整合分析甘蓝型油菜中控制种子含油量变异的数量性状位点

摘要

甘蓝型油菜(Brassica napus L.)是世界范围内四大油料作物之一,其菜籽产油除了满足日常食用所需,也可以被加工成工业用油；随着不可再生的原油资源日益告急,提高植物油的产量和品质对国计民生有着重大的战略意义。在过去的数十年间,甘蓝型油菜的菜籽单产量得到了翻番,菜籽油的脂肪酸含量比例可以实现满足不同用途的优化,但是菜籽的含油量提升幅度较小。由于种子含油量是一个典型的数量性状,因此通过数量性状位点遗传定位(QTL mapping)的方法来发掘其调控位点、研究其变异的机理、并应用于育种改良,是切实可行的策略。之前已有许多关于甘蓝型油菜种子含油量QTL的定位研究,但是其中存在一些问题,以致这些研究结果对育种改良实践的促进效果并不明显,如,单项研究中定位得到的QTL,数目非常有限、不超过20个,单个QTL对表型变异的贡献率大多不超过10％,且很多QTL只在特定遗传群体或试验条件下才被检测得到。对种子含油量这一复杂性状的育种改良,需要有更多可操作的遗传位点、获得这些位点上相对高效的等位基因,而且还需要了解这些位点上特异基因型发挥功能的适宜条件,由此才有可能使育种实践的结果与预期相符。
　　 本研究考察了一个甘蓝型油菜双单倍体(DH)遗传群体--TN DH群体,以及由它衍生的重构F2(Reconstructed-F2)群体—TN RC-F2群体,在连续5年、设置于中国不同地域的、共计15个独立试验中的种子含油量变异。其中,该遗传群体的两亲本材料Tapidor和宁油7号均为中等含油量品系,在多个试验中的种子含油量均值分别为43.0±1.7％和41.74±2.1％,遗传群体内的变异为典型的连续分布,且呈现超亲分离,变异范围可达到从33％到51％,平均变幅为11％。
　　 另外,通过对TN DH群体各个株系的主花序自下而上进行分节段收获角果(分为5段),我们发现不同株系在沿节段发育过程中种子含油量的变异形式有所不同,相邻节段间种子含油量或表现上升或表现下降。在一定的植株极性条件下,这种不同形式的变异有可能与不同节段上角果发育期间的环境条件有关。通过对相邻节段过渡上变异形式不同的株系分组,进行基因型与变异类型的独立性测验,得到基因组上103个标记位点与不同的变异类型相关。
　　 将各个节段上的收获也作为独立试验,我们对上述共计20个独立试验分别进行了QTL,定位和上位性互作对位点的检测,共得到195个、大部分存在重叠的原始QTL区间,以及92个涉及互作的标记位点。其中,105个原始QTL的显著性概率为p≤0.05,被定义为显著QTL,另90个为p≤0.5,被定义为微效QTL。涉及互作的标记位点在不同的试验间鲜有重叠,其中大部分包含在原始QTL区间以内,只有36个互作位点独立在原始QTL区间之外。而上述与节段上种子含油量变异类型相关的遗传位点中,也有一半包含在这些原始QTL区间内。
　　 根据“元分析(meta-analysis)”的方法,我们将重叠的原始QTL进行了区间的整合与精炼。由此,195个原始QTL区间被归纳为59个独立的、不相重叠的“元QTL(meta-QTL)”,和28个微效、独立的原始QTL；根据这些元QTL所包含的原始QTL的显著性概率,可将它们划分为50个显著元QTL(即包含的原始QTL至少有一个为显著QTL),和9个微效真实元QTL(即包含多个重叠的微效QTL)。由于每个独立QTL包含的若干原始QTL都对应若干特定的试验,而我们记录了各个独立试验中种子油份积累关键时期的光照、温度条件,因此,可以分析这些独立QTL的环境特异性。结果发现,有28个元QTL表现出一定的环境特异性,且其中一些只在特定试验中被检测得到的独立QTL的确是对应环境条件相对极端的试验。所以我们提出,不应该忽视那些环境特异性的QTL。
　　 借助遗传图谱间的共同分子标记,我们实现了将之前报道过的其它几个具有代表性的甘蓝型油菜遗传群体中种子含油量QTL的定位结果部分映射到了TN遗传图谱上。通过比较分析发现,多环境试验有助于提高TN遗传群体中的QTL检出率,使其一个群体中所得的QTL可以覆盖其它三个群体所得QTL的80％；另一方面,其它群体定位的QTL也验证了TN群体中30％的QTL,其中包括25％的微效QTL,另外还有近20％独立于QTL区间之外的互作位点。
　　 除了不同遗传群体间的QTL比较,我们还将由育种品系中关联分析所得的含油量变异关联位点对应到TN遗传图谱上,与定位的QTL进行了比较。关联位点验证了TN群体中约25％的QTL,其中一半为微效QTL,另外也还有近20％独立于QTL区间之外的互作位点被关联分析验证。同时,QTL效应大小也在比较分析中表现出与遗传背景或环境条件有关的明显的相对性特点。
　　 本研究中所揭示的大量QTL将为育种改良提供丰富的目标位点,而所反映出来的QTL效应大小的相对性以及遗传背景或环境条件的特异性,将对特定的遗传改良设计中对于相关遗传位点上等位基因的选择与组合提供重要的参考。