二倍体马铃薯耐盐相关基因的定位与分析

【作者】 王瀚祥； 熊兴耀； 李广存； 徐建飞； 卞春松； 段绍光； 王万兴； 金黎平；

【机构】 中国农业科学院蔬菜花卉研究所/农业农村部薯类作物生物学和遗传改良重点实验室； 中国农业科学院深圳农业基因组研究所；

【摘要】 马铃薯(Solanum tuberosum L.)作为全球第三大作物,具有单产高、营养丰富、粮菜兼用、产业链长等特点。据FAO统计, 2020年中国马铃薯种植面积为421.8万hm2,总产量为7 823.7万t,产量和面积均居世界首位。然而中国马铃薯优势产区存在大面积盐渍化土壤,严重影响马铃薯生产。挖掘马铃薯耐盐基因,解析耐盐分子机制,进而培育耐盐新品种,可以有效提升中国耕地利用率,增加粮食产量。目前,马铃薯耐盐基因的研究多基于模式植物中同源基因的功能验证,通过遗传定位耐盐基因鲜有报道。通过全基因组重测序和关联分析技术定位了2个马铃薯耐盐主效QTL,为马铃薯耐盐种质创新提供了基因资源和理论基础。在多年生产实践中发掘二倍体盐敏感材料HS66和耐盐材料CE125,并以二者为亲本构建了耐盐分离群体。用上述群体中171个株系为试验材料,在MS培养基中预生长25 d,将试管苗中间2～5节剪成1 cm并带一叶片的茎段,分别接种到含100和0 mmol/L NaCl的MS培养基中,每瓶5株,每瓶为1次重复,重复3次,采用随机区组设计。胁迫处理20 d后测量株高、根鲜重、茎叶鲜重和总鲜重4项指标。使用加权隶属函数和聚类分析法对群体进行耐盐性分级。随后对双亲和171份子代材料开展全基因组重测序,通过关联分析的方法定位耐盐性状的QTL。供试材料于100 mmol/L NaCl胁迫处理20 d后,大部分株系株高、根鲜重、苗鲜重、总鲜重和根冠比5个性状受到抑制,平均降幅分别71.2%、 86.2%、 60.1%、 58.0%和68.1%。对后代中各相对性状进行样本配对方差分析,结果显示5个性状各株系处理组与对照组,各株系间差异均达到显著水平(P<0.05)。最终,综合加权隶属函数和聚类分析的结果,筛选出6个极端耐盐株系, 19个极端盐敏感株系。随后对亲本和171份子代材料进行20×和5×重测序,分别以父母本bin-marker为基础进行物理图谱绘制。父本CE125图谱包含1 590个bin-marker,标记密度为467.13 Kb,平均每个染色体包含132个标记。母本HS66图谱包含2 131个bin-marker,标记密度为为345.46 Kb,平均每个染色体包含177个标记。使用关联分析的方法在父本图谱上关联到位于1号和12号染色体上的2个主效QTL:stg-c011(表型解释率17%,物理距离2.77 Mb)和stg-c121(表型解释率13%,物理距离1.14 Mb)。为缩小遗传区段,以亲本间差异较大的株高、苗鲜重和总鲜重3个性状构建极端混池,使用FST方法进行QTL定位,结果与关联分析一致。以信号峰双侧500 Kb为候选区段设计InDel和SSR标记,在1号染色体开发出分子标记28对(23对InDel, 5对SSR), 12号染色体开发出7对(4对InDel, 3对SSR),两区段标记联合解释群体耐盐表型的符合度高达90%,盐敏感表型符合度高达95%。研究优化了马铃薯耐盐性离体鉴定体系;筛选出6个极端耐盐株系, 19个极端盐敏感株系;构建了2张高密度物理图谱;定位了两个耐盐性主效QTL,分别于1号和12号染色体上;开发了35对与该群体耐盐性关联的分子标记。研究结果不仅对挖掘马铃薯耐盐基因及解析分子调控机制具有重要意义,同时为耐盐种质创新提供理论依据。更多还原