南方麦区小麦地方种质条锈病抗性及其诱导环境下产量相关性状全基因组关联分析

来源 :四川农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jacky20000
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由条型柄锈菌(Puccinia striiformis West.f.sp.tritici,Pst)引发的小麦条锈病是世界范围内最严重的小麦病害之一,极大地影响了小麦的产量和品质。发掘和转育条锈病抗性基因、培育条锈病抗性品种是控制小麦条锈病危害的最有效、最经济和最生态的途径。当前,随着条锈病菌强毒性生理小种条中34(CYR34)在我国各大麦区的出现和流行,包括在我国生产上广泛应用的Yr10和Yr24/Yr26等抗条锈病主效基因在内的绝大多数抗病基因抗性逐渐减弱或丧失,加剧了四川、甘肃、青海等西部省区小麦条锈病危害成灾的趋势,也使得我国小麦再次受到条锈病大流行的威胁。因此,加快发掘抗病新基因及培育抗病新品种,是现阶段的当务之急。本研究以143份中国南方麦区小麦地方种质为研究材料,通过苗期条锈病菌单小种及成株期多环境混合小种抗性表型鉴定,筛选一批可直接用于小麦条锈病抗性育种的优异种质;进一步利用SSR分子标记和高通量DAr T-seq芯片技术对中国南方麦区小麦地方种质进行全基因组分子扫描,结合表型-标记全基因组关联技术,发掘控制南方麦区小麦地方种质条锈病抗性位点或区段;同时,对小麦条锈病菌诱导环境下控制中国南方麦区小麦地方种质产量相关性状位点或区段进行了分子解析,以期为小麦抗病和产量育种提供分子依据。获得的主要研究结果如下:1、利用我国目前小麦生产上毒性强、流行频率高的2个条锈病菌生理小种条中32(CYR32)和条中34(CYR34)对来自南方麦区的143份小麦地方种质进行苗期抗性鉴定。结果发现,共有6份种质对CYR32表现为苗期抗性(IT:0~2);9份种质对CYR34具有苗期抗性。进一步利用当前我国小麦生产上流行频率高、毒性强的条锈病生理小种或致病类型组成的混合菌种(条中32、条中33、条中34、贵农22-14、水源11-4、水源11-5和水源11-7)对南方麦区小麦地方种质在多环境下进行成株期条锈病抗性表型鉴定,共获得50份在成株期对条锈病菌混合生理小种表现稳定抗性的优异种质。结合苗期和成株期抗性表型分析发现,3份地方种质(露山麦、光头麦和鱼鳅麦)对小麦条锈病菌(CYR32和CYR34)具有全生育期抗性。2、基于条锈病菌诱导环境下对南方麦区小麦地方种质产量相关性状的分蘖(tiller number,TN)、有效分蘖(effective tiller,ET)、穗长(spike length,SL)、小穗数(spikelet number,SN)、小穗粒数(kernels number of spikelets,KNS)、穗粒数(kernels per spike,KPS)、穗粒重(grain weight per spike,GWS)和千粒重(thousand kernel weight,TKW)进行表型分析。结果发现,南方麦区小麦地方种质产量相关性状表型变异丰富。千粒重变幅范围9.96-49.04g,四川雅安的白花麦表现出最大千粒重(平均41.50g);穗长变幅范围5.58-18.34cm,云南弥勒的本地紫麦表现出最长穗长(平均14.33cm);有效分蘖变幅范围3-18个,甘肃天水的凤翔麦表现出最多有效分蘖(平均14个)。综合产量相关性状分析,筛选出16份在条锈病诱导环境下具有高千粒重、大穗、多分蘖的优异地方种质,可供小麦产量育种利用。3、利用基于条锈病抗性基因一致性图谱获得的抗性基因区段内SSR标记及高通量DAr T-seq芯片技术对南方麦区小麦地方种质进行全基因组分子扫描,共获得8279个有效分子标记。分子遗传多样性分析表明,南方麦区小麦地方种质具有较高的遗传多样性,其基因多样性值为0.3309。对各亚基因组遗传多样性分析发现,B基因组具有最高的遗传多样性(0.3362),D基因组最低(0.3233)。比较7个同源群遗传多样性发现,第6同源群具有最高的遗传多样性(0.3423),第5同源群具有最低的遗传多样性(0.3194)。基于染色体水平进行遗传多样性分析发现,6A遗传多样性最高(0.3558),1D遗传多样性最低(0.3091)。利用遗传多样性信息含量(Polymorphism Information Content,PIC)参数对南方麦区小麦地方种质进行分子遗传多样性分析表明,无论在全基因组、亚基因组、部分同源群还是染色体水平上,其呈现的分子遗传多样性趋势均与基因多样性参数分析结果一致。群体遗传结构分析将中国南方麦区小麦地方种质划分为西南种质群和华南种质群。4、以苗期条锈病菌侵染型(infection type,IT)为目标性状,基于获得的8279个分子标记并结合性状-标记全基因组关联技术,对南方麦区小麦地方种质进行苗期条锈病抗性关联分析,共获得19个与苗期反应型显著(-log10(P)?≥?3.0)关联的标记、涉及17个QTL区段,分布于1A、1B、2A、2B、3B、4A、5B、6A、6B、7B和7D染色体,可解释表型变异率为8.71%-17.94%。其中,位于6A染色体上的QYr ITs.sicau-6A.1具有最大的遗传效应,可解释表型变异率达到17.94%;而位于7D染色体上的QYr ITs.sicau-7D具有较低的遗传效应,可解释表型变异率为8.71%。结合已构建的条锈病抗性基因一致性遗传图谱分析发现,QYr ITs.sicau-3B.2和QYr ITs.sicau-6A.2区段可能是潜在的控制小麦苗期条锈病抗性的新QTL区段。5、以多环境下成株期条锈病菌侵染型、最大严重度(final disease severity,FDS)和病程曲线下面积(area under the disease progress curve,AUDPC)为目标性状,基于获得的分子标记进行全基因组关联分析,对南方麦区小麦地方种质进行成株期条锈病抗性关联分析,共获得了144个与最大严重度显著关联的分子标记,其中22个显著关联分子标记可在2个以上环境中检测到;185个与病程曲线下面积显著关联的分子的标记,其中41个显著关联分子标记可在2个以上环境中检测到;34个与侵染型显著关联的分子标记,其中2个显著关联分子标记可在2个以上环境中检测到。这些在多环境下显著关联的分子标记涉及15个QTL区段,分布于1A、1B、2A、2B、3B、4A、5B、6A、6B、7B和7D染色体,可解释表型变异率为8.23%-23.77%。其中,位于5B染色体上的QYr.sicau-5B.1具有最大的遗传效应,可解释表型变异率达到23.77%;而位于1B染色体上的QYr.sicau-1B.4具有最低的遗传效应,其可解释表型变异率为8.33%,结合已构建的条锈病抗性基因一致性遗传图谱分析发现,QYr ITa.sicau-6A和QYr AUDPCa.sicau-6A可能是潜在的控制小麦成株期条锈病抗性的新QTL区段。6、以条锈病菌诱导环境下产量相关性状(有效分蘖、穗长、小穗数、小穗粒数、穗粒数、穗粒重和千粒重)为目标性状,对条锈病诱导环境下南方麦区小麦地方种质产量相关性状进行全基因关联分析,分别获得了28个与有效分蘖、8个与穗长、20个与小穗数、21个与小穗粒数、9个与穗粒数、18个与穗粒重、14个与千粒重的显著关联的分子标记,涉及20个QTL区段,分布于1B、2A、2B、3A、4B、5B、6A、6B、6D和7B染色体,可解释表型变异率为8.47%-15.98%。其中,位于3A染色体上的QKNS.sicau-3A.1具有最大的遗传效应,可解释表型变异率达到15.98%;而位于6B染色体上的QSN.sicau-6B.1具有最低的遗传效应,可解释表型变异率为8.47%。
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