhi，WANGRu，121XUEWen-tao，ZHAOGang，CHENGJian-ping(1．InstituteofTriticeaeCrops，GuizhouUniversity，GuiyangGuizhou550025，China;2．FacultyofBiotechnologyIndustry，ChengduUniversity，ChengduSichuan610106，China)Abstract:Abarleypopulationincluding60F10recombinantinbredlines(RILs)derivedfromacrossbetweencultivarKarlandLewiswasgrownathighaltitudeareaofGuizhouProvince．Thegrainproteinconcentrations(GPC)ofRILsprogenyweremeasuredandQTLanalysiswasperformed．TwosingleQTLsweredetected(GPC1andGPC2)withLOD(logoftheodds)scores3．63and2．93，explaining49%and26%ofthevariancesandadditiveeffect2．9%and1．9%，respectively．ExtremephenotypiclinesforGPCwerealsofoundincludingtheextremehighGPClinesR9，R15，R32，R7andextremelowGPClinesR121，R34，R110，R136．TheGPCvariationoftwogroupsreaches10%．AllmeaningfulresultsabovecouldpromotetheprocessofGPCgeneresearchandbreedingimprovementinbarley．Keywords:barley;grainproteinconcentration(GPC);QTLanalysis籽粒蛋白质含量(grainproteinconcentration，大麦GPC的基因有利于适度GPC啤酒大麦育种的研［1］GPC)是许多农作物品质评价中的重要指标之一。究。然而，无论是大麦还是其他谷物，GPC都是由多在最常见的谷物中，例如小麦和水稻，提高籽粒中蛋白基因和多因素环境等相互作用而决定的，研究难度极质的含量一直是生物营养强化的主要研究方向之一。大。基于QTL定位技术的GPC-B1基因的成功克［3］高蛋白质含量是食用和饲用大麦营养强化所需，而对隆为谷物GPC的研究提供了极具价值的参考依据。于主要用于啤酒酿造的大麦而言，过高的蛋白质含量Karl是一种独特的具有低GPC但高麦芽糖产出［4］会增加啤酒冷藏后的浑浊从而影响其品质，低蛋白更的六棱栽培大麦，由亲本“GoodDelta”和“Everest”［5］有利于啤酒发酵中麦芽糖的产出［2］。因此，研究控制杂交培育而得。不仅如此，Karl可以在不同含氮量的环境中保持较低的GPC，因而在美国被广泛选择为收稿日期:2013－05－17基金项目:国家国际科技合作专项项目(编号:2013DFA32200);贵州省国际科技合作计划项目(编号:黔科合外G字［2012］7011号);四川省国际科技合作与交流研究计划项目(编号:2012HH0041)。作者简介:李解(1987－)，男，江苏人;硕士，研究方向:大麦种子生理及遗传;E-mail:lijiebarley@163．com。通讯作者:程剑平(1963－)，男，重庆人;教授，主要从事麦类作物分子遗传学、植物矿质营养以及农业资源利用等研究;E-mail:chengjianping@gmail．com。·6· 研究报告李解等:大麦籽粒蛋白质含量的QTL定位分析啤酒大麦育种的骨干亲本。Lewis是由栽培品种测及参数计算。最终用MapChart将检测到的QTL作“Hector”和“Klages”杂交而育成的普通春性饲料二棱图于遗传图谱上。［6］大麦，其GPC略高于Karl。基于寻找控制大麦GPC2结果与分析基因的目的，Karl和Lewis杂交的重组自交系群体2．1大麦重组自交系群体GPC的正态检验［7，8］(RILs)已经被广泛用于QTL定位分析中。因受小由Shapiro-Wilk检验可得p＞0．05，本群体60个麦6B染色体上GPC-B1基因的影响，此群体的大量家系GPC数值呈正态分布。由图1的群体GPC正态［9］GPC研究集中在大麦6H染色体上。本实验以此群分布图可知，家系的GPC范围在14%～24%之间;而体中60个骨干家系为研究对象，种植于高海拔和多降图中箭头所指的亲本含量分别为15．35%(Karl)和雨的贵州地区，对控制大麦GPC的QTL进行再次定18．32%(Lewis)，差异明显;同时由图1可知60%的群位，并发现尚未报道的新QTL。体GPC数值介于亲本之间，而40%的群体GPC出现1材料与方法超亲现象。1．1材料本实验中采用大麦Karl与Lewis杂交的重组自交系群体(RILs)F10代60个骨干家系，由以色列海法大学遗传进化所提供。1．2方法1．2．1田间实验将F10代大麦重组自交系群体60个家系及亲本于2010年种植于贵州大学农学院麦作研究中心农场，东经106°27'～106°52'，北纬26°11'～26°34'，海拔1096m，平均年降雨量为1500m，土壤为黄壤，分蘖期前为注:图中箭头所指位置为亲本Karl和Lewis籽粒蛋白质含量。人工灌溉，后期依靠自然降雨。本实验为随机区组设K=Karl，L=Lewis。图1大麦重组自交系群体及亲本GPC正态分布计，每小区重复6次，区内每单个家系重复种植5株并种植于同一行内，间距为20cm;不同家系并排种植于不同行内，行距为50cm。所有大麦于2011年6月成熟，各个小区内同一行的大麦植株收获于同一纸袋内并代表同一种子库源(seedbulk)。待脱粒后，40℃烘干7d，待测。1．2．2籽粒蛋白质含量分析本实验中蛋白质含量分析采用近红外光谱分析技术，使用瑞典Perten近红外谷物分析仪9100对样品籽粒蛋白质含量进行测定。其中同一库源的种子重复测定4次取平均值，并仅代表此库源的籽粒蛋白质含量。注:图中X轴编号为RILs，Karl和Lewis为亲本。自交系群体每个家系的籽粒蛋白质含量由6个小区的图中柱形表示平均值±标准误差。不同库源的平均值作为最终结果。图2大麦重组自交系群体中极端GPC家系的比较1．2．3统计及QTL定位分析而在超亲群体中，少数家系表现出极端GPC表首先运用MicrosoftExcel2010对大麦各家系及亲型。如图2中所示，家系R9、R15、R32和R7的GPC本的籽粒蛋白质含量进行平均值、标准差及变异系数均在20%左右，其中R9的GPC达到24%的超高蛋白的计算。再用JMP6．0对自交系群体蛋白质数据进行质含量。而家系R121、R34、R110及R136的均低于正态分布Shapiro-Wilk检验。符合正态分布的数据将母本Karl，数值均在14%左右。两极端家系的GPC差进行QTL定位分析，分析软件采用以色列海法大学进异高达10%。此极端GPC表现型的家系可用于近等化研究所A．Korol教授开发的MultiQTL2．6，并对大麦位基因群体(NILs)的构建。7条染色体上所可能存在的单一和连锁的QTL进行检·7· 第32卷第9期2013年9月种子(Seed)Vol．32No．9Sep．2013注:图中标注为所检测到QTLs的解释度及加性效应图3大麦GPC性状QTL在2号及6号染色体上的似然图注:不同分子标记之间的数值表示其在染色体上的遗传距离(cM)。图4大麦GPC性状QTLs在2号及6号染色体上的位置·8· 研究报告李解等:大麦籽粒蛋白质含量的QTL定位分析2．2大麦GPC的QTL因此将继续进行多环境QTL定位分析，以便得到更为通过计算大麦各染色体上LOD值，发现其2H及准确的GPCQTL用于栽培大麦的改良利用。6H染色体上均有一个LOD峰值，LOD值分别为3．63和2．93(图3)。通过对其是否存在单个QTL的假设参考文献:检验后(Permutation)，p值均小于0．05，达到显著性，［1］DistelfeldA．，KorolA．，DubcovskyJ．，etal．Colinearity因此判定为控制大麦GPC的QTL(GPC1和GPC2)。betweenthebarleygrainproteincontent(GPC)QTLonchro-通过辅助程序(Bootstrap)计算可知，位于2H上的mosomearm6HSandthewheatGpc-B1region［J］．Molecu-GPC1解释度高达49%，加性效应为+2．9%(图3);larBreeding，2008，22(1):25－38．而位于6H染色体上的GPC2解释度为26%，加性效［2］FoxG．P．，PanozzoJ．F．，LiC．D．，etal．Molecularbasisof应为+1．9%(图3)。由以上QTL参数可知，GPC1和barleyquality［J］．AustralianJournalofAgriculturalResearch，GPC2均为提高GPC含量的QTL，并且GPC1可提高2003，54(12)1081－1101．近3%的大麦籽粒蛋白质含量，因而为主效QTL。［3］UauyC．，DistelfeldA．，FahimaT．，etal．ANACgeneregula-通过多重区间作图法(Multipleintervalmapping)tingsenescenceimprovesgrainProtein，zinc，andironcontentin对以上GPC1和GPC2进行染色图位置计算，可得wheat［J］．Science，2006，314:1298－1301．GPC1位于2H染色体(154．441±32．830)cM之间，［4］WesenbergD．M．，HayesR．M．，StandridgeN．N．，etal．Regis-而GPC2位于6H染色体(127．086±29．082)cM之trationofKarlbarley［J］．CropSci．，1976，16:737．间。通过MapChart将以上2个QTL作图于染色体图［5］BurgerW．C．，WesenbergD．M．，CardenJ．E．，etal．Protein谱上，如图4所示，GPC1最接近的分子标记为AFLPcontentandcompositionofKarlandrelatedbarleys［J］．Crop标记actc213，而GPC2在染色体上最接近的分子标记Sci．，1979，19:235－238．［10］为SSR标记HVM34(引物序列:5'-ACCATGTT-［6］HockettE．A．，GilbertsonK．M．，McGuireC．F．，etal．ReleaseGCGTGTTGCTT，3'-CGGTTCGAAATCGAGTGG)。of＇Lewis＇barley［J］．CropSci．1985，25:570－571．3讨论［7］SeeD．，KanazinbV．，KephartK．，etal．Mappinggenescon-大麦是极其重要的饲料来源，也是重要的酿酒原trollingvariationinbarleygrainproteinconcentration［J］．Crop料。生产实践和研究表明，酿造大麦的蛋白质含量范Sci．，2002，42(3):680－685．围是9．0%～12．0%［11］，若蛋白质含量过高，会导致啤［8］MickelsonS．，SeeD．，MeyerF．D．，etal．MappingofQTLas-酒酿造过程中糖化困难，易混浊，非生物稳定性较低等sociatedwithnitrogenstorageandremobilizationinbarley问题［12］;但另一方面，作为食用和饲用的大麦则应具(HordeumvulgareL．)leaves［J］．JournalofExperimentalBot-有较高的蛋白质含量。因此，根据育种目的的不同，研any，2003，54(383):801－812．究和选育不同蛋白质含量的大麦成为重要的课题［9］ParrottD．L．，DownsE．P．，FischerA．M．Controlofbarley之一。(HordeumvulgareL．)developmentandsenescencebythein-而在大麦GPC的定位研究方面，Oziel等将大麦teractionbetweenachromosomesixgrainproteincontentlo-籽粒蛋白含量的QTL定位在染色体1H、4H、5H、6Hcus，daylength，andvernalization［J］．JournalofExperimental［13］Botany，2012，63(3):1329－1339．和7H上，See等利用142个Karl和Lewis的重组自交系群体将3个影响GPC的QTL定位在6H和2H［10］LiuZ．-W．，BiyashevR．M．，SaghaiMaroofM．A．，etal．De-［7］velopmentofsimplesequencerepeatDNAmarkersandtheir染色体上。本实验利用与See等相同的群体进行GPC定位所得的结果也在6H和2H染色体上，说明integrationintoabarleylinkagemap［J］．TheorApplGenet，群体数量降低到60个骨干家系并未影响QTL定位结1996，93:869－876．果。但本实验中所得QTL在遗传图谱上的位置与See［11］顾国贤编著．酿造酒工艺学(第二版)［M］．北京轻工业出等的结果稍有不同，这也可能是由于不同的种植环境版社，1996．所造成的。尽管在6H染色体上与本实验中QTL连［12］朱俊勤，顾国贤，李琦．大麦蛋白质含量和其制麦特性的关锁的标记是HVM34，与See所报道的主效QTL连锁系［J］．啤酒科技，2005(6):29－31．标记HVM74有所不同，但本实验结果在HVM74标［13］OzielA．，HayesP．M．，ChenF．Q．，etal．Applicationof记位置也有明显QTL峰值(图1，180cM左右)。以上quantitativetraitlocusmappingtothedevelopmentofwinter结果均表明，大麦GPC的QTL极易受到环境的影响，－habitmaltingbarley［J］．PlantBreed，1996，115:43－51．·9·