CN116287376A - 一种与小麦总小穗数qtl紧密连锁的分子标记及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种与小麦总小穗数QTL紧密连锁的分子标记及其应用。本发明提供了小麦3D染色体上特定片段作为分子标记在如下任一中的应用:鉴定小麦的总小穗数;选育总小穗数相对较多的小麦单株或株系或品系或品种;所述特定片段为SEQ ID No.5所示DNA片段。本发明为小麦的分子标记辅助选择育种提供了一个新工具,可加快小麦高产品种的选育进程。
Description
技术领域
本发明涉及生物技术和分子育种领域,具体涉及一种与小麦总小穗数QTL(数量性状基因座)紧密连锁的分子标记及其应用。
背景技术
普通小麦(Triticum aestivum L.)是我国主要粮食作物之一,其产量的高低直接影响居民生活水平与国家粮食安全(何中虎,庄巧生,程顺和等.(2018)中国小麦产业发展与科技进步.农学学报,8:99-106.)。高产是小麦育种的主要目标。穗粒数是构成产量的三要素之一,易受环境的影响。总小穗数是穗粒数的直接构成因子,与穗粒数呈显著正相关(Kuzay S.et al.(2019)Identification of a candidate gene for a QTL forspikelet number per spike on wheat chromosome arm 7AL by high-resolutiongenetic mapping.Theor Appl Genet,132:2689-2705.)。小麦小穗分化起始于二棱期,终止于小花分化期顶端小穗的出现,是在小麦生殖发育的早期决定的,环境条件对其影响较小,具有较高的遗传力(Zhang J.L.et al.(2018)Identification and validation ofQTL for grain yield and plant water status under contrasting water treatmentsin fall-sown spring wheats.Theor Appl Genet,131:1741-1759.)。因此,通过选育总小穗数较多的品种,促进穗粒数等产量性状协调改良,持续提高产量潜力,是开展小麦高产育种的有效途径(何中虎.等(2011)中国小麦育种进展与展望.作物学报,37,202-215.)。因此,发掘和克隆多小穗数优异种质资源中控制小穗数的主效QTL(数量性状基因座)及其功能基因,开发分子标记,为小麦总小穗数和穗粒数的遗传改良和高产分子标记辅助育种提供基因资源和可用标记。
小麦总小穗数和穗粒数相关性状均为典型的数量性状,受多基因控制。QTL分析可以将复杂的数量性状分解成单个QTL。定位各QTL并分析其遗传效应,有助于深入解析复杂性状的遗传基础,为相关QTL的分子标记辅助选择奠定基础(Gupta P.K.(2008)Wheatgenetics in the post-genomics era.Curr Sci India,95:1660-1662.)。分子标记辅助选择育种是一种采用与特定性状相关联的分子标记作为辅助手段进行育种的有效方法,具有不受环境条件限制、在植物发育的各个组织和生育时期均可检测、选择效率高的优点。目前,虽然在普通小麦中发现了一些小穗数和穗粒数相关性状的QTL,但育种上可用的总小穗数的分子标记依然缺乏,需要继续发掘新的总小穗数QTL位点,开发与其紧密连锁的分子标记,以提高育种过程中总小穗数的选择效率,培育高产小麦新品种。
发明内容
本发明的目的是提供一种与小麦总小穗数QTL紧密连锁的分子标记及其应用。
第一方面,本发明要求保护小麦3D染色体上特定片段作为分子标记在如下任一中的应用:
(A1)鉴定或辅助鉴定小麦的总小穗数;
(A2)制备用于鉴定或辅助鉴定小麦的总小穗数的产品;
(A3)比较待测小麦的总小穗数多少;
(A4)制备用于比较待测小麦的总小穗数多少的产品;
(A5)选育总小穗数相对较多的小麦单株或株系或品系或品种;
(A6)制备用于选育总小穗数相对较多的小麦单株或株系或品系或品种的产品;
(A7)选育总小穗数相对较少的小麦单株或株系或品系或品种;
(A8)制备用于选育总小穗数相对较少的小麦单株或株系或品系或品种的产品;
所述特定片段为SEQ ID No.5所示DNA片段。
第二方面,本发明要求保护用于检测小麦3D染色体上是否含有特定片段的物质在如下任一中的应用:
(A1)鉴定或辅助鉴定小麦的总小穗数;
(A2)制备用于鉴定或辅助鉴定小麦的总小穗数的产品;
(A3)比较待测小麦的总小穗数多少;
(A4)制备用于比较待测小麦的总小穗数多少的产品;
(A5)选育总小穗数相对较多的小麦单株或株系或品系或品种;
(A6)制备用于选育总小穗数相对较多的小麦单株或株系或品系或品种的产品;
(A7)选育总小穗数相对较少的小麦单株或株系或品系或品种;
(A8)制备用于选育总小穗数相对较少的小麦单株或株系或品系或品种的产品;
所述特定片段为SEQ ID No.5所示DNA片段。
所述特定片段所在分子标记命名为3D-Ind7308,对应的与之紧密连锁的QTL命名为QTss-3D,所述QTss-3D定位在分子标记AX-108807742和AX-111064903之间的区段,对应中国春参考基因组(Refseq v1.0)3DS染色体的121.98-125.44Mb共3.46Mb的物理区间。所述特定片段对应中国春参考基因组(Refseq v1.0)3D染色体的第125387308位置处。
其中,所述用于检测小麦3D染色体上是否含有特定片段的物质可为用于扩增所述特定片段的引物对。
进一步地,所述引物对中的上游引物可根据小麦3D染色体中位于所述特定片段上游的序列设计,下游引物可根据小麦3D染色体中位于所述特定片段下游的序列设计。
在本发明的具体实施方式中,所述引物对由SEQ ID No.3所示的单链DNA分子和SEQ ID No.4所述的单链DNA分子组成。
第三方面,本发明要求保护一种鉴定或辅助鉴定小麦的总小穗数的方法。
本发明要求保护的鉴定或辅助鉴定小麦的总小穗数的方法,可包括如下步骤:
(B1)检测待测小麦3D染色体中是否含有特定片段;
(B2)根据(B1)结果,按照如下确定所述待测小麦的总小穗数多少:3D染色体中不含有所述特定片段(即3D染色体中缺失了所述“特定片段”)的待测小麦(纯合)的总小穗数多于或候选多于3D染色体中含有所述特定片段(即3D染色体中没有缺失所述“特定片段”)的待测小麦(纯合)的总小穗数;
所述特定片段为SEQ ID No.5所示DNA片段。
第四方面,本发明要求保护一种选育总小穗数相对较多的小麦单株或株系或品系或品种的方法,可包括如下步骤(C1)和(C2):
(C1)检测待测小麦3D染色体中是否含有特定片段;
(C2)根据(C1)结果,选择3D染色体中不含有所述特定片段(即3D染色体中缺失了所述“特定片段”)的待测小麦(纯合)作为亲本进行选育,并在育种各世代选择3D染色体中不含有所述特定片段(即3D染色体中缺失了所述“特定片段”)的小麦(纯合),最终获得总小穗数相对较多的小麦单株或株系或品系或品种;
所述特定片段为SEQ ID No.5所示DNA片段。
第五方面,本发明要求保护一种选育总小穗数相对较少的小麦单株或株系或品系或品种的方法,包括如下步骤(D1)和(D2):
(D1)检测待测小麦3D染色体中是否含有特定片段;
(D2)根据(D1)结果,选择3D染色体中含有所述特定片段(即3D染色体中没有缺失所述“特定片段”)的待测小麦(纯合)作为亲本进行选育,并在育种各世代选择3D染色体中含有所述特定片段(即3D染色体中没有缺失所述“特定片段”)的小麦(纯合),最终获得总小穗数相对较少的小麦单株或株系或品系或品种;
所述特定片段为SEQ ID No.5所示DNA片段。
在前文第四方面和第五方面中,检测所述待测小麦3D染色体中是否含有特定片段的方法可为如下(E1)或(E2):
(E1)直接测序;
(E2)以所述待测小麦的基因组为模板,用前文第二方面中所述的引物对进行PCR扩增,根据扩增结果确定所述待测小麦3D染色体中是否含有所述特定片段。
进一步地,以所述待测小麦的基因组为模板,用所述引物对(SEQ ID No.3和SEQID No.4)进行PCR扩增,若扩增产物为132bp目的片段,则所述待测小麦3D染色体中含有所述特定片段,若扩增产物为90bp目的片段,则所述待测小麦3D染色体中不含有所述特定片段。
在本发明中,所述总小穗数为主穗的总小穗数。
第六方面,本发明要求保护如下任一生物材料:
(F1)DNA片段,在小麦3D染色体中至少含有SEQ ID No.5所示序列,并且向或不向5’端和/3’端延伸一个或若干个核苷酸后得到的DNA片段。
进一步地,所述DNA片段的核苷酸序列为SEQ ID No.1的第36-167位或SEQIDNo.1。
其中,SEQ ID No.1的第36-167位为当不缺失所述特定DNA片段时所述引物对(SEQID No.3和SEQ ID No.4)的扩增产物。
(F2)引物对,为前文第二方面中所述引物对(SEQ ID No.3和SEQ ID No.4);
(F3)含有(F2)所述引物对的试剂或试剂盒。
根据需要,所述试剂盒中还可含有常规PCR试剂,如PCR反应缓冲液,dNTP,DNA聚合酶等。
第七方面,本发明要求保护中前文第四方面或第五方面中所述的方法或前文第六方面中所述的生物材料在如下任一中的应用:
(G1)提高小麦穗粒数;
(G2)提高小麦产量;
(G3)培育小麦高产品种。
其中,所述小麦穗粒数可为小麦主穗的穗粒数。
在本发明中,所述总小穗数相对较多是指当所比较的小麦中基因组上其他影响总小穗数的位点的效应相等时,3D染色体中不含有所述特定片段(即3D染色体中缺失了所述“特定片段”)的待测小麦(纯合)的总小穗数相对于3D染色体中含有所述特定片段(即3D染色体中没有缺失所述“特定片段”)的待测小麦的总小穗数更多。所述总小穗数相对较少是指当所比较的小麦中基因组上其他影响总小穗数的位点的效应相等时,3D染色体中含有所述特定片段(即3D染色体中没有缺失所述“特定片段”)的待测小麦(纯合)的总小穗数相对于3D染色体中不含有所述特定片段(即3D染色体中缺失了所述“特定片段”)的待测小麦的总小穗数更少。
在前文各方面中,所述小麦可为但不限于如下品种中的任一种或任几种:藁8901、3228、藁8901和3228杂交后代。所述藁8901和3228杂交后代可如3228/藁8901的PG-RIL遗传群体或近等基因系群体。
实验证明,本发明提供的分子标记3D-Ind7308是一种与小麦总小穗数主效QTL紧密连锁的分子标记。所述小麦总小穗数主效QTL位点位于小麦3D染色体短臂上,命名为QTss-3D,定位于AX-108807742—AX-111064903区段,对应中国春参考基因组(RefSeqv1.0)共3.46Mb物理区间。利用本发明提供的分子标记3D-Ind7308,可用于鉴定或辅助鉴定小麦总小穗数、比较待测小麦总小穗数多少、选育总小穗数相对较多的小麦单株或株系或品系或品种。本发明为小麦的分子标记辅助选择育种提供了一个新工具,可加快小麦高产品种的选育进程。
附图说明
图1为控制总小穗数的位点QTss-3D在4个环境下的染色体定位。总小穗数QTLQTss-3D定位在分子标记AX-108807742—AX-111064903之间的区段。
图2为标记3D-Ind7308在亲本和部分PG-RIL群体中的基因分型结果。其中,PG1、PG3、PG8、PG12、PG21和PG23为PG-RIL群体中不同的株系。
图3为PG-RIL群体中携带3D-Ind7308(P)和3D-Ind7308(G)两种不同等位变异的家系在总小穗数上的差异。**表示差异极显著(P<0.01)。
图4为剩余杂合系衍生的近等基因系群体中携带3D-Ind7308(P)和3D-Ind7308(G)两种不同等位变异的家系在总小穗数和穗粒数上差异。**表示差异极显著(P<0.01),*表示差异显著(P<0.05)。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述,给出的实施例仅为了阐明本发明,而不是为了限制本发明的范围。以下提供的实施例可作为本技术领域普通技术人员进行进一步改进的指南,并不以任何方式构成对本发明的限制。
下述实施例中的实验方法,如无特殊说明,均为常规方法,按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。下述实施例中所用的材料、试剂等,如无特殊说明,均可从商业途径得到。
小麦种质资源3228:记载在“Wang J.et al.(2011)QTL mapping of yield-related traits in the wheat germplasm 3228.Euphytica 177:277-292.”一文,公众可从申请人处获得,仅可用于重复本发明试验实验,不得他用。
实施例1、小麦总小穗数相关InDel位点的发掘及PCR标记的开发验证
一、重组自交系群体的构建
以小麦种质资源3228为母本、小麦品种藁8901为父本进行杂交,采用单粒传法获得含有176个株系的F6:9代重组自交系(PG-RIL)群体。
二、PG-RIL群体总小穗数性状多年环境下的鉴定
将PG-RIL群体于2013-2014、2014-2015、2015-2016、2016-2017四个年度种植于中国科学院栾城农业生态系统试验站(37°53'15″N,114°40'47″E),上述四个环境分别简称为LC13、LC14、LC15、LC16。每个家系种植2行,行长1.5m,行距0.25m,每行30粒种子。所有大田试验的水肥和其它管理都按照当地标准做法进行。待小麦成熟后,每个系随机抽取10株调查主穗的总小穗数,取其平均值。
三、基因型扫描与QTL定位
1.基因组DNA提取
采用CTAB法提取PG-RIL群体的176个株系和亲本DNA,使用NanoDrop2000检测其浓度。
2.小麦660K SNP芯片杂交
3.小麦总小穗数稳定主效QTL QTss-3D的定位
利用PG-RIL遗传作图群体,在中国科学院栾城生态试验站共4年4个环境条件下开展了总小穗数性状的QTL定位,在3D染色体AX-108807742—AX-111064903峰值区间检测到一个控制总小穗数的稳定主效QTL QTss-3D(表1,图1),能够解释10.4-21.5%的总小穗数表型变异,增加总小穗数的加性效应来自3228,平均增加总小穗数0.545个(表1)。QTss-3D物理区间对应中国春参考基因组(RefSeq v1.0)3D染色体的121.98-125.44Mb共3.46Mb的物理区间。
表1、QTss-3D区段内总小穗数的QTL信息
四、PCR检测标记的开发
利用3228和藁8901的基因组重测序结果,比较亲本之间在目标区间内的基因组序列差异,发现与藁8901序列(SEQ ID No.1)相比,3228序列(SEQ ID No.2)在3D染色体125387308位置(物理位置是以中国春参考基因组(RefSeq v1.0)计的)处存在42个碱基的缺失,产生了插入缺失突变。针对该插入缺失突变,本发明开发了PCR标记3D-Ind7308,具体引物序列为SEQ ID No.3和SEQ ID No.4,针对插入的DNA片段,扩增的片段长度为132bp(SEQ ID No.1的第36-167位),缺失型扩增的片段长度为90bp(SEQ ID No.2的第36-125位)。
3D-Ind7308-F:5’-TTTCCTCCAATGTGTCGGCA-3’(SEQ ID No.3);
3D-Ind7308-R:5’-CGGCTCATATACCGACCCAC-3’(SEQ ID No.4)。
以3228和藁8901基因组DNA为模板,利用基因组特异引物3D-Ind7308-F/R对模板进行PCR扩增。
PCR反应体系和扩增程序如表2所示。
表2、PCR反应体系和扩增程序
| 成分 | 体积(μL) |
| 2×PCR Mastermix | 12.5 |
| 3D-Ind7308-F(10μM) | 0.5 |
| 3D-Ind7308-R(10μM) | 0.5 |
| DNA模板 | 2.5 |
| ddH2O | 9 |
| 总体积(μL) | 25 |
PCR反应程序如表3所示。
表3、PCR反应程序
将PCR扩增产物在2.5%的琼脂糖凝胶上电泳分离后,使用凝胶成像系统检测。
如果扩增出与亲本藁8901一样的目的条带(132bp,即SEQ ID No.1的第36-167位),则将等位位点基因型命名为3D-Ind7308(G)。如果扩增出与亲本3228一样的目的条带(90bp,即SEQ ID No.2的第36-125位),则将等位位点基因型命名为3D-Ind7308(P)。如果是杂合的情况,会扩增出两条带,分别是132bp和90bp。
五、基因分型和验证结果
按照步骤四所述方法,利用3D-Ind7308标记扫描步骤一构建的PG-RIL群体,结果有84个家系扩增出了优异等位位点3D-Ind7308(P)对应的90bp大小的条带,有90个家系扩增出了等位位点3D-Ind7308(G)对应的132bp大小的条带(另外两个系扩增出的是杂合型的条带),部分结果如图2所示。双尾t检验结果表明,在LC13、LC14、LC15以及LC16环境下,PG-RIL群体中3D-Ind7308标记的分型结果与总小穗数之间呈极显著相关(P<0.01),携带3D-Ind7308(P)的优异等位变异的家系在4个环境下较等位位点3D-Ind7308(G)分别提高总小穗数1.23个、0.86个、0.94个和1.26个(图3)。
实施例2、PCR分子标记在鉴定、筛选小麦QTss-3D近等基因系中的应用
参照实施例1中的方法利用3D-Ind7308标记对PG-RIL群体176份家系(F7)进行检测,筛选到一个剩余杂合系PG-3D1(扩增产物既有132bp也有90bp条带),将其自交后构建了包含265个单株的剩余杂合系衍生的次级分离群体(F2)。利用3D-Ind7308标记检测上述群体中单株基因型,具体方法为:在苗期提取叶片基因组DNA;以265份材料的基因组DNA为模板,利用实施例1开发的3D-Ind7308标记引物进行PCR扩增基因型检测。将目标区间均为纯合基因型的单株(每个基因型至少50株)自交构建近等基因系(NIL)群体,在中国科学院栾城生态试验站进行了表型鉴定(参见实施例1步骤二)。结果发现,与携带藁8901等位基因(3D-Ind7308(G))的家系相比,携带3228等位基因(3D-Ind7308(P))的家系平均总小穗数和穗粒数分别显著增加了0.95个和2.64粒(图4)。上述结果说明主效QTL QTss-3D可以通过增加总小穗数来提高穗粒数,该位点及其3D-Ind7308标记在小麦高产分子标记辅助育种上具有重要的应用价值。
本发明的分子标记3D-Ind7308在PG-RIL遗传群体和剩余杂合系衍生的近等基因系群体中同样适用,实验结果与预期一致,说明本发明中的与控制总小穗数位点紧密连锁的标记3D-Ind7308确实具有对小麦总小穗数进行辅助选择的作用。由于总小穗数是决定小麦穗粒数的重要因素,因而本发明对于选育穗粒数高的小麦品种同样具有重要意义。本发明的分子标记的引物序列和物理位置明确、结果准确、过程高效,经案例实施,可直接用于分子标记辅助选择育种。
以上对本发明进行了详述。对于本领域技术人员来说,在不脱离本发明的宗旨和范围,以及无需进行不必要的实验情况下,可在等同参数、浓度和条件下,在较宽范围内实施本发明。虽然本发明给出了特殊的实施例,应该理解为,可以对本发明作进一步的改进。总之,按本发明的原理,本申请欲包括任何变更、用途或对本发明的改进,包括脱离了本申请中已公开范围,而用本领域已知的常规技术进行的改变。按以下附带的权利要求的范围,可以进行一些基本特征的应用。
Claims (10)
1.小麦3D染色体上特定片段作为分子标记在如下任一中的应用:
(A1)鉴定或辅助鉴定小麦的总小穗数;
(A2)制备用于鉴定或辅助鉴定小麦的总小穗数的产品;
(A3)比较待测小麦的总小穗数多少;
(A4)制备用于比较待测小麦的总小穗数多少的产品;
(A5)选育总小穗数相对较多的小麦单株或株系或品系或品种;
(A6)制备用于选育总小穗数相对较多的小麦单株或株系或品系或品种的产品;
(A7)选育总小穗数相对较少的小麦单株或株系或品系或品种;
(A8)制备用于选育总小穗数相对较少的小麦单株或株系或品系或品种的产品;
所述特定片段为SEQ ID No.5所示DNA片段。
2.用于检测小麦3D染色体上是否含有特定片段的物质在如下任一中的应用:
(A1)鉴定或辅助鉴定小麦的总小穗数;
(A2)制备用于鉴定或辅助鉴定小麦的总小穗数的产品;
(A3)比较待测小麦的总小穗数多少;
(A4)制备用于比较待测小麦的总小穗数多少的产品;
(A5)选育总小穗数相对较多的小麦单株或株系或品系或品种;
(A6)制备用于选育总小穗数相对较多的小麦单株或株系或品系或品种的产品;
(A7)选育总小穗数相对较少的小麦单株或株系或品系或品种;
(A8)制备用于选育总小穗数相对较少的小麦单株或株系或品系或品种的产品;
所述特定片段为SEQ ID No.5所示DNA片段。
3.根据权利要求2所述的应用,其特征在于:所述用于检测小麦3D染色体上是否含有特定片段的物质为用于扩增所述特定片段的引物对。
4.根据权利要求3所述的应用,其特征在于:所述引物对中的上游引物根据小麦3D染色体中位于所述特定片段上游的序列设计,下游引物根据小麦3D染色体中位于所述特定片段下游的序列设计;
进一步地,所述引物对由SEQ ID No.3所示的单链DNA分子和SEQ ID No.4所述的单链DNA分子组成。
5.一种鉴定或辅助鉴定小麦的总小穗数的方法,包括如下步骤:
(B1)检测待测小麦3D染色体中是否含有特定片段;
(B2)根据(B1)结果,按照如下确定所述待测小麦的总小穗数多少:3D染色体中不含有所述特定片段的待测小麦的总小穗数多于或候选多于3D染色体中含有所述特定片段的待测小麦的总小穗数;
所述特定片段为SEQ ID No.5所示DNA片段。
6.如下任一方法:
方法I:一种选育总小穗数相对较多的小麦单株或株系或品系或品种的方法,包括如下步骤(C1)和(C2):
(C1)检测待测小麦3D染色体中是否含有特定片段;
(C2)根据(C1)结果,选择3D染色体中不含有所述特定片段的待测小麦作为亲本进行选育,并在育种各世代选择3D染色体中不含有所述特定片段的小麦,最终获得总小穗数相对较多的小麦单株或株系或品系或品种;
所述特定片段为SEQ ID No.5所示DNA片段;
方法II:一种选育总小穗数相对较少的小麦单株或株系或品系或品种的方法,包括如下步骤(D1)和(D2):
(D1)检测待测小麦3D染色体中是否含有特定片段;
(D2)根据(D1)结果,选择3D染色体中含有所述特定片段的待测小麦作为亲本进行选育,并在育种各世代选择3D染色体中含有所述特定片段的小麦,最终获得总小穗数相对较少的小麦单株或株系或品系或品种;
所述特定片段为SEQ ID No.5所示DNA片段。
7.根据权利要求5或6所述的方法,其特征在于:检测所述待测小麦3D染色体中是否含有特定片段的方法为如下(E1)或(E2):
(E1)直接测序;
(E2)以所述待测小麦的基因组为模板,用权利要求3或4中所述的引物对进行PCR扩增,根据扩增结果确定所述待测小麦3D染色体中是否含有所述特定片段。
8.根据权利要求1-7中任一所述的应用或方法,其特征在于:所述总小穗数为主穗的总小穗数。
9.如下任一生物材料:
(F1)DNA片段,在小麦3D染色体中至少含有SEQ ID No.5所示序列,并且向或不向5’端和/3’端延伸一个或若干个核苷酸后得到的DNA片段;
进一步地,所述DNA片段的核苷酸序列为SEQ ID No.1的第36-167位或SEQ IDNo.1;
(F2)引物对,为权利要求4中所述引物对;
(F3)含有(F2)所述引物对的试剂或试剂盒。
10.权利要求5-9中任一所述的方法或权利要求10所述的生物材料在如下任一中的应用:
(G1)提高小麦穗粒数;
(G2)提高小麦产量;
(G3)培育小麦高产品种。
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