基于QTL定位及时序转录组对甘蓝型油菜粒重性状的遗传解析

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高产是油菜育种的首要目标。千粒重是油菜产量构成的重要因子之一,提高粒重对于培育油菜高产品种具有重要意义。本研究以甘蓝型油菜KN DH群体为材料,对种植在冬性、半冬性和春性环境的油菜千粒重性状进行QTL定位,并结合RNA-Seq技术对不同发育阶段种子进行BSR(BSA based on RNA sequence)和基因差异表达分析,以解析油菜粒重形成遗传机制,并获得共有关键候选基因。主要研究结果如下:(1)油菜千粒重QTL定位及潜在候选基因鉴定。油菜千粒重属于典型数量性状,能够在冬性、半冬性和春性生态环境稳定遗传。116个千粒重identified QTL分布在除A08和C03的17条染色体上。QTL整合后获得13个冬性、2个春性、3个冬性和半冬性、2个冬性和春性环境稳定表达QTL。其中,QTL cq TSW.A4-1和cq TSW.A4-3在3个生态环境都能够重复检测到。3个千粒重主效QTL cq TSW.A7-3、cq TSW.C1-1和cq TSW.C1-3,其中cq TSW.C1-1和cq TSW.C1-3为本研究新鉴定到的主效QTL。在QTL区间鉴定到594个潜在候选基因,功能主要涉及IKU、泛素-蛋白酶体、植物激素、胚胎发育、胚细胞伸长、贮藏蛋白和TAG的生物合成等。(2)油菜千粒重及产量相关性状的QTL热点区域及上位性互作。在A07,C01和C06等染色体上发现产量、产油量和含油量QTL与千粒重QTL的热点区域,油菜千粒重与单株产油量和单株产量密切相关,增加千粒重可有效提高油菜产量和产油量。影响油菜千粒重的上位性互作对主要位于A亚基因组和C亚基因组间,且130个上位性互作对位于51个千粒重QTL的置信区间内。甘蓝型油菜千粒重调控的复杂性形成于白菜A亚基因组和甘蓝C亚基因组融合后基因组间的互作。(3)花后20天(S3阶段)为油菜大、小粒重种子发育和物质积累显著变化时期。油菜花后17~26天是大、小粒重种子储藏物质积累的重要时期。基因表达相关性、层次聚类和主成分分析表明花后20~26天(S3~S4阶段)为油菜种子发育和物质合成最为活跃的时期。纵向分析表明大、小粒重种子发育的20/14天(S3/S2阶段)的DEGs和DETFs的生长调控和生化代谢富集程度最高;横向分析表明花后20天(S3阶段)DEGs和DETFs最多,且鉴定到990个与种子的生长发育和储藏物质合成密切相关的差异表达基因显著上调表达。花后20天(S3阶段)是油菜种子储藏物质合成和积累的关键时期,特别是大粒重种子在该阶段具有更高的转录活性。(4)一定时间内油菜种子发育和物质合成与积累时间的增加可有效促进种子积累较多物质,大粒重种子在种子发育后期的物质合成仍具有优势。纵向GO和KEGG富集表明大粒重种子从20/14天(S3/S2阶段)显著富集到大量的生物代谢路径,说明大粒重种子较早开始合成并积累较多的营养物质。大粒重种子持续到种子发育后期32/26天(S5/S4阶段)仍具有较强光合作用能力和物质生物合成过程。横向GO富集发现大粒重种子从14天(S2阶段)已进入细胞的快速增殖、脂质、蛋白质、纤维木质素等物质生物合成时期。横向KEGG分析表明大粒重种子在S3阶段显著富集较多的代谢路径促进更多储藏物质的合成和积累,并且大粒重种子在26天(S4阶段)和32天(S5阶段)在物质合成和积累等方面仍具有优势。大粒重种子的3个基因共表达模块和小粒重种子的7个基因共表达模块与种子发育特定阶段表现出较高相关性。同时两者大多数基因共表达模块表现出保守性,个别基因共表达模块表现出材料间的特异性。(5)QTL定位与时序转录组共同高效鉴定粒重关键候选基因。整合时序转录组和QTL定位共高效鉴定到31个与种子发育和物质合成、积累相关的共有候选基因,主要涉及了转录调控(Bna A02g17180D)、种皮形成(Bna A01g25630D、Bna C04g29170D、Bna C05g31880D、Bna A02g23180D、Bna C06g18870D和Bna C05g31880D)、脂质生物合成和代谢(Bna A02g30470D、Bna A07g26670D)、脂质与储藏蛋白(Bna C01g18950D、Bna C01g19300D、Bna C01g19310D、Bna C01g19330D、Bna C04g32530D和Bna C08g11970D)、激素调控(Bna C06g36410D)、泛素(Bna C08g03250D)和种子发育相关(Bna C08g31760D)等。总之,通过QTL定位和时序转录组解析油菜粒重形成的调控机制并获得共有潜在候选基因。研究结果为下一步的基因克隆和功能验证做好充分准备,同时也为揭示油菜种子物质合成和积累的遗传机理,培育大粒重、高产油菜新品种提供指导。
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