基于形态学和SNP及InDel分子标记的豇豆遗传变异研究

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豇豆[Vigna unguiculata(Linn.)Walp.]为双子叶豆科植物,起源于非洲大陆。我国是长豇豆的次级起源中心,在全球范围内,豇豆是一种重要的豆类作物。本研究以271份豇豆种质为材料,综合运用形态学和基于基因组重测序开发的SNP和InDel分子标记技术,对该遗传群体进行遗传多样性和亲缘关系分析;使用SNP标记和表型数据进行GWAS分析,探寻控制豇豆始花期(Days to flowering,DTF)和荚长(Pod length,PL)性状的候选基因;运用InDel标记构建271份豇豆种质分子指纹图谱,探讨了豇豆亲缘关系和种质鉴定技术。旨为我国豇豆资源有效利用和新品种选育提供科学依据。主要结果如下:(1)2021年春秋两季田间试验研究结果表明,豇豆品种群体与产品器官发育和形成相关的4个主要性状均呈现出较为丰富的遗传多样性。其中在春秋两季种植的DTF平均值分别为52 d和37 d,变异系数(Coefficient of variation,CV)分别为6.59%和11.13%,秋季比春季平均提前15.6 d,说明短日照和高温条件明显促进发育;春秋两季PL均值分别为53.36 cm和54.22 cm,CV均接近25%;荚宽(Pod width,PW)均值分别为7.16 mm和7.51 mm,CV分别为16.33%和10.48%;荚厚(Pod thickness,PT)均值分别为6.80 mm和7.66 mm,CV分别为22.68%和13.91%。PW和PT在品种间变异较小。运用小提琴图法直观展示了两季度DTF、PL、PW和PT的数据分布特点。方差分析表明PL、PW、PT和DTF在品种间和季节间均呈极显著差异,估算出广义遗传力分别为92.62%、27.32%、43.54%和87.27%,也说明PL和DTF主要受品种影响,PW和PT受环境影响较大。相关分析表明,PL分别与PT和DTF呈正或负相关,PW与PT呈正相关。(2)基于251份豇豆的形态学性状,在欧氏距离6.6处可将其划分为3个品种群。品种群Ⅰ包含219份,占87.25%,又可细分为两个亚群;品种群Ⅲ包含31份。品种群Ⅱ仅1份,来自湖北的早半月无架豆。各品种群中PL和DTF等性状表现有较大差异,但是聚类结果与豇豆材料地理来源相关不明显。且依据此形态学变异,有46份种质难以区分,其中39份运用InDel标记技术可区分,仍有7份无法判别,这可能与同物异名有关。(3)对200份豇豆材料进行二代基因组重测序,共获得高质量SNP标记2237892个,在整个染色体上平均每0.22 Kb分布1个SNP标记。共筛选得到插入与缺失在20~50 bp的23390个InDel标记,在整个染色体上平均每21.1 Kb分布1个,这些标记可为豇豆种质资源鉴定与判别提供信息。采用MLM模型探测到与DTF相关联的SNP位点4个,利用LIS(Legume Information System)数据库共搜寻到17个基因;探测到可能与PL相关联的4个SNP位点全部位于Chr10,共搜寻到6个基因,且与DTF相关联的SNP位点附近的基因重合。可作为控制DTF和PL性状的候选基因。(4)从111对可扩增出目的条带的引物中筛选出44对多态性InDel引物,有效性比率为40.45%。精选出20对多态性InDel引物,以此对271份豇豆材料进行基因分型,基因多样性值范围0.064~0.496,均值为0.371;PIC为0.069~0.375,均值为0.260;Shannon’s指数范围为0.152~0.693,平均值为0.419。结果表明271豇豆种质从分子水平上具有丰富的遗传多样性,构建了一个良好的豇豆基因库,为品种改良提供物质基础。(5)根据各品种InDel电泳图谱信息,使用UPGMA法进行271份豇豆品种聚类,可将其划分为9个品种群,揭示出品种基因组分子遗传结构的差异,特别是基因组序列上插入与缺失的差异。经与相应品种表型数据特征值比较,这种分子遗传序列差异与品种表型有一定关联性,表现为品种群Ⅱ和Ⅳ以长荚品种居多,且矮生品种多集中在品种群Ⅳ中,白花品种多集中在品种群Ⅱ中;品种群Ⅶ、Ⅷ和Ⅸ主要为短荚品种,且品种群Ⅶ中DTF较长的品种居多,而品种群Ⅵ则相反。(6)通过InDel引物构建的271份豇豆品种分子指纹图谱,共获得139种分子指纹图谱类型。可将其分为2大类,第1大类含108种种质特异性指纹图谱,第2大类含31种种质非特异性指纹图谱。该方法操作简便可行,但并非所有种质具有特异性指纹图谱,还需筛选更多InDel标记以增加信息或结合其他标记进行判别。综合分析说明,结合形态学性状和InDel分子标记能够较好地鉴定判别豇豆种质。
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