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根系是土壤与植物地上部之间物质传递的重要桥梁,在植株固定、水分和养分吸收利用、植物激素合成、分泌和转运等方面发挥着重要作用,根系形态的改变会显著影响植株的生物量、产量以及水分和养分利用效率。为揭示油菜根系与产量形成的关系,并对油菜根系性状遗传基础进行解析,本研究对80份亲缘关系较远的油菜材料在两种磷水平下根系性状与产量性状相关性,21份材料在水培和大田培养方式下根系性状的相关性进行了分析,并对油菜关联群体(280份甘蓝型油菜种质资源)和RIL群体(中双11×No.73290,175个株系)在水培条件下的根系性状进行了鉴定,主要研究结果如下:1.在开花期和成熟期,两种磷水平(正常磷水平和低磷水平)下80份油菜材料的根系性状(除主根长PRL外)均与地上部生物量、部分株型性状(如油菜植株高度、分枝数目)和部分产量性状(主要包括角果数目和产量)有显著相关性,其中根表面积(TSA)与这些性状相关性最高。2.21份材料在水培移苗后10天(10DAT),3叶期(3EL)和5叶期(5EL)的根系形态性状(总根长TRL、根表面积TSA、根体积TRV、侧根数TNR)与大田苗后期和成熟期根系性状具有显著相关性,其中根表面积(TSA)一致性最好。说明水培条件下营养生长阶段根系性状可部分反映大田条件下的根系生长状态。3.建立了低成本、高通量的油菜群体根系表型精准鉴定体系,该方法可同时对大量的油菜品种在整个营养生长阶段(发芽7天到7叶期)进行高通量、高准确度的根系表型鉴定。经单个品种(中双11)和上述甘蓝型油菜关联群体的应用和分析,证明了该方法可以保证油菜生长的同步性以及实验的可重复性。4.在上述水培体系下对关联群体营养生长阶段5个连续的时期:发芽13天(13DAS),移苗后10天(10DAT,等同于16DAS),3叶期(3EL)、5叶期(5EL)和7叶期(7EL)的根系性状和生物量进行表型鉴定,数据分析说明除主根长(PRL)外,根系性状间及其与生物量性状间具有高度相关性(0.44-0.97,P<0.0001);所有根系性状在5个取样点间具有较高相关性(0.33-0.87,P<0.0001),表明早期根系发育影响后期根系建成及生物量大小。根据取样点间性状生长速率对280份材料进行聚类分析,共分成7种类型,其中包含生长速率稳定型材料和在某个时间点生长速率发生急剧变化的材料,并据此推断出营养生长阶段根系发育中可能存在两种不同的分子机制(持续型和时期特异型,即persistent and stage-specific)。5.利用油菜60K SNP(single nucleotide polymorphisms)芯片对关联群体在5个时期的根系性状进行全基因组关联分析(GWAS),获得134个与根系性状显著关联的SNP标记[-logP>4.37(-log1/23,542)],可在多个时期或不同重复间检测到。基于SNP间遗传距离<1.0Mb和r~2>0.2被认为识别同一个QTL位点的标准,这些SNP最终被整合到48个有效的QTL簇。其中,在营养生长早期(13DAS和/或10DAT)和晚期(3EL和/或5EL和/或7EL)均能检测到的QTL簇16个,仅能在营养生长早期或晚期检测到的QTL簇分别为16个,表明营养生长阶段的确存在“persistent”和“stage-specific”两种根系发育遗传因子。据此,这些QTL簇被归类为ES-specific clusters(early stage,包含13DAS和10DAT)、LS-specific clusters(later stage,包含3EL,5EL和7EL)以及ES-LS common clusters。15个ES-specific和13个ES-LS common QTL簇能在13DAS检测,14个LS-specific QTL簇可以同时在5EL和7EL中检测,这为油菜营养生长阶段根系性状遗传研究中调查时期的选择提供了重要依据;同时根系性状间遗传力、相关性分析以及其在QTL簇中出现的频率证明根表面积(TSA)能极大程度上反映根系形态且在遗传鉴定中较其他性状具有更高的检测效率,是育种进程中重要的目标性状。6.对RIL群体(中双11×No.73290)在水培和大田条件下不同生长时期(7DAS、13DAS、16DAS、3EL、5EL、7EL、苗后期、开花期和成熟期)的根系性状、地上部生物量以及株型和产量性状进行考察和分析,发现在营养生长阶段RIL群体中存在与关联群体类似的根系生长规律。本研究在RIL群体中总共检测到216个stable QTL,经两步整合和筛选,最终筛选到10个有研究价值的根系性状QTL簇。其中,2个QTL簇与全基因组关联分析检测到的3个QTL簇存在共定位,表明关联和连锁分析两者可相互补充,相互验证。7.本研究利用从关联群体中筛选到的3份根系极端发达材料和3份根系极端弱小材料进行转录组测序,从中筛选到618个差异表达基因,这些差异表达基因的功能分析表明激素代谢(尤其是生长素)、信号转导以及离子转运等过程与根系发育密切相关。GWAS和转录组数据整合共获得32个候选基因,位于48个QTL簇峰值SNP位点11.0-292.9 kb以内,其中6个基因已有报道与根系发育或生长调控相关,1个基因已被鉴定是控制根系表皮细胞分化的QTL,证明了筛选的有效性。此外,全基因组关联分析、QTL定位和转录组测序共同筛选到1个候选基因,这个候选基因的拟南芥同源基因编码未知蛋白。该结果说明转录组分析与GWAS和/或QTL定位联合分析可以有效地缩小候选基因筛选范围,加速候选基因的鉴定过程。