大豆育成品种农艺性状QTL与SSR标记的关联分析.pdf

作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2008, 34(12): 20592069 /zwxb/ ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw 基金项目: 国家重点基础研究发展规划(973规划)项目(2006CB101708); 国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2006AA100104); 国家自然 科学基金项目(30490250, 30671266); 教育部高等学校创新引智计划(B08025); 农业部公益性行业专项(200803060) 作者简介: 张军(1967), 男, 黑龙江巴彦人, 博士研究生, 研究方向为作物遗传育种。E-mail: sd_b * 通讯作者(Corresponding author): 盖钧镒(1936), Tel: E-mail: sri Received(收稿日期): 2008-04-08; Accepted(接受日期): 2008-07-13. DOI: 10.3724/SP.J.1006.2008.02059 大豆育成品种农艺性状 QTL 与 SSR 标记的关联分析 张 军 1,2 赵团结1 盖钧镒1,* (1 南京农业大学大豆研究所 / 国家大豆改良中心 / 作物遗传与种质创新国家重点实验室, 江苏南京 210095; 2 滨州职业学院, 山东 滨州 256603) 摘 要: 利用 85 个 SSR 标记, 对大豆育成品种群体(190 份代表性材料)的基因组进行扫描, 在检测群体结构基础上 搜索连锁不平衡位点, 并采用 TASSEL 软件的 GLM 方法对 11 个大豆农艺性状 QTL 进行关联分析。 结果表明: (1) 在 公共图谱上共线性或非共线性的 SSR 位点组合均广泛存在连锁不平衡(LD), 但不平衡程度 D0.5 的组合数只占总位 点组合的 1.71%, 共线位点 D值随遗传距离衰减较快; (2) SSR数据遗传结构分析表明, 育成品种群体由 7个亚群体组 成, 矫正后全群体共有 45 个位点累计 136 个位点(次)与 11 个大豆农艺性状 QTL 关联, 其中 22 个位点(次)与家系连 锁定位的 QTL 区间相重, 有 43 个位点(次) 2 年重复出现; (3) 一些标记同时与 2 个或多个性状关联, 可能是性状相关 或一因多效的遗传基础; (4) 育成品种群体关联位点与地方品种群体和野生群体只有少数相同, 群体间育种性状的遗 传结构有相当大差异; (5) 发掘出农艺性状优异等位变异及其载体品种, 包括增效最大的产量等位变异 Satt347-300 (+932 kg hm2, 中豆 26), 生物量等位变异 Satt365-294(+3 123 kg hm2, 黄毛豆), 蛋白质含量等位变异 Be475343-198 (+0.41%, 淮豆 4 号), 脂肪含量等位变异 Satt150-273 (+2.32%, 科丰 15)等。在此基础上作了设计育种的探讨。 关键词: 大豆育成品种; 农艺性状; SSR 标记; 关联分析; 优良等位变异; 设计育种 Association Analysis of Agronomic Trait QTLs with SSR Markers in Re- leased Soybean Cultivars ZHANG Jun 1,2, ZHAO Tuan-Jie 1, and GAI Jun-Yi 1,* (1 Soybean Research Institute / National Center for Soybean Improvement / National Key Laboratory for Crop Genetics and Germplasm Enhancement, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, Jiangsu; 2 Binzhou Vocational College, Binzhou 256603, Shandong, China) Abstract: The genotyping data of 85 simple-sequence repeat (SSR) markers on released cultivar population (RCP) (a representa- tive sample with 190 accessions) were obtained and analyzed for LD of pairwise loci and population structure, and then for asso- ciation between SSR loci and 11 soybean agronomic traits under TASSEL GLM (general linear model) program. The results showed that: (1) LD was detected extensively not only among syntenic markers but also among nonsyntenic ones, while the loci pairs with D0.5 accounted for only 1.71% of the total ones. The syntenic D value attenuated fastly along with the increase of genetic distance. (2) Genetic structure analysis showed that RCP was composed of seven subpopulations. The 45 SSR loci with a total of 136 loci (time) were found to be associated with 11 agronomic traits in the RCP. Among those, 22 loci (times) were con- sistent with mapped QTLs from family-based linkage mapping procedure and 43 loci (times) were consistently detected in two experiment years. (3) There also found a certain number of loci associated simultaneously with two or more traits, which might be the genetic reason of correlation among traits as well as the pleiotropic effects of gene(s). (4) There found only a few association loci in released cultivar population coincided with those in landrace and wild populations, indicating the large difference of ge- netic structure between the populations. (5) The elite alleles of the agronomic traits along with their carriers were detected, such as the allele Satt347-300 for largest positive yield effect (+932 kg ha1 for Zhongdou 26), Satt365-294 for biomass(+3 123 kg ha1 2060 作 物 学 报 第 34 卷 for Huangmaodou), Be475343-198 for protein content (+0.41% for Huaidou 4), Satt150-273 for oil content (+2.32% for Kefeng 15), and were used to illustrate their potential in breeding programs. Keywords: Released soybean cultivar; Agronomic trait; SSR marker; Association analysis; Elite allele; Breeding by design 关联定位是利用自然群体连锁不平衡原理标记 QTL 并结合遗传图谱定位 QTL 的一种方法。 关联分 析曾经被广泛应用于人类遗传学, 目前已应用于玉 米、水稻、小麦等作物1-7。2001 年 Thornsberry 等8 首次成功地将关联分析应用到植物上, 他们利用 92 个玉米自交系的开花期数据和 Dwarf8 序列多态性 数据进行关联分析获得与早期突变体研究和QTL作 图相一致的结果, 证明了 Dwarf8 不仅控制玉米株高, 而且还影响玉米开花期。Breseghello 等9选用 95 个 小麦育成品种和 62 个 SSR标记, 研究小麦籽粒大小 和制粉品质, 进一步验证家系连锁作图的 QTL。文 自翔等10从国家大豆改良中心资源库中按全国各生 态区选取代表性大豆地方品种和野生大豆组成 2 个 代表性样本, 对它们的生育期、产量、品质及耐逆 性等性状进行有重复的表型鉴定, 并利用在基因 组上均匀分布的 60 个 SSR 标记获得 2 个样本的标记 数据, 在分析连锁不平衡成对位点、群体结构基础 上, 进行性状关联分析, 进而比较栽培群体和野生 群体在这些主要育种性状上基因位点及其等位变异 的差异和特点, 并发掘出携有优良等位变异的载 体。 大豆育成品种是具有生产应用价值的资源, 经 育种家长期的杂交、选育, 积聚了多方面的优异种 质, 是现时品种改良最核心的遗传资源。鉴于经人 工改良后育成品种群体的基因组组成得到改善, 已 不同于地方品种群体和野生群体。为此本研究着重 对我国育成品种群体进行农艺性状QTL与SSR标记 的关联分析, 与资源群体的结果比较, 找出其优异 位点和相应的等位变异, 进而发掘出具有优异等位 变异的载体品种并据此讨论设计育种问题。 1 材料与方法 1.1 材料 供试材料为黄淮、南方生态区 190 份大豆品种 (包括164份育成品种(系)和26份核心祖先亲本), 涉 及安徽、北京、福建、贵州、河北、河南、湖北、 湖南、江苏、江西、山东、山西、上海、四川和浙 江 15 个省(市), 分别有 15、23、3、5、3、30、8、4、 49、2、27、3、3、11 和 4 份材料, 具有广泛的代表 性。 1.2 田间试验及性状调查与测量 2005 年 6 月 16 日和 2006 年 6 月 16 日于南京 农业大学国家大豆改良中心江浦试验站播种。2005 年为预备试验, 400 份黄淮、南方生态区大豆品种(系), 随机区组试验设计, 2 次重复, 每小区3行, 行长2 m, 行距 0.5 m。 2006 年从 2005 年种植的 400 份品种(系) 中遴选 190 份遗传变异广泛且具有代表性大豆育成 品种(系)和重要的核心祖先亲本组成样本, 采用3次 重复的 1414三重格子设计, 每小区 5 行, 行长 2 m, 行距 0.5 m。为保证小区苗匀, 每 10 cm 人工点播 3 粒种子, 出苗后 18 d 左右间苗, 每行保留 21 株。田 间管理同一般大田栽培。 每个小区中间 2.25 m2为计 产区。用网袋装好收获的植株, 待彻底风干后称取 植株生物量, 脱粒装袋。按育种试验常规方法调查 农艺性状(生育期、株高、百粒重、倒伏性等)。利用 近红外分析仪(INFRATEC 1255 Food 其中 C2、F、I 连锁群, 尤其是 C2 增 加了一些已知与大豆生育期、产量、株高等农艺性 状相关标记。SSR 反应程序参考10。 1.4 LD 的衡量 使用标准不平衡系数(D)衡量位点间 LD10,13, 11 uv ijij ij Dp qD = = , 其中 u、v 分别代表两个位点等位变异数目, pi和 pj 分别代表 A 位点第 i 等位变异及 B 位点第 j 等位变 异的频率, maxijij DDD = , Dij=xijpiqj, 其中 xij表示 配子 AiBj频率, max min,(1)(1) ;0 min(1),(1);0 ij ijij ij ijij p qpqD D pqp qD 第12期 张 军等: 大豆育成品种农艺性状 QTL 与 SSR 标记的关联分析 2061 表 1 实验检测的 85 个 SSR 位点 Table 1 List of the tested 85 SSR loci 连锁群 LG 图位 Position (cM) 位点 Locus 连锁群 LG 图位 Position (cM) 位点 Locus 连锁群 LG 图位 Position (cM) 位点 Locus 连锁群 LG 图位 Position (cM) 位点 Locus 31.07 Sat_385 101.75 Satt286 70.69 Satt436 46.95 Satt442 A1 95.16 Satt225 103.33 Sat_402 D1a 108.89 Satt147 H 81.04 Satt302 35.93 Be820148 107.59 Satt277 30.74 Be47534336.03 Sat_219 67.86 Aw132402 111.68 Satt365 75.29 Satt005 36.40 Satt496 A2 128.44 Satt209 112.19 Satt557 D1b 131.92 Sat_289 36.59 Sat_174 32.51 Satt509 112.35 Satt289 51.41 Satt443 36.94 Satt239 B1 96.36 Satt665 112.84 Satt134 84.62 Satt311 I 99.83 Sat_299 55.20 Satt168 112.85 Sat_312 D2 105.45 Satt186 5.19 Aw310961 B2 72.13 Satt020 113.39 Satt489 20.80 Satt720 J 65.04 Satt244 32.10 Sat_337 113.62 Satt658 E 39.77 Satt606 45.59 Satt046 C1 92.99 Sct_191 114.20 Sat_25111.37 Satt269 77.37 Sct_190 3.15 Satt681 115.10 Sat_14222.97 Be806387 K 99.10 Sat_293 30.47 Satt640 115.49 Satt708 26.71 Satt659 38.16 Satt284 45.76 Satt291 117.46 Sat_23871.41 Satt510 L 107.24 Satt373 51.84 Sat_336 117.87 Satt079 72.97 Sat_317 18.58 Satt150 61.98 Sat_153 118.78 Sat_26374.13 Sct_033 33.47 Satt567 69.67 Satt305 121.27 Satt307 78.06 Satt334 M 112.08 Satt210 82.23 Satt322 127.00 Sat_252 F 119.19 Satt522 34.52 Satt683 90.93 Sat_213 127.67 Satt316 0.00 Satt163 N 84.60 Satt234 91.81 Sat_246 C2 128.23 Satt433 33.26 Satt324 42.29 Satt347 94.65 Satt643 D1a 5.25 Sat_332 G 87.94 Af162283 O 100.38 Satt592 C2 98.07 Satt363 LG: linkage group. 1.5 群体结构分析 应用 Structure 2.2 软件14估测样本群体结构, 对品种群体进行基于数学模型的类群划分, 计算材 料相应的 Q 值。 从 85 个位点选用非连锁群或同一连 锁群遗传距离大于 50 cM 的 38 个位点参加分析, 将 MCMC (Markov Chain Monte Carlo)开始时的不作数 迭代(length of burn-in period)设为 10 000 次, 再将不 作数迭代后的 MCMC 设为 100 000 次, 然后依据似 然值最大原则选取合适的 K 值。 1.6 关联分析 使用 TASSEL15软件的 GLM (General Linear Model)程序, 以各个体 Q 值作为协变量进行群体矫 正, 将 11 个性状的表型数据分别对标记变异进行回 归分析。 1.7 优异位点及优异等位变异的确认 SSR 位点等位变异表型效应值 ai=xij /ni Nk/nk, 其中 xij为携带第 i 个等位变异的第 j 材料性 状表型测定值, ni为具有第 i 等位变异的材料数。Nk 为携带无效等位变异的第 k 个材料的表型测定值, nk 为具有无效等位变异的材料数。若 ai值为正, 则认 为该等位变异为增效等位变异, 反之为减效等位变 异16。 2 结果与分析 2.1 大豆品种群体 SSR 位点间的连锁不平衡及 群体结构分析 20 个连锁群上 85 个 SSR 位点的 3 570 种两两位 点组合中, 不论共线性组合, 还是非共线性组合, 都有一定程度 LD 存在。得到统计概率(P0.5 的组合数仅占总位点 组合的 1.71%。 对共线 SSR 位点 D值随遗传距离(cM) 2062 作 物 学 报 第 34 卷 增加而变化的分析得出, SSR 位点 D值衰减速率相当 快, LD 衰减(D0.5)所延伸的最小距离为 0.65 cM。 群体结构分析表明样本的等位变异频率特征类 型数 K=7 (即服从 Hardy-Weinberg 平衡的亚群数目 为 7)时其模型后验概率最大, 因此判断样本亚群数 目为 7。 分析亚群数目的生物学意义, 发现大豆品种 群 体 亚 群 划 分 与 分 省 亚 群 相 关 (2=368, 大 于 20.01,90=124) (详细数据省略)。 2.2 大豆育成品种农艺性状相关联的 SSR 标记 对产量、生物量、收获指数、荚粒数、百粒重、 全生育期、开花期、株高、倒伏性、蛋白质含量、 脂肪含量共 11 个性状 2 年数据进行方差分析, 其中 前 9 个性状品种间及品种与年份互作都极显著, 其 他 2 个性状品种间显著。由于样本群体表现由多个 亚群体组成, 将各个体的相应 Q值作为协变量, 分 别进行 11 个性状 2005 年、2006 年和 2 年平均的表 型值对标记的回归分析, 寻找与 QTL 关联的标记及 其等位变异。检测的 85 个 SSR 位点中, 发现有 45 个位点与 11 个性状关联。表 2 列出所有关联标记及 其相应 2 年 11 个性状的平均表型变异的解释率。 与 11 个大豆农艺性状关联的位点(次)累计有 136 个。纵向分析表 2 发现: (1) 与产量及其相关性状关 联的位点(次)有 78 个, 与生育期性状关联的位点(次) 有 23 个, 与形态性状关联的位点(次)有 27 个, 与品 质性状关联的位点(次)有 8 个; (2) 2 年与性状关联的 位点(次) 共有 43 个; (3) 关联分析发现在家系连锁 定位未发现的性状 QTL 位点(次)有 114 个, 多于家 系连锁定位所得的位点(次)为 22个; (4) 同一性状关 联的位点在连锁群上有集中分布的趋势。如产量、 株高等性状关联位点在 C2 连锁群有密集分布趋势, 但这可能与本研究中采用了较多 C2 连锁群上的标 记有关。 横向分析表 2 发现: (1) 同一位点与多个性状相 关联情况较多, 而这些性状多是同一类性状。如 Sat_312 位点与 4 个产量及其相关性状(产量, 生物 量, 表观收获指数, 百粒重)有关联, 有 7 个位点 (Sat_385, Sat_246, Satt277, Satt365, Satt708, Be475343, Satt659)同时与开花期和全生育期关联, 该结果表明大豆性状相关确有其内在遗传基础; (2) 同一性状在 2 年共有关联位点较多, 说明这些位点 受环境影响较小、 能够稳定遗传。 这些关联位点, 尤 其同时与家系连锁分析QTL作图能够相互验证的位 点, 可以考虑用于标记辅助选择育种。 与各性状关联的位点: (1) 与产量相关联的 20 个, 2 年共有的 3 个, 有 5 个位于家系连锁所定位 QTL 区 间内, 表型变异解释率最大的是 Sat_251(解释率为 0.14); (2) 与生物量相关联的 19 个, 2 年共有的 6 个, 表型变异解释率最大的是 Satt277(解释率为 0.18); (3) 与表观收获指数相关联的 13 个, 2 年共有的 2 个, 表 型变异解释率最大的是 Satt365(解释率为 0.25); (4) 与荚粒数相关联的 5 个, 2 年共有的 2 个, 有 1 个位 于家系连锁所定位 QTL 区间内, 表型变异解释率最 大的是 Satt239(解释率为 0.15); (5) 与百粒重相关联 的 21 个, 2 年共有的 6 个, 有 5 个位于家系连锁所定 位 QTL 区间内, 表型变异解释率最大的是 Sat_293 和 Satt659(解释率都为 0.13); (6) 与全生育期关联的 12 个, 2 年共有的 8 个, 有 5 个位于家系连锁所定位 QTL 区间内, 表型变异解释率最大的是 Satt277(解 释率为 0.29); (7) 与开花期相关联的 11 个, 2 年共有 的3个, 有2个位于家系连锁所定位QTL区间内, 表 型变异解释率最大的是 Satt277(解释率为 0.16); (8) 与株高关联的 14 个, 2 年共有的 8 个, 有 3 个位于家 系连锁所定位 QTL 区间内, 表型变异解释率最大的 是 Satt365(解释率为 0.35); (9) 与大豆植株倒伏性关 联的 13 个, 2 年共有的 4 个, 有 1 个位于家系连锁所 定位 QTL 区间内, 表型变异解释率最大的是 Satt277(解释率为 0.12); (10) 与大豆蛋白质含量关联 的 2 个, 表型变异解释率较大的是 Satt522(解释率为 0.08); (11)与大豆脂肪含量关联的 6 个, 2 年共有的 1 个, 表型变异解释率最大的是 Satt150(解释率为 0.11)。 与 11 个性状关联的 45 个位点中, 共有 34 个与 2 个或 2 个以上性状同时关联; 有 23 个与 3 个或 3 个以上性状同时关联; 有 14 个与 4 个或 4 个以上性 状同时关联; 有 8 个与 5 个或 5 个以上性状同时关 联。与多种性状关联的 SSR 位点中表现较为突出的 是, Sat_246同时与 8个性状关联, Satt277、 Satt365 和 Sat_312 都同时与 7 个性状关联。同一个标记位 点与多个性状关联可能是性状相关、基因多效性的 遗传基础。多种性状关联 SSR 位点的详细情况见 表 2。 2.3 大豆育成品种农艺性状的优异等位变异 大豆育成品种群体 2 年田间试验获得与产量及 其相关性状显著关联的 SSR 位点(次)有 78 个(表 2)。 限于篇幅着重解析 2 年关联分析都能检测到并对表 型变异解释率高的位点, 其产量、生物量和表观收 第12期 张 军等: 大豆育成品种农艺性状 QTL 与 SSR 标记的关联分析 2063 表 2 与各性状显著相关(P0.5 的组合数只占总位点组合的 1.71%, 共线位点 D值随遗传距离衰减较快。 育成品 种群体由 7 个亚群体组成, 矫正后全群体中共有 45 个位点累计有 136 个位点(次)与 11 个大豆农艺性状 QTL 关联, 其中 22 个位点(次)与家系连锁定位的 QTL 区间相重, 有 43 个位点(次) 2 年重复出现。 一 些标记同时与2个或多个性状关联, 可能是性状相关 或一因多效的遗传基础。育成品种群体关联位点与 地方品种群体和野生群体只有少数相同, 群体间育 种性状的遗传结构有相当大的差异。发掘出农艺性 状优异等位变异及其载体品种, 在此基础上作了设 计育种的探讨。 致谢: 本试验得到刘正才、陈俊辉、周慧琴、文自 翔、黄中文、邢光南、熊冬金、卢坤陇、吴可菁、 杨占花、江南屏等同学帮助, 谨表谢忱。 References 1 Flint-Garcia S A, Thuillet A C, Yu J M, Pressoir G, Romero S M, Mitchell S E, Doebley J, Kresovich S, Goodman M M, Buckler E S. 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