染色体单片段代换系的构建及应用于QTL精细定位

染色体片段代换系(Chromosome Segment Substitution Lines,CSSLs),又称为代换系(Substitution lines,SLs)或导入系(Introgression lines,ILs)。只含一个代换片段的代换系,即单片段代换系(Single Segment Substitution Lines,SSSLs)是理想的代换系。单片段代换系只有代换片段与受体亲本不同,其它遗传背景与受体亲本完全一致,对代换区段中的QTL进行分析时遗传背景干扰很小,有利于QTL的分析,不少学者利用单片段代换系材料对许多QTL进行了鉴定和精细定位,并克隆了一些重要性状的QTL。本文介绍了染色体单片段代换系构建的原理和利用微卫星标记(SSR）进行单片段代换系鉴定的方法,讨论了代换系构建过程中值得注意的问题,并对用染色体单片段代换系进行QTL精细定位做了展望。     

利用染色体片段代换系定位水稻叶片形态性状QTL

水稻叶片形态是理想株型的重要组成部分,控制叶片形态基因的挖掘对于塑造水稻理想株型,实现水稻超高产目标具有重要意义。本研究利用广陆矮4号为受体亲本,日本晴为供体亲本构建的一套染色体片段代换系,对水稻上三叶(倒一叶、倒二叶和倒三叶)形态性状与单株籽粒产量进行了相关性分析,并开展了相关QTL定位。结果表明,除剑叶宽外,水稻上三叶的叶长、叶宽都与单株产量呈极显著正相关。同时,通过单因素方差分析和Dunnett’s多重比较,在两年间重复检测到20个控制叶形的QTL,其中叶长QTL 13个(8个表现正向效应,5个表现负向效应);叶宽QTL 7个(4个表现正向效应,3个表现负向效应)。这些QTL的鉴定为水稻叶形性状的分子改良提供了重要遗传信息。     

利用染色体片段代换系定位陆地棉株高QTL

以陆地棉中棉所36为轮回亲本和海岛棉海1为供体亲本, 构建染色体片段代换系。为了能检测到稳定的株高QTL,将三个代换系群体(BC₅F₃, BC₅F_3:4和BC₅F_3:5)在5个环境中种植,2009年和2010年分别在河南安阳种植BC₅F₃单株、BC₅F_3:4株行, 2011年分别在河南安阳、辽宁辽阳和新疆石河子种植BC₅F_3:4株系。结果表明,在不同群体环境中株高的超亲比例为53.43%~88.97%。从早期构建的总图距为5088.28 cM, 含有2280个SSR标记位点,覆盖26条染色体的遗传连锁图谱中筛选标记,对408个单株进行的SSR鉴定,结果检测到16个株高QTL,分布在10条染色体上。单个QTL解释的表型变异为7.35%~13.17%。有7个QTL在2个以上环境被检测到。与标记MUSS563紧密连锁的qPH-15-19在一个环境中被检测到,在前人的研究中也有报道。这些结果为进一步精细定位QTL、基因克隆、分子辅助选择等研究奠定基础。     

利用东乡普通野生稻染色体片段置换系定位产量相关性状QTL

以东乡普通野生稻和日本晴为亲本构建的染色体片段置换系为研究材料, 2019年分别在北京、山东临沂和江西南昌对分蘖数、穗粒数和粒形等11个产量相关性状进行多环境鉴定,结合染色体片段置换系基因型数据定位水稻产量相关性状QTL。3个环境共检测到68个QTL,包括株高4个、穗长5个、分蘖数2个、一次枝梗数7个、一次枝梗粒数8个、二次枝梗数8个、二次枝梗粒数10个、每穗粒数6个、千粒重7个、粒长8个和粒宽3个; LOD值介于2.50～12.66之间,贡献率变幅为4.67%～27.79%,15个QTL的贡献率大于15%;24个QTL与已报道位点/基因位置重叠,44个QTL为新发现位点; 6个QTL在2个环境能被检测到, 1个QTL qTGW2能在3个环境检测到,且是还未报道的新位点。最后,利用BSA法验证了qPH7、qPBPP8-2和qGW10三个QTL的可靠性。本研究将为后续产量相关性状基因克隆以及进一步解析其遗传基础和分子调控机制奠定基础。     

烟草染色体片段代换系的构建与遗传评价

以综合性状优良的烤烟种质Y3为轮回亲本,抗烟草黑胫病(0、1号生理小种)和赤星病的雪茄烟种质Beinhart1000-1及优质烤烟品种K326为供体亲本,连续回交并结合分子标记辅助选择,构建国内外第一套由256个具有烤烟Y3遗传背景并渐渗有Beinhart1000-1和K326染色体片段株系代换系群体。该群体携带377个代换片段,分布于烟草24条连锁群上。每个株系携带1~5个代换片段,代换片段长度介于0.05~36.88 cM,平均长度7.75 cM。代换片段重叠累加总长度为2922.57 cM,是烟草基因组总长度的2.61倍。代换片段覆盖总长度为1114.32 cM,烟草基因组覆盖率为99.45%。本研究构建的片段代换系可用于烟草基因定位、复杂性状的QTL分析和标记辅助选择育种。     

利用高代回交和分子标记辅助选择构建棉花染色体片段代换系

染色体片段代换系(chromosome segment substitution lines,CSSLs)又叫导入系(introgression lines,ILs),是在相同的遗传背景中导入供体亲本的染色体片段,如果代换系中只含有一个来自供体亲本的染色体片段则称为单片段代换系(single segment substitution lines,SSSLs).本实验利用陆地棉栽培种CCRI221(中棉所45)为受体,海岛棉海1为供体,通过高代同交和分子标记辅助选择相结合的方法,构建了1个由116个家系组成的染色体片段代换系群体.利用分布在棉花基冈组25个连锁群上的276个多态性标记对BC4F1世代进行检测.这些标记覆盖了棉花基因组2 347 cM,占棉花基冈组4 450 cM的52.7%.在每个家系中,代换片段最多的55个,最少的15个,平均32.92个,覆盖棉花基因组180.7～969 cM的,平均覆盖了502 cM.占检测长度(2 347 cM)的21.4%.在各家系中,每个连锁群平均包含0.1～8_3个海岛棉片段,平均覆盖每个连锁群0.2～54.2 cM,占每条连锁群被检测长度0.5-207 cM的10.3%～35.5%.本研究为棉花染色体单片段代换系的创制奠定了基础.     

基于Meta分析构建抗玉米粗缩病的染色体单片段代换系

为发掘玉米粗缩病抗性基因,解析其遗传规律。借助IBM2 2008 Neighbors遗传图谱,整合已报道的92个抗玉米粗缩病QTLs(Quantitative trait locus),通过Meta分析获得24个"一致性"抗病区间。利用生物信息分析,确定抗病区段的物理位置信息,在相关区段对郑58和齐319的全基因组重测序序列分析鉴定出7 142个InDel位点,其中546个含有InDel位点的序列可用于引物开发,进一步通过试验筛选出在郑58和齐319第2,4,5,6,7,8,10号染色体上的多态InDel位点158个。以抗粗缩病玉米自交系齐319为供体亲本,感病优良自交系郑58为受体亲本,利用上述InDel标记辅助选择构建整套染色体单片段代换系材料。为抗玉米粗缩病QTL位点的精细定位提供了可能,也为抗病育种提供新的种质资源。     

野生大豆染色体片段代换系群体中与百粒重关联的野生片段及其候选基因

一年生野生大豆是栽培大豆的祖先,在长期驯化改良过程中,百粒重逐渐增大,阐明该变化的遗传基础,对大豆的进化研究与品种改良具有重要意义。为了解析大豆百粒重驯化的遗传基础,本研究以177份全基因组重测序的野生大豆染色体片段代换系(SojaCSSLP5)为材料,通过3个不同环境的表型评价,检测到13个与大豆百粒重相关的野生染色体片段,均具有减小大豆百粒重的加性效应,变幅为-0.49～-1.19 g,这与野生大豆具有较小百粒重相符。检测到的这些野生染色体片段分布在大豆11条染色体上,可以解释76.70%的表型变异,单个片段表型贡献率变幅为2.45%～15.14%。其中片段Gm03＿LDB＿15和Gm12＿LDB＿46的贡献率超过10%,为大豆百粒重由野生向栽培进化的大效应片段。结合双亲栽培大豆南农1138-2和野生大豆N24852的转录组数据和基因组数据,在这些区段内共预测到13个百粒重候选基因,涉及以下调控植物种子大小的途径:泛素蛋白激酶调控途径、G蛋白信号途径、裂原活化蛋白激酶途径、植物激素途径、转录调控因子途径和HAIKU途径。与前人利用栽培大豆的研究结果相比,本研究检测到13个大豆百粒重...     

构建水稻优良恢复系背景的重叠片段代换系及其效应分析

通过回交程序结合分子标记辅助选择构建了一套以优良籼稻恢复系9311为背景、导入片段来源于粳稻日本晴的代换系群体。该套群体由125个代换系组成,每系含有单一或少量导入染色体片段,导入片段间相互重叠或衔接能覆盖粳稻全基因组。代换系的平均背景回复率为98.4%,导入片段平均长度为20.9 cM,纯合和杂合导入片段分别占水稻基因组的1.4%和0.2%。利用该群体,两年共检测到31个QTL影响水稻穗重、穗长、结实率和秃顶等性状;导入片段QTL对穗重和结实率均起减效作用。该套重叠片段代换系将为重要性状的基因定位、功能鉴定以及籼粳杂交育种研究提供极有价值的遗传材料。     

水稻高秆染色体片段代换系Z1377的鉴定及重要农艺性状QTL定位

株高是水稻重要的农艺性状, 往往与产量相关性状密切关联, 在水稻育种中有重要利用价值。本研究以日本晴为受体、缙恢35为供体亲本, 经表型和分子标记双重选择, 鉴定了一个水稻高秆染色体片段代换系Z1377。Z1377共含有18个代换片段, 平均代换长度为2.95 Mb。与日本晴相比, Z1377的株高、倒一节间至倒四节间长、穗长、一次枝梗数、二次枝梗数、粒长、每穗实粒数、总粒数显著增加; 粒宽显著变细, 有效穗数、结实率显著减少, 但仍达86.75%。用日本晴与Z1377杂交构建的次级F₂群体共检测到16个相关QTL, 分布于第2、第3、第4、第5、第6、第7和第9染色体。其中有8个可能与已克隆基因等位, 如GW2、EUI1、ZFP185等, 另8个如qPH3等尚未见报道。Z1377的株高由一个主效QTL (qPH3)和一个微效QTL (qPH5)控制, 其中qPH3的贡献率达28.59%。而且, 在F₂群体中, 高秆和矮秆基本呈现双峰分布, 经卡平方测验, 符合3∶1分离比, 表明高秆对矮秆显性, 并主要由qPH3负责。这将为该主效基因的精细定位和克隆奠定基础, 同时为进一步选育含2~3个代换片段的中高优良染色体片段代换系并应用于育种奠定基础。     

Improving Fiber Quality Traits of Xinluzao 45 Using Gossypium barbadense Chromosome Segment Substitution Lines

Gossypium barbadense chromosome segment substitution lines could be used as an important germplasm resource for improving fiber quality traits of upland cotton. In this study, we used TM-1 background substitution lines CSSL-122, the Xinjiang upland cotton Xinluzao 45 and hybrid, backcross progeny BC₂F₁ populations comprising 120 individual plants as test materials. Nineteen SSR markers located in Gossypium barbadense chromosomes land inked with fiber length and strength were used to screen out obvious polymorphic primers between the parents. We then traced and detected chromosome segments of Gossypium barbadense in the BC₂F₁ populations. Simultaneously, we compared fiber quality traits of positive plants that contained Gossypium barbadense chromosome segments with non-positive plants in the BC₂F₁ populations. The results showed that two markers, NAU2987 and BNL3145, which were linked with fiber length, could accurately identify the positive plants. In addition, compared with non-positive plants, the increased fiber length and strength of the positive plants were very significant (P < 0.01). Our research suggested that alien Gossypium barbadense chromosome segments significantly improved the fiber quality traits of Xinluzao 45. Thus, the Gossypium barbadense chromosome segment substitution lines will provide a vital theoretical basis and practical reference for improving Upland Cotton fiber quality traits.     

小麦-黑麦代换系间、代换系与易位系间杂交后代染色体易位系的选育

为了选育有经济价值的易位系,探讨小麦-黑麦间产生易位的频率,本研究以小麦-黑麦代换系DS5R/5A和DS6R/6A为母本,以小麦-黑麦易位系克珍(Kezhen)和带有杀配子染色体的代换系DSGC1为父本,分别进行田间杂交。结果表明:DS5R/5A、DS6R/6A与DSGC1(2S)杂交结实率低,平均为27.7%,与克珍(T3B.3R)杂交结实率高于前者,平均结实率为59.3%,二者均好于远缘杂交的结实率,这也表明带有杀配子染色体的亲本影响结实率;对选出的54株DS5R/5A×DSGC1、DS6R/6A×DSGC1杂种后代与80株DS5R/5A×克珍、DS6R/6A×克珍杂种后代进行C-分带、原位杂交和分子标记鉴定后发现,二者的易位频率分别为11.1%和8.8%,并且多为染色体端部小片段易位,这种小片段易位可能是代换系间杂交部分同源染色体交换产生的。此外,也表明杀配子染色体在引起染色体断裂后可发生染色体易位。本研究共获得T5RL.5AS、T5RS.5DL、T5RS.5BL、T6RL.6DS、6RL.6BS以及T6RS.6BL等13个易位系,平均易位频率为9.6%。     

基于染色体单片段代换系的水稻粒形QTL定位

水稻的粒形是影响水稻产量和品质的重要因子之一, 是由多基因控制的数量性状。染色体单片段代换系由于减少了个体间遗传背景的干扰, 已经成为鉴定复杂性状QTL的新型遗传材料。本研究以广陆矮4号为受体,日本晴为供体的119个染色体单片段代换系群体为试验材料,通过单因素方差分析和Dunnett’s多重比较,测验单片段代换系与受体亲本之间粒形的差异,鉴定了代换片段上粒形相关的QTL。以P≤0.001为阈值, 共检测到39个粒形相关的QTL。其中,粒长相关的19个,其加性效应值为0.18~1.06 mm,加性效应百分率为2.40%~14.13%;粒宽相关的14个,其加性效应值为0.09~0.31 mm,加性效应百分率为2.71%~9.15%;粒厚相关的6个,其加性效应值为0.05~0.10 mm,加性效应百分率为2.14%~4.46%。这些QTL的鉴定,为进一步精细定位并克隆相应QTL和高产、优质水稻新品种的分子标记辅助选择奠定了基础。     

A Preliminary Study of Mapping Genes Underlying Complex Traits Based on Chromosome Segment Substitution Lines

Complex traits are the features whose properties are determined by multiple factors, which can be genetic or environmental. Most of economically important characteristics of plants and animals belong to this special category. Hence, identification of genes underlying complex traits is theoretical and applied important. However, the conventional mapping populations with complex genetic background pose major challenge to distinguish the single QTL responsible for phenotypic variation. Paterson et al. （1990） pioneered the research on fine mapping of QTL by substitution mapping method. Nadeau et al. （2000） discussed the construction, applications and advantages of chromosome segment substitution （CSS） lines for dissecting complex traits. Indeed, CSS lines with the controlled genetic noise from genome background are ideal material for studying individual QTL as a Mendelian factor. In flee, CSS lines have been created for QTL fine mapping and further functional research （Ebitani et al., 2005; Xi et al., 2006）.     

利用9311来源的粳型染色体片段代换系定位控制稻米糊化温度的微效QTL

糊化温度(gelatinization temperature, GT)是评价稻米蒸煮与食味品质的重要因素之一, 除受一主效基因控制外, 还受多个微效基因的影响。本研究利用粳稻品种日本晴和籼稻品种9311作为受体和供体来源的一套染色体片段代换系为研究对象, 于2010-2011年连续2年分别于2个环境内种植, 测定各株系稻米的糊化温度(碱消值), 利用t测验与轮回亲本比较。结合高通量重测序技术鉴定各代换系的基因型, 以一年两地检出的极显著差异位点作为一个QTL, 共检测到4个控制GT的微效QTL, 即qGT2-1、qGT7-1、qGT8-1和qGT12-1, 分别位于第2、7、8和12号染色体上。加性效应分析结果显示, 4个QTL的效应值均为负值, 表明来自籼稻品种9311的这4个片段对碱消值的效应均为负效应。其中qGT7-1和qGT12-12个QTL在2年4个环境均被检测到, 遗传效应的趋势也一致, 加性效应贡献率为11.31%~28.95%。以受体亲本碱消值差异最大的代换系N53株系及亲本为材料, 对稻米淀粉精细结构进行分析, 推测支链淀粉中短链含量的减少可能会引起GT的升高。上述结果为进一步精细定位和克隆相应QTL及开展稻米品质改良的分子育种奠定了基础。     

利用陆地棉置换系进行海岛棉主要性状基因的染色体定位

 利用海岛棉染色体置换陆地棉一对染色体或染色体臂的置换系,进行主要农艺性状、抗黄萎病性和纤维品质基因染色体定位。结果表明,海岛棉1号染色体可以增加株高;16、17、18、4号染色体携带降低铃数基因;22Lo、22Sh、16、11Sh、26Lo号染色体可以提高衣分;大部分染色体降低铃重。16、26Lo染色体可以增强抗黄萎病性。对纤维品质性状分析表明,14Sh、26Lo号染色体可以提高纤维长度;14Sh、15Sh号染色体可以提高强度;4号染色体可以降低麦克隆值;22Sh、16、22Lo、11Sh号染色体可以提高伸长率。推测这些染色体上可能具有对应性状的基因。