不同菊花品种数量性状与SRAP分子标记的关联性分析,园艺学论文

不同菊花品种数量性状与SRAP分子标记的关联性分析,园艺学论文【研究意义】菊花〔ChrysanthemummorifoliumRamat.〕是中国传统名花，深受人们的喜欢。在世界范围内，菊花是市场上主要的鲜切花之一，也是重要的盆花、地被花卉。菊花起源于中国，是菊属部分野生种天然杂交再经人工选育构成的，其主要亲本为毛华菊〔C.vestitumHemsl.〕、野菊〔C.indicumL.〕与紫花野菊〔C.zawadskiiHerb.〕等，经过长期天然杂交、人工选择和培育，产生了大量的种下变异，具有丰富的遗传多样性。菊花的表型性状大部分是数量性状，变异极其丰富，因其极易受环境因素的影响，多年来对菊花复杂性状的研究始终极为困难。对菊花重要表型性状的基因型进行解析，寻找与目的性状相关的分子标记，将为复杂数量性状的遗传学研究、品种鉴定及品种保卫和分子标记辅助育种奠定重要基础。【前人研究进展】分子标记技术已成功应用于菊花的起源研究、品种鉴定和遗传多样性分析等领域。随着分子标记技术的发展，利用全基因组的分子标记和适宜的分离群体寻找连锁标记、开展遗传连锁作图是当前植物数量性状研究的主要方式方法之一。菊花长期进行无性繁衍，基因组高度杂合，且存在近交衰退现象，所以，菊花的遗传图谱构建一直是个难题，在这里方面的研究工作刚刚起步。赵婧媛等利用地被菊和盆栽小菊的杂交F1代群体，通过集团分离分析〔bulkedsegregantanalysis，BSA〕法寻找到与菊花匍匐性显着相关的RAPD标记。Zhang等根据双-假测交作图策略，利用两个高度杂合的菊花品种作为亲本，将其杂交F1代作为作图群体，使用RAPD、ISSR、AFLP和SRAP等分子标记成功构建了双亲的遗传连锁图谱，并挑选出与菊花初花期和开花持续期相关的SRAP标记，还对花径、舌状花数等花器性状进行了数量性状位点〔quantitativetraitloci，QTL〕定位。尽管部分连锁图已经在菊花中建立起来，但是标记密度较低、连锁群不完好，制约了其应用潜力。【本研究切入点】关联分析，又称关联作图或连锁不平衡作图，曾广泛用于人类遗传学研究，是一种研究复杂数量性状的遗传学方式方法。它是以自然群体为研究对象，以长期重组后保存下来的等位基因〔位点〕间连锁不平衡〔linkagedisequilibrium，LD〕为基础，将目的表型性状的多样性与基因〔位点〕的多态性结合起来分析，可直接鉴定出与表型变异密切相关且具有特定功能的基因位点或标记位点。与传统的连锁作图相比，关联分析有下面优点：以自然群体为材料，无需构建作图群体；能够同时检测同一座位的多个等位基因，而连锁作图只能牵涉来自亲本的2个等位基因；广泛的遗传材料可同时考察多个性状的大多数QTL的关联位点及其等位变异，不受连锁作图中两亲本范围及群体分离情况的限制。鉴于利用连锁作图开展菊花园艺性状QTL定位的难度大、周期长，因而能够考虑利用关联分析的特点，充分发挥中国菊花种质资源丰富多样的优势，以自然群体为基础开展关联分析，鉴定与重要表型性状关联的分子标记，进而为菊花分子辅助育种服务。【拟解决的关键问题】本研究在分析群体构造的基础上，用关联分析对58个大菊品种的18个数量性状与SRAP分子标记进行关联，希望鉴定出与上述性状相关联的标记位点，为菊花育种工作的深切进入开展和品种鉴定提供一些有价值的参考资料。1材料与方式方法1.1供试材料本研究所有材料均来自北京林业大学菊花资源圃。在20082018连续3年对菊花资源圃内800余个大菊品种表型性状进行观测分析的基础上，以尽可能覆盖大菊品种出现的所有性状变异为原则，在资源圃中选择具有代表性的58个大菊品种〔涵盖5个瓣型，30个花型；包括50个中国品种和8个日本品种〕，为无直接亲缘关系的自然群体〔表1〕。所有品种于5月在日光温室中扦插繁衍，67月定植于直径30cm瓦盆中，根据独本菊的栽培技法常规田间管理。1.2方式方法1.2.1表型性状的测定与分析本研究中测定18个数量性状，包括：花部性状11个〔花径大小、花瓣长度、花瓣宽度、花梗长度、花高、花梗粗度、舌状小花数、筒状小花数、筒状花长度、筒状花部直径、花托大小〕；叶部性状4个〔叶柄长度、叶片长度、叶片宽度、叶厚〕；茎部性状2个〔节间长度、茎粗〕；整体性状1个〔植株高度〕。性状的测定方式方法参照雒新艳等的描绘叙述。每个品种测量10个单株，取平均值。计算各性状在品种内和品种间的变异系数，计算公式为：CV=S/X，S={[EX2-(EX)2/N]/N-1}1/2华而不实，CV为变异系数，S为标准差，X为样本均值。1.2.2DNA提取田间取植株嫩叶，用改进CTAB法提取基因组DNA。用1%琼脂糖凝胶电泳和紫外分光光度计测定DNA质量和浓度，并将浓度稀释至50ngL-1，样品在-20℃下保存备用。1.2.3SRAP分析选用正向引物13条，反向引物10条，共130对SRAP引物用于引物挑选。SRAP分析参照张飞等的方式方法，经过体系优化及引物挑选后，对供试品种进行扩增。将具有一样迁移率的扩增片段，根据二进制方式方法进行记录，即有带的记为1，无带的记为0，仅记录清楚明晰、稳定的扩增条带，最终构成0/1矩阵输入计算机。遗传多样性分析采用多态性信息量〔PolymorphismInformationContent，PIC〕指标。根据Anderson等的计算方式方法，标记i的PIC值计算公式为：【1】华而不实，pij表示标记i第j种带型出现的频率，标记i的带型数从1到n。PIC值的范围为01，0表示无多态性，1表示具有非常高的多态性。1.2.4数据统计与分析群体结构分析用STRUCTURE软件对菊花品种群体构造进行基于数学模型的类群划分。先设定群体数目〔K〕为29，将MCMC〔MarkovchainMonteCarlo〕开场时的不作数迭代〔Lengthofburn-inperiod〕设为10000次，再将不作迭代后的MCMC设为100000次，然后计算出每个K值对应的lnP〔D〕值，根据似然值最大的原则，选择适宜的K值，并计算得到每个品种相应的Q值〔第i品种其基因组变异源于第k群体的概率〕。关联分析应用TASSEL软件GLM〔GeneralLinearModel，一般线性模型〕程序，将各个菊花品种的Q值作为协变量，将18个数量性状的表型性状数据分别对SRAP标记变异逐一进行回归分析，确认表型性状关联位点并计算位点对表型变异的解释率。GLM回归方程是:【2】华而不实，Aj是第j个材料数量性状测定值，是群体各位点各等位变异的平均效应，Cpj是第j材料第P等位变异出现的指示变量，B1jBkj是第j个材料基因组变异源于第lk群体的概率Q值，1k是亚群体各位点各等位变异的平均效应，ε是残差。2结果2.1数量性状的变异分析本研究中应用变异系数来表示观测的数量性状在品种内和品种间的离散性程度。品种内变异系数反映了性状在同一品种内的稳定程度，品种间变异系数反映了性状在不同品种间的离散情况。由各性状变异系数计算结果〔表2〕可知，18个数量性状在品种内稳定性较好，花梗长度品种内变异系数最高，为0.22，其余均未超过0.2，均值为0.13；花部性状的品种间变异系数较大，而叶部、茎部等性状在品种间的差异不如花部性状明显。因而，在关联分析中可能更容易在不同基因型间找到与花部性状关联的标记。2.2SRAP分析在130对SRAP引物组合中挑选出19对条带清楚明晰稳定的引物组合对所选择的58个大菊品种进行扩增，共产生扩增片段283条，华而不实多态性片段为225条，多态性位点占80%。每对引物组合检测等位基因数为723个，平均为11.84个〔表3〕。多态性信息量PIC值在0.760.94，平均为0.87，为高度多态性座位，讲明选择的大菊品种群体的遗传差异非常大，具有丰富的遗传多样性，这有利于在关联分析中发现与表型性状关联的位点。图1是引物Me1/Em6在供试品种中扩增产物的6%聚丙烯酰胺凝胶电泳图。2.3供试品种的群体构造分析利用SRAP标记，基于数学模型的群体构造分析表示清楚，样本的等位变异频率特征类型数K=5〔即服从Hardy-Weinberg平衡的亚群数目为5〕时，其模型的后验概率[lnP(D)]最大〔图2〕。由此判定58个大菊品种群体可被分为5个亚群。根据上述揣测的K值绘制供试品种群体构造图〔图3〕。从群体构造图能够看出，58个大菊品种中存在5个亚群。分析各亚群的生物学意义，发现菊花品种划分与瓣型和地域相关，可基本被辨别为平瓣类、管瓣类、畸瓣类、桂瓣类和日本品种亚群。各亚群存在明显的差异，具有一定独立性，这讲明供试群体存在着明显的群体构造。日本品种亚群独立性最强，而桂瓣类亚群与平瓣类、管瓣类、日本品种亚群基因间浸透性最高；管瓣类亚群与平瓣类亚群有一定浸透性。为避免群体构造的存在通过影响位点LD进而影响关联分析的准确性，本研究将各品种Q值〔各品种个体归入各亚群的概率〕作为协变量纳入SRAP标记与表型性状变异的回归分析中。2.4SRAP标记与表型性状的回归关联分析将58个大菊品种各品种相应的Q值作为协变量，将18个数量性状的表型变异对SRAP标记变异进行回归分析，寻找与性状相关联的标记及其等位变异。结果显示，在所检测的225个SRAP标记位点中，共有6个SRAP标记位点与5个数量性状〔茎粗度、叶厚度、花梗粗度、花瓣宽度和筒状小花数量〕在P＜0.01水平上相关。与花部性状〔花梗粗度、花瓣宽度和筒状小花数量〕相关位点共5个，与茎部〔茎粗度〕、叶部性状〔叶厚度〕相关位点各1个，华而不实位点Me1/Em9-10同时与茎粗度、花梗粗度相关。各位点对表型变异的解释率在0.07380.4791，解释率最大〔0.4791〕的SRAP位点是Me3/Em7-10，与叶厚度相关，而解释率最小〔0.0738〕的位点是Me1/Em9-10，与茎粗度相关〔表4〕。【表4】3讨论3.1基于数学模型的菊花群体构造分析利用SRAP标记，使用STRUCTURE软件对供试菊花种质进行的基于数学模型的类群划分，与笔者基于遗传距离的SRAP标记UPGMA聚类结果〔未列出〕基本一致。发现中国大菊品种可分为平瓣类、管瓣类、畸瓣类和桂瓣类4个亚群构造，各亚群构造存在广泛的基因沟通，匙瓣类品种并未单独构成亚群，而是分散在平瓣类和管瓣类亚群内，讲明匙瓣类品种在演化关系中是处于平瓣类和管瓣类之间的过渡状态，这与张树林提出的不把匙瓣作为单独瓣型的观点相一致。尽管所选日本品种多为平瓣类和管瓣类，但并未与中国大菊的平瓣类与管瓣类聚为一群，而是单独聚为1个亚群，讲明可能由于地理隔离的因素，其种质来源与演化经过与中国品种相比有一定的差异；但其与各亚群也都存在基因沟通，表示清楚日本品种和中国品种在菊花的栽培育种史上存在广泛的种质浸透现象。本研究利用SRAP基于数学模型的菊花群体构造分析与前人利用形态学数据或其它分子标记基于遗传距离的聚类方式方法得到的结果基本一致，证明其可有效对菊花群体构造进行判定和划分。相比基于遗传距离的聚类方式方法，利用数学模型来分析群体构造可排除亚群划分的人为因素，更精到准确地确定亚群数目，并且可更清楚明晰地观察各亚群间的基因沟通情况。3.2与表型性状关联的分子标记位点在植物中初次进行全基因组关联分析的是Hansen等对野生甜菜生长习性的研究，发现17个引物组合扩增的440个全基因组范围内的AFLP标记中，有2个与控制抽薹前能否需要春化的B基因显着关联。Kraakman等对236个AFLP标记和春大麦品种的产量及产量稳定性进行了关联分析，分别发现8个和5个AFLP标记与产量和产量稳定性相关联。何静等应用SRAP和EST-SSR分子标记对木薯品种农艺性状进行关联分析，在1471个SRAP标记位点检测到73个位点与21个农艺性状相关联，华而不实46个SRAP标记位点同时与多个性状相关联；在993个EST-SSR标记位点中有20个位点与20个性状变异相关。本研究在225个SRAP标记位点检测到6个位点与大菊品种5个数量性状相关〔P＜0.01〕，与数量性状相关联的SRAP位点较少，可能是由于SRAP标记数量较少造成。严格意义上讲，全基因组关联分析需要成千上万的标记以及尽可能多的无亲缘关系的个体。即便是基因组很小的拟南芥，也需要检测2000个分子标记。本研究在18个数量性状中只找到5个有标记与之关联的性状，除了标记数量较少外，供试群体的大小也是影响因素之一。本研究选择的菊花品种群体较小，每个瓣型的代表性品种约10个，每个花型的代表性品种约2个，因而在表型性状多样性分析中可能并未完全覆盖各个性状的全部变异，SRAP标记检测到的变异位点也特别有限。因而本研究只能算粗略意义上的全基因组关联分析，在进一步的关联分析研究中还需增加标记密度，增大群体规模。本研究所找到的关联位点中，与花部性状显着相关SRAP位点共5个，而与茎部、叶部性状相关位点各1个，这可能与花部性状在品种间存在较大程度变异有关，更利于关联标记的发现。位点Me1/Em9-10同时与茎粗度、花梗粗度相关。与花梗粗度相关的位点有2个，分别是Me1/Em9-10和Me3/Em5-9，与花瓣宽度相关的位点有2个，分别是Me1/Em6-8和Me5/Em8-5。在中国大菊中，最为困扰育种者的难题之一就是由于花梗纤细造成花头易折，需要绑扎，消耗损费人力物力。本研究发现与花梗粗度相关联的位点2个，这为大菊育种中培育粗壮品种提供了根据。当前应用于植物关联分析的分子标记主要是SSR和SNP标记，本研究应用的是SRAP分子标记。SRAP标记位点的多态性比SSR或EST-SSR高，并结合了RAPD和AFLP的优点，引物的多态性可能由于包含了内含子、启动子和间隔序列在品种间的变异而产生，具有简便、稳定、高通量等特点。但是SRAP应用于关联分析也存在缺点：SRAP标记是显性标记，不能区分纯合显性和杂合显性；不能直接获得位点大小信息，需要根据marker片段估测，增大了位点统计误差。因而在以后的菊花关联分析中增加SSR〔或EST-SSR〕、SNP等共显性分子标记是研究的趋势，而菊花中尚未开发出这两类标记。鉴于当前菊花基因组的研究水平，利用各种方式方法开发出菊花的SSR标记是当前迫切并且可行的研究任务。3.3菊花的关联分析与连锁作图家系连锁作图〔Family-basedmapping，FBLmapping〕与关联分析是解析植物重要数量性状基因型的主要方式方法。本研究利用关联分析的方式方法通过回归分析检测菊花品种表型变异和SRAP位点等位变异的关联性。在缺乏高密度菊花分子遗传连锁图谱的情况下，利用自然群体开展QTL分析，无疑是一种较简便且有效的方式方法。研究表示清楚，利用关联分析检测到的分子标记位点，大多与定位于遗传连锁图上的QTL位点相一致