寧海龍白雪蓮李文濱薛 紅莊 煦李文霞,*劉春燕

1東北農(nóng)業(yè)大學(xué)大豆生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 農(nóng)業(yè)部東北大豆生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江哈爾濱 150030;2黑龍江省計(jì)算中心, 黑龍江哈爾濱 150028

大豆四向重組自交系群體蛋白質(zhì)含量與油分含量QTL定位

寧海龍1, 2白雪蓮1李文濱1薛 紅1莊 煦1李文霞1,*劉春燕2

1東北農(nóng)業(yè)大學(xué)大豆生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 農(nóng)業(yè)部東北大豆生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江哈爾濱 150030;2黑龍江省計(jì)算中心, 黑龍江哈爾濱 150028

蛋白質(zhì)和油分含量是大豆重要的育種目標(biāo), 蛋白質(zhì)和油分含量QTL定位和優(yōu)異等位變異的發(fā)掘?qū)Υ蠖狗肿釉O(shè)計(jì)育種具有重要意義。本研究以(墾豐14×墾豐15)×(黑農(nóng)48×墾豐19)衍生的后代株系為材料, 構(gòu)建含有204個(gè)株系的大豆四向重組自交系群體, 利用區(qū)間作圖法, 應(yīng)用前期構(gòu)建的SSR遺傳圖譜, 對(duì)2013、2014和2015年在哈爾濱和克山2地共8個(gè)環(huán)境下的蛋白質(zhì)和油分含量進(jìn)行QTL定位分析。結(jié)果表明, 8個(gè)環(huán)境中檢測(cè)到29個(gè)蛋白質(zhì)含量QTL和39個(gè)油分含量QTL。在所定位的蛋白質(zhì)含量QTL中, 有5個(gè)能夠在2個(gè)以上環(huán)境被定位到, 這些蛋白質(zhì)含量QTL分布在 A1、D2、J、N和O等6個(gè)連鎖群上, 對(duì)表型效應(yīng)的貢獻(xiàn)率為7.65%~20.08%, 其中qPC-A1-1、qPC-D2-1、qPC-J-1和qPC-O-2的貢獻(xiàn)率在10%以上。在39個(gè)油分含量QTL中, 有10個(gè)在多環(huán)境下被重復(fù)檢測(cè)到, 這些QTL分布在8個(gè)(A1、A2、B1、D1b、G、I、J、N)連鎖群上, 對(duì)表型效應(yīng)的貢獻(xiàn)率為7.30%~25.68%, 其中qOC-A2-1、qOC-B1-1、qOC-G-1和qOC-J-1的貢獻(xiàn)率在10%以上。

大豆; 蛋白質(zhì)含量與油分含量; QTL; 四向重組自交系群體; 優(yōu)異等位基因

大豆(Glycine max L.Merr.)是重要的油料和經(jīng)濟(jì)作物, 為人類食用植物蛋白質(zhì)和油脂的主要來源,提高大豆籽粒中蛋白質(zhì)含量和油分含量是大豆品質(zhì)育種的重要研究方向。國(guó)內(nèi)外關(guān)于大豆蛋白質(zhì)含量和油分含量 QTL定位的報(bào)道已有很多。例如, Mehrzad等[1]利用OAC Wallace×OAC Glencoe雜交F4:6RIL單株203個(gè)群體定位 5個(gè)蛋白質(zhì)含量和 11個(gè)油分含量QTL, 分布在B2、D1a、D2、H、K、J、F、L連鎖群上; Pandurangan等[2]用 X3145-B-B-3-15×AC Brant雜交得到F4:5RIL單株201個(gè)群體,共定位4個(gè)蛋白質(zhì)含量QTL, 分別在I、E、C2、D1a連鎖群上; 葛振宇等[3]用TK780×Hidaka 4雜交96個(gè)RILs定位2個(gè)蛋白質(zhì)含量和3個(gè)油分含量QTL, 分布于E、H、I連鎖群上; 林延慧等[4]用齊黃26×滑皮豆雜交F2代分離群體170株, 在2個(gè)地點(diǎn)共定位到4個(gè)與蛋白質(zhì)含量有關(guān)的 QTL, 分布在 D2、E、K連鎖群上。截至目前, 在http://soybase.org/網(wǎng)站里共收集了已經(jīng)定位到的152個(gè)蛋白質(zhì)含量QTL, 188個(gè)油分含量QTL。國(guó)內(nèi)外定位的品質(zhì)性狀QTL數(shù)量雖多,但多是運(yùn)用單一環(huán)境下兩親本衍生的群體定位[9-21]。由于大豆蛋白質(zhì)和油分為數(shù)量遺傳, 受多基因控制,很容易受到環(huán)境的影響, 且 2個(gè)親本的雜交后代在進(jìn)行連鎖分析時(shí)1個(gè)位點(diǎn)涉及2個(gè)等位基因, 所以檢測(cè)效率低。最近, 四向重組自交系群體(four-way recombinant inbred line, FW-RIL)被提出并應(yīng)用于遺傳分析, 與雙親本衍生的自交系群體相比多態(tài)性的標(biāo)記數(shù)量增加, 遺傳圖譜的密度增加, 分子標(biāo)記的多態(tài)性更為豐富, 同時(shí)還可以在 1個(gè)基因位點(diǎn)分析 4個(gè)復(fù)等位基因效應(yīng), 提高QTL檢測(cè)功效[22]。在前期研究中, 我們創(chuàng)制了大豆四向重組自交系群體[23-25]并構(gòu)建了遺傳圖譜[26]。

本研究應(yīng)用前期構(gòu)建的四向重組自交系群體及其遺傳圖譜, 進(jìn)行3個(gè)年份8個(gè)環(huán)境的QTL定位分析, 以期探索多環(huán)境重復(fù)定位的 QTL, 提高主效QTL的真實(shí)性, 并應(yīng)用四向重組自交系群體多等位基因的優(yōu)勢(shì), 探尋有利于蛋白質(zhì)含量和油分含量改良的優(yōu)異等位基因, 為大豆品質(zhì)性狀分子設(shè)計(jì)育種提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 遺傳群體設(shè)計(jì)

用蛋白質(zhì)含量和油分含量差異較大的大豆親本墾豐14 (蛋白質(zhì)含量為39.69%, 油分含量為20.34%)、墾豐 15 (蛋白質(zhì)含量為 38.68%, 油分含量為22.76%)、黑農(nóng)48 (蛋白質(zhì)含量為44.71%, 油分含量為 19.05%)和墾豐 19 (蛋白質(zhì)含量為 42.52%, 油分含量為19.26%) 4個(gè)親本配制雙交組合(墾豐14×墾豐15)×(黑農(nóng)48×墾豐19), F1進(jìn)行雜交, 采用單粒傳方法獲得RIL群體204個(gè)株系。

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2013年在黑龍江省哈爾濱(E1)、克山(E2)進(jìn)行田間試驗(yàn)。2014年在哈爾濱分2個(gè)播期(E3為5月10日、E4為5月30日)種植。2015年在黑龍江省哈爾濱分2個(gè)密度種植(E5為2.22×105株 hm–2、E6為3.08×105株 hm–2)、在克山分 2個(gè)密度種植(E7為2.58×105株 hm–2、E8為3.51×105株 hm–2)。將4個(gè)親本和 FW-RIL在田間種植。采取隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì), 小區(qū)行長(zhǎng)5 m, 壟距65 cm, 株距6 cm, 3行區(qū), 3次重復(fù), 田間管理同一般大田栽培。

1.3 蛋白質(zhì)、油分含量測(cè)定

成熟后, 隨機(jī)取四向重組自交系群體每個(gè)株行 5 株, 利用近紅外谷物品質(zhì)分析儀測(cè)定其蛋白質(zhì)含量和油分含量, 5株的平均值作為該株系的品質(zhì)數(shù)據(jù)。

1.4 SSR標(biāo)記分析

參照2003年Gregan等[27]發(fā)表的大豆公共圖譜,初步挑選了638對(duì)SSR引物在4個(gè)親本之間進(jìn)行多態(tài)性篩選, 其中 275對(duì)引物在 4個(gè)親本之間表現(xiàn)出良好的多態(tài)性。根據(jù)SoyBase網(wǎng)站提供的大豆SSR序列合成引物。利用275對(duì)SSR引物在4個(gè)親本及FW-RIL群體的160個(gè)后代株系上進(jìn)行PCR擴(kuò)增。PCR擴(kuò)增體系含3 μL總DNA (50 ng μL–1)、上下游引物(100 nmol μL–1)各3 μL、0.3 μL dNTPs (10 mmol L–1)、2 μL 10×緩沖液、0.2 μL Taq酶(5 U μL–1)、用超純水補(bǔ)足20 μL。PCR擴(kuò)增條件為94℃預(yù)變性10 min, 進(jìn)入循環(huán): 94℃變性30 s; 50℃復(fù)性30 s; 72℃延伸30 s; 循環(huán)38次后在72℃延伸5 min, 于4℃保存。每個(gè)PCR體系加上8 μL上樣緩沖液, 置PCR儀中變性10 min, 然后放入冰上冷卻。PCR產(chǎn)物在6%的聚丙烯酰胺凝膠上, 1500 W恒功率電泳約1.5 h。用 20 mL酒精(95%)+10 mL冰乙酸+3 mL AgNO3+1500 mL蒸餾水染色10 min, 清水漂洗30 s后放入30 g NaOH+6 mL甲醛+1500 mL蒸餾水顯色5~10 min。

1.5 遺傳圖譜的構(gòu)建

利用 4個(gè)親本配制雙交組合(墾豐 14×墾豐15)×(黑農(nóng) 48×墾豐 19) F1進(jìn)行雜交, 采用單粒傳方法獲得RIL群體160個(gè)株系。構(gòu)建了一張含有275 個(gè)SSR引物、包含20條連鎖群的大豆遺傳圖譜, 該圖譜覆蓋基因組長(zhǎng)度為 3636.26 cM, 標(biāo)記間平均長(zhǎng)度為15.47 cM。每個(gè)連鎖群長(zhǎng)度范圍為49.36~319.02 cM, 標(biāo)記范圍為6~20個(gè)[26]。

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

假定控制某一性狀的QTL位點(diǎn)涉及4個(gè)等位基因, 4個(gè)親本的基因型為A1A1、A2A2、A3A3和A4A4,按照(A1A1×A2A2)×(A3A3×A4A4)方式(圖1)進(jìn)行交配設(shè)計(jì), 可獲得四向重組自交系群體, 在該群體中有4種可能的主基因A1A1、A2A2、A3A3和A4A4。

圖1 四向重組自交系的構(gòu)建Fig.1 Construction of four-way inbred line

群體中第j個(gè)體的表型值向量為yj, 則具有如下統(tǒng)計(jì)模型:

式中, μ為性狀的均值, ai(i= 1、2、3)分別為等位基因型A1A1、A2A2和A3A3的加性效應(yīng), ej為剩余效應(yīng),包括多個(gè)微基因效應(yīng)和誤差效應(yīng), 服從N (0, σ2)。x1、x2、x3為主基因型的指示變量, 具有如下定義:

當(dāng)?shù)任换蛐蜑锳1A1時(shí), x1= 1, x2= 0, x3= 0

當(dāng)?shù)任换蛐蜑锳2A2時(shí), x1= 0, x2= 1, x3= 0

當(dāng)?shù)任换蛐蜑锳3A3時(shí), x1= 0, x2= 0, x3= 1

當(dāng)?shù)任换蛐蜑锳4A4時(shí)。x1= –1, x2= –1, x3= –1

對(duì)于某一個(gè)體, 上述模型為具有x1、x2、x3缺失值的廣義線性模型。依據(jù)第j個(gè)體主基因型, 具有如下條件概率分布:

模型中待估計(jì)的參數(shù)包括 a1、a2、a3和 σ2, 可用 EM 算法實(shí)現(xiàn)的極大似然方法估計(jì), 對(duì)各位點(diǎn)應(yīng)用似然比方法測(cè)驗(yàn)是否存在QTL, LOD取值2.5。統(tǒng)計(jì)方法的詳細(xì)過程在另文中論述。

應(yīng)用以上方法分別對(duì)各環(huán)境的數(shù)據(jù)分析, 檢測(cè)QTL, 本文僅列出能夠在2個(gè)以上環(huán)境中重復(fù)檢測(cè)到的QTL。

2 結(jié)果與分析

2.1 表型數(shù)據(jù)分析

表1 不同環(huán)境FW-RIL蛋白質(zhì)含量和油分含量的描述性分析Table1 Descriptive analysis of protein content and oil content via FW-RIL under different environments

從3年8個(gè)環(huán)境下蛋白質(zhì)含量和脂肪含量的描述性分析(表1、表2和圖2)可看出, FW-RIL間和環(huán)境間的蛋白質(zhì)含量和油分含量存在較大的變異。因此, 可用該群體進(jìn)行 QTL定位研究, 并且從不同環(huán)境定位結(jié)果可能發(fā)現(xiàn)不同的QTL。

表2 8個(gè)環(huán)境間大豆蛋白質(zhì)、油分含量的方差分析Table2 Analysis of variance for protein and oil contents in soybean among eight environments

圖2 不同環(huán)境蛋白質(zhì)含量(A)和油分含量(B)的次數(shù)分布Fig.2 Frequency distribution of protein content (A) and oil content (B) under different environments

2.2 蛋白質(zhì)含量的QTL定位

通過 3年 8個(gè)環(huán)境檢測(cè)到的大豆蛋白質(zhì)含量QTL 29個(gè), 其中能夠在2個(gè)以上環(huán)境被定位的有5 個(gè)(表3)。蛋白質(zhì)含量QTL主要定位在大豆20個(gè)連鎖群中的14個(gè)連鎖群上(表3)。由表3可知, 在E5、E7環(huán)境中, qPC-A1 (Satt200–Satt717)被定位于A1連鎖群上, LOD值為 3.4940~4.1048、PVE值為15.9930~20.0774、加性效應(yīng)值為–0.8268~0.6171, 可提高蛋白質(zhì)含量的優(yōu)異等位基因來自第1、第3、第4親本; 在 E1、E4環(huán)境中, qPC-D2-1 (Sat_222–Satt582)被定位于 D2連鎖群, LOD值為 2.7423~ 2.8453、PVE值為13.3945~15.6086、加性效應(yīng)值為–1.1868~0.658, 優(yōu)異等位基因來自第1、第2、第4親本; 在E6、E8環(huán)境中, qPC-J-1 (Sat_228–Satt431)被定位于J連鎖群, LOD值為3.4441~4.5617、PVE值為 12.1059~12.2272、加性效應(yīng)值為–0.5524~ 0.6731, 優(yōu)異等位基因來自第2親本; 在E3、E7環(huán)境中, qPC-N-1 (Satt022–Satt257)被定位于N連鎖群, LOD值為2.5797~2.9814、PVE值為7.6648~14.6531、加性效應(yīng)值為–0.8871~1.3877, 優(yōu)異等位基因來自第1、第3、第4親本; 在E5、E8環(huán)境中, qPC-O-1 (Sat_291–Satt345)被定位于 O 連鎖群, LOD 值為2.7992~2.8025、PVE值為10.8533~11.4159、加性效應(yīng)值為–0.4602~0.6565, 優(yōu)異等位基因來自第 1、第3、第4親本。

2.3 油分含量的QTL定位

通過3年8個(gè)環(huán)境檢測(cè)到大豆油分含量QTL39 個(gè), 其中能夠在多個(gè)環(huán)境中重復(fù)檢測(cè)到的有 10個(gè)(表4)。油分QTL主要定位在大豆20個(gè)連鎖群中的17個(gè)連鎖群(表4)。由表4可知, 在E3、E4、E7環(huán)境中, qOC-A1-1 (BARCSOYSSR_05_0513–Satt572)被定位于A1連鎖群, LOD值為2.8469~4.4301、PVE值為8.4390~22.7728、加性效應(yīng)值為–0.7304~0.4874,可提高油分含量的優(yōu)異等位基因來自第1、第2、第4親本; 在E2、E3、E4環(huán)境中, qOC-A1-2 (Satt200–Satt717)被定位于 A1連鎖群, LOD值為 2.5813~ 4.4503、PVE值為 7.2959~4.4503、加性效應(yīng)值為4.4503~4.4503, 優(yōu)異等位基因來自第 1、第 2親本; 在E3、E4環(huán)境中, qOC-A2-1 (Satt409–Satt378)被定位于A2連鎖群, LOD值為2.6910~3.4447、PVE值為 13.7897~19.1224、加性效應(yīng)值為–0.4389~0.6528,優(yōu)異等位基因來自第1、第2親本; 在E3、E4環(huán)境中, qOC-B1-1 (Satt583–Sat_123)被定位于B1連鎖群, LOD 值為 2.5185~2.7256、PVE 值為 15.9311~ 16.3363、加性效應(yīng)值為–0.5160~0.7391, 優(yōu)異等位基因來自第2、第4親本; 在E1、E2環(huán)境中, qOC-D1b-1 (Sat_289–Satt271)被定位于 D1b連鎖群, LOD值為2.8077~2.8909、PVE值為 7.7136~13.0461、加性效應(yīng)值為–0.4805~0.5096, 優(yōu)異等位基因來自第 1、第4親本; 在 E3、E4環(huán)境中, qOC-D1b-2 (Satt558–BARCSOYSSR_02_0607)被定位于 D1b連鎖群, LOD值為2.5955~3.7347、PVE值為8.4868~16.2506、加性效應(yīng)值為–0.6789~0.5412, 優(yōu)異等位基因來自第1、第2親本; 在E6、E8環(huán)境中, qOC-G-1 (Satt688–Satt610)被定位于 G 連鎖群, LOD 值為 3.0147~ 3.3701、PVE值為11.2251~13.9448、加性效應(yīng)值為–0.3745~0.5861, 優(yōu)異等位基因來自第2、第4親本;在E3、E4環(huán)境中, qOC-I-1 (Satt562–Sat_420)被定位于 I連鎖群, LOD值為 2.8305~3.0483、PVE值為8.9682~10.4053、加性效應(yīng)值為–0.6765~0.3794, 優(yōu)異等位基因來自第1、第3、第4親本; 在E1、E4環(huán)境中, qOC-J-1 (BARCSOYSSR_16_0566–Sct_065)被定位于J連鎖群, LOD值為2.8304~2.8734、PVE值為10.0901~11.2764、加性效應(yīng)值為–0.5166~0.4224,優(yōu)異等位基因來自第1、第3、第4親本; 在E3、E4環(huán)境中, qOC-N-1 (Satt237–Sat_295)被定位于N連鎖群, LOD值為2.5764~3.7414、PVE值為8.9250~ 14.3721、加性效應(yīng)值為–0.4349~0.5931, 優(yōu)異等位基因來自第1、第2、第4親本。

3 討論

國(guó)內(nèi)外關(guān)于大豆蛋白質(zhì)含量、油分含量QTL的研究日益增多, 研究方法也有所不同, 以往研究多是單環(huán)境分析, 采用較高的 LOD值, 導(dǎo)致相關(guān)的QTL未被檢測(cè)到而丟失數(shù)據(jù); 或采用較低的LOD值,導(dǎo)致檢測(cè)QTL時(shí)可能會(huì)有假陽(yáng)性出現(xiàn)。而本文采用同一地點(diǎn)不同年份、同一年份不同地點(diǎn)、相同地點(diǎn)年份不同密度和相同地點(diǎn)年份密度不同播種期等試驗(yàn)方案涉及的8個(gè)環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn), 雖然包含了年份、地點(diǎn)、密度、播種期的效應(yīng), 但是可看為廣義的環(huán)境, 應(yīng)用多環(huán)境的數(shù)據(jù)聯(lián)合分析, 能增大 QTL的檢測(cè)強(qiáng)度, 準(zhǔn)確估計(jì) QTL的位置和效應(yīng), 更有利于搜索穩(wěn)定的QTL。

關(guān)于四向雜交群體的遺傳圖譜構(gòu)建理論方法已有報(bào)道[28-29], 這些方法適用于四向雜交設(shè)計(jì)的 F1代(four-way F1, FW-F1)(圖1), 但是本文所涉及的FW-RIL與 FW-F1的遺傳世代不同導(dǎo)致遺傳結(jié)構(gòu)也不同, 這導(dǎo)致重組率的估計(jì)方法不同, 其中, FW-F1是根據(jù)2個(gè)雙親F1的基因型結(jié)合后代個(gè)體的基因型估計(jì)重組率[28-29], FW-RIL是根據(jù)4個(gè)親本的基因型結(jié)合后代個(gè)體的基因型估計(jì)重組率。關(guān)于四向重組自交系群體遺傳圖譜構(gòu)建的算法作者已在前文[26]做了初步的介紹。

在FW-RIL群體中, 對(duì)于某一個(gè)QTL, 可能因?yàn)?個(gè)親本可能攜帶的等位基因型數(shù)量有 1、2、3、4 個(gè), 除1個(gè)等位基因沒有遺傳效應(yīng)差異外, 其他3種等位基因數(shù)目可能對(duì)應(yīng)1∶1、1∶2∶1、3∶1和1∶1∶1∶1等 4種遺傳模式。在本文的模型中雖然只是考慮了1∶1∶1∶1的一種情況。在理論上, 可把1∶1、1∶2∶1、3∶1等三種模式看作 1∶1∶1∶1模式的特例, 即當(dāng)其中的 2個(gè)等位基因效應(yīng)相等時(shí),模型即等同于 1∶2∶1的情況; 當(dāng)有2個(gè)等位基因效應(yīng)相等, 同時(shí)另外 2個(gè)等位基因效應(yīng)也相等時(shí),模型即等同于1∶1的情況; 當(dāng)其中的3個(gè)等位基因效應(yīng)相等時(shí), 模型即等同于3∶1的情況。但是在構(gòu)建實(shí)際的統(tǒng)計(jì)方法過程中, 需要對(duì)等位基因的效應(yīng)設(shè)置約束條件。關(guān)于QTL定位的模型選擇需要深入研究, 有待進(jìn)一步完善。

大豆蛋白質(zhì)含量和油分含量受到環(huán)境條件的影響, 為克服環(huán)境對(duì) QTL分析結(jié)果的影響, 檢測(cè)到不同環(huán)境下穩(wěn)定表達(dá)的QTL, 準(zhǔn)確估計(jì)QTL的位置和效應(yīng), 常在多個(gè)環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn), 例如 Fasoula等[5]在1年3個(gè)環(huán)境定位油分含量QTL 48個(gè); Lee等[6]1年3個(gè)環(huán)境定位蛋白質(zhì)含量QTL 16個(gè), 油分含量QTL 10個(gè); Panthee等[7]在2年6個(gè)環(huán)境定位蛋白質(zhì)含量QTL 1個(gè), 油分含量QTL 3個(gè); Rossi等[8]2年2個(gè)環(huán)境共定位4個(gè)蛋白質(zhì)含量QTL, 4個(gè)油分含量QTL。本研究采用區(qū)間作圖法(IM)對(duì)蛋白質(zhì)含量和油分含量進(jìn)行QTL定位, 其中有5個(gè)蛋白質(zhì)含量的QTL在多環(huán)境下被重復(fù)檢測(cè)到, 10個(gè)油分含量的QTL在多環(huán)境下被重復(fù)檢測(cè)到, 可認(rèn)為這些QTL可用于分子設(shè)計(jì)育種。

本研究通過IM作圖法定位在8個(gè)環(huán)境中定位到5個(gè)在2個(gè)以上環(huán)境中重復(fù)表達(dá)的蛋白質(zhì)含量QTL。由于不同親本組合衍生的群體遺傳背景不同, 在親本間具有多態(tài)性的分子標(biāo)記也不同, 導(dǎo)致構(gòu)建的遺傳圖譜不同, 為進(jìn)行不同群體間定位結(jié)果的互相比較和驗(yàn)證, 將本文與前人研究檢測(cè)的QTL根據(jù)所連鎖的標(biāo)記整合到公共圖譜[30], 進(jìn)行目標(biāo)性狀基因的基因組位置的比較。在檢測(cè)到的5個(gè)蛋白質(zhì)含量QTL所在的基因區(qū)域中, 有4個(gè)與以往研究的QTL區(qū)域重合, 有1個(gè)區(qū)域?yàn)楸狙芯渴状味ㄎ坏絈TL。蛋白質(zhì)含量 QTL qPC-A1-1在公共圖譜的基因組位置為51.95 cM (Satt717)~92.88 cM (Satt200), 所在的基因組區(qū)域與已經(jīng)定位的 4個(gè)蛋白質(zhì)含量的QTL[18,13,31-32]和 1個(gè)色氨酸含量的 QTL[33]重疊。qPC-J-1在公共圖譜的基因組位置為 23.91 cM (Sat_228)~78.57 cM (Satt431), 所在的基因組區(qū)域包含已經(jīng)定位的1個(gè)蛋白質(zhì)含量QTL[6]、1個(gè)組氨酸QTL和1個(gè)苯丙氨酸QTL[33]。qPC-N-1在公共圖譜的基因組位置為 92.55 cM (Satt257)~102.57 cM (Satt022), 與1個(gè)蛋白質(zhì)含量的QTL (Chen等, 2007)重疊。qPC-O-1的基因組位置為51.9 cM (Sat_291)~ 59.43 cM (Satt345), 與1個(gè)蛋白質(zhì)含量的QTL重疊[16]。qPC-D2-1在公共圖譜的基因組位置為 53.84 cM (Satt582)~76.69 cM (Sat_222)位曾報(bào)道過在, 所在區(qū)域檢測(cè)到蛋白質(zhì)含量相關(guān) QTL, 但在其臨近兩側(cè)檢測(cè)到了亮氨酸、甲硫氨酸+半胱氨酸的 QTL[33]和蛋白質(zhì)含量QTL[34], 說明該區(qū)域也是蛋白質(zhì)含量QTL富集區(qū)域, 該 QTL可能參與蛋白質(zhì)的代謝, 可認(rèn)為該QTL為新發(fā)現(xiàn)的控制蛋白質(zhì)含量的位點(diǎn), 為分子設(shè)計(jì)育種奠定基礎(chǔ)。

在所定位的 10個(gè)多環(huán)境穩(wěn)定表達(dá)的油分含量QTL中, 有 6個(gè)區(qū)域在以往研究中定位到了油分含量相關(guān)性狀的QTL。qOC-A1-1在公共圖譜的基因組位置為51.95 (Satt200)~92.88 cM (Satt717), 在此區(qū)域內(nèi)已經(jīng)檢測(cè)到8個(gè)油分含量QTL[11,31-32,36-35]。qOC-D1b-1在公共圖譜的基因組位置為131.91 (Sat_ 289)~137.05 cM (Satt271), 在該區(qū)域已經(jīng)定位了一個(gè)油分含量QTL[35]。qOC-D1b-2在公共圖譜的基因組位置為43.91 (Satt558)~55.82 cM (BARCSOYSSR_ 02_0607), 在該區(qū)域已經(jīng)定位了1個(gè)硬脂酸含量QTL[11]和1個(gè)亞麻酸含量 QTL[37]。qOC-I-1在公共圖譜的基因組位置為22.84 cM (Satt562)~98.38cM (Sat_420), 在該區(qū)域已經(jīng)定位了18個(gè)油分含量QTL[18,20,34-35,38-44]、2個(gè)亞麻酸QTL[45]和2個(gè)油酸QTL[11, 45]。qOC-J-1在公共圖譜的基因組位置為 32.09 cM (Sct_065)~44.62 (BARCSOYSSR_16_0566), 在該區(qū)域已經(jīng)定位了 1個(gè)油分含量QTL[45]、1個(gè)亞麻酸QTL和1個(gè)油酸QTL[37]。qOC-N-1在公共圖譜的基因組位置為74.98 (Satt237)~95.00 cM (Sat_295), 在該區(qū)域已經(jīng)定位了2個(gè)油分含量 QTL[16,35]、1個(gè)亞麻酸 QTL、1個(gè)油酸QTL和1個(gè)硬脂酸QTL[45]。有4個(gè)區(qū)域沒有油分含量相關(guān)性狀的QTL定位的報(bào)道, 但是在鄰近區(qū)域卻發(fā)現(xiàn)了油分含量或脂肪酸組分的QTL。qOC-A1-1在公共圖譜的基因組位置為 14.65 (Satt572)~26.81 cM (BARCSOYSSR_05_0513), 所在的區(qū)域未有油分含量 QTL的報(bào)道, 但在其臨近的 3.54~14.37 cM區(qū)域定位到一個(gè)亞麻酸含量 QTL[37], 28.00~31.28 cM區(qū)域定位到3個(gè)油分含量QTL[31, 35, 46]。qOC-A2-1在公共圖譜的基因組位置為 145.57 (Satt409)~ 165.72 cM (Satt378), 所在的區(qū)域未有油分含量QTL的報(bào)道, 但在131.97~145.57 cM區(qū)域定位到一個(gè)亞麻酸含量 QTL[37]。qOC-B1-4在公共圖譜的基因組位置為 84.19 (Satt583)~100.87 cM (Sat_123), 所在的區(qū)域未有油分含量 QTL的報(bào)道, 但在 80.3~82.3cM區(qū)域定位到一個(gè)油分含量 QTL[35]。qOC-G-1在公共圖譜的基因組位置為10.92 (Satt610)~12.54 cM (Satt688), 所在的區(qū)域未有油分含量 QTL的報(bào)道,但在0.84~2.84 cM和20.88~22.88 cM區(qū)域各定位到一個(gè)亞麻酸含量 QTL[34,47]。說明這 4個(gè)油分含量QTL所在該區(qū)域也是油分含量QTL富集區(qū)域, 這些QTL可能參與油脂的代謝, 可認(rèn)為這4個(gè)QTL為新發(fā)現(xiàn)的控制油分含量的位點(diǎn)。

4 結(jié)論

定位到5個(gè)多環(huán)境穩(wěn)定表達(dá)的蛋白質(zhì)含量QTL, 10個(gè)油分含量QTL。

[1] Mehrzad E, Elroy R, Istvan R.Genetic control of soybean seed oil: I.QTL and genes associated with seed oil concentration in RIL populations derived from crossing moderately high-oil parents.Theor Appl Genet, 2013, 126: 403–495

[2] Pandurangan S, Pajak A, Molnar S J.Cober E R, Dhaubhadel S, Hernndez-Sebasti C, Kaiser W M, Nelson R L, Huber S C, Marsolais F.Relationship between asparagine metabolism and protein concentration in soybean seed.J Exp Bot, 2012, 63: 3173–3184

[3] 葛振宇, 劉曉冰, 劉寶輝, 阿部純, 馬鳳鳴, 孔凡江.大豆種子蛋白質(zhì)和油分性狀的 QTL定位.大豆科學(xué), 2011, 30: 901–905

Ge Z Y, Liu X B, Liu B H, Abe J, Ma F M, Kong F J.QTL mapping of protein and oil content in soybean.Soybean Sci, 2011, 30: 901–905

[4] 林延慧, 張麗娟, 李偉, 張禮鳳, 徐冉.大豆蛋白質(zhì)含量的QTL定位.大豆科學(xué), 2010, 29: 207–209

Lin Y H, Zhang L J, Li W, Zhang L F, Xu R.QTLs mapping related to protein content of soybeans.Soybean Sci, 2010, 29: 207–209

[5] Fasoula V, Harris A.Validation and designation of quantitative trait loci for seed protein, seed oil, and seed weight from two soybean populations.Crop Sci, 2004, 4: 1218–1225

[6] Lee S H, Bailey M A, M.Mian A R, Carter Jr T E, Shipe E R, Ashley D A, Parrott W A, Hussey R S, Boerma H R.RFLP loci associated with soybean seed protein and oil content across populations and locations.Theor Appl Genet, 1996, 93: 649–657

[7] Panthee D R, Pantalone V R, West D R, Saxton A M, Sans C E.Quantitative trait loci for seed protein and oil concentration, and seed size in soybean.Crop Sci, 2005, 45: 2015–2022

[8] Maria E R, James O, Liu L J, Dong Z M, Rajcan I.Genetic basis of soybean adaptation to North American vs.Asian megaenvironments in two independent populations from Canadian ×Chinese crosses.Theor Appl Genet, 2013, 126: 1809–1823

[9] Shen Y R, Liu C Y, Jiang Z F, Wang L L, Ma Z Z, Yang Z, Xin D W, Jiang H W, Hu G H, Chen S H.QTL Analysis of stability for oil content in soybean.Mol Plant Breed, 2014, 12: 251–261

[10] Qi Z M, Wu Q, Han X, Sun Y N, Du X Y, Liu C Y, Jiang H W, Hu G H, Chen Q S.Soybean oil content QTL mapping and integrating with meta-analysis method for mining genes.Euphytica, 2011, 179: 499–514

[11] Li H W, Zhao T J, Wang Y F, Yu D Y, Chen S Y, Zhou R B, Gai J Y.Genetic structure composed of additive QTL, epistatic QTL pairs and collective unmapped minor QTL conferring oil content and fatty acid components of soybeans.Euphytica, 2011, 182: 117–132.

[12] Moongkanna J, Nakasathien S, Novitzky W.SSR markers linking to seed traits and total oil content in soybean.Thai J Agric Sci, 2011, 44: 233–241

[13] Lu W G, Wen Z X, Li H C, Yuan D H, Li J Y, Zhang H, Huang Z W, Cui S Y, Du W J.Identification of the quantitative trait loci (QTL) underlying water soluble protein content in soybean.Theor Appl Genet, 2013, 126:425–433

[14] Wang X Z, Jiang G L, Green M, Scott R A, Hyten D L, Cregan P B.Quantitative trait locus analysis of saturated fatty acids in a population of recombinant inbred lines of soybean.Mol Breed, 2012, 30: 1163–1179

[15] Liang H Z, Xu Y L, Yang H Q, Zhang H Y, Dong W, Li C Y, Gong P Z, Liu X Y, Fang X J.Epistatic effects and QTL×environment interaction effects of QTLs for yield and agronomic traits in soybean.Acta Agron Sin, 2014, 40: 37–44

[16] Chen Q S, Zhang Z C, Liu C Y, Xin D W, Qiu H M, Shan D P.QTL analysis of major agronomic traits in soybean.Agric Sci China, 2007, 6: 399–405

[17] Vieira A, Oliveira D, Soares D, Schuster I, Piovesan N, Martinez C A, Barros E G, Moreira M A.Use of the QTL approach to the study of soybean trait relationships in two populations of recombinant inbred lines at the F7and F8generations.J Plant Physiol, 2006, 18: 281–290

[18] Tajuddin W S, Yamanaka N, Harda K.Analysis of quantitative trait loci for protein and lipid contents in soybean seeds using recombinant inbred lines.Breed Sci, 2003, 3: 133–140

[19] Gai J Y, Wang Y J, Wu X L, Chen S Y.A comparative study on segregation analysis and QTL mapping of quantitative traits in plants-with a case in soybean.Front Agric China, 2007, 1: 1–7

[20] Csanadi G, Vollmann J, Stift G, Lelley T.Seed quality QTLs identified in a molecular map of early maturing soybean.Theor Appl Genet, 2001, 103: 912–919

[21] Qi Z, Han X, Hou M, Xin D, Wang Z, Zhu R, Hu Z, Jiang H, Li C, Liu C, Hu G, Chen Q.QTL analysis of soybean oil content under 17 environments.Can J Plant Sci, 2014, 94: 245–261

[22] Xu S.Mapping quantitative trait loci using four-way crosses.Genet Res, 1996, 68: 175–181

[23] 寧海龍, 李柏云, 何月鵬, 吳昊, 白雪蓮, 司敬博, 莊煦, 李文霞.大豆四向重組自交群體單株產(chǎn)量 QTL單標(biāo)記分析.大豆科學(xué), 2016, 35: 160–164

Ning H L, Li B Y, He Y P, Wu H, Bai X L, Si J B, Zhuang X, Li W X.Single marker analysis on QTL conditioning yield per plant in soybean by four-way recombinant inbred lines population.Soybean Sci, 2016, 35: 160–164

[24] 寧海龍, 吳昊, 李文濱, 薛紅, 李柏云, 李琦, 白雪蓮, 李文霞.大豆四向重組自交系群體全生育期QTL的單標(biāo)記分析.大豆科學(xué), 2016, 34: 1081–1084

Ning H L, Wu H, Li W B, Xue H, Li B Y, Li Q, Bai X L, Li W X.Single marker analysis on QTLs controlling maturity period in soybean using a four-way recombinant inbred lines population.Soybean Sci, 2016, 34: 1081–1084

[25] 寧海龍, 梁世鑫, 蔣紅鑫, 李文霞, 薛紅, 李琦, 吳昊, 李文濱,王德亮.應(yīng)用極大似然法分析大豆四向重組自交系群體株高與主莖節(jié)數(shù)的主基因遺傳效應(yīng).大豆科學(xué), 2013, 32: 438–444

Ning H L, Liang S X, Jiang H X, Li W X, Xue H, Li Q, Wu H, Li W B, Wang D L.Genetic effects analysis of major genes underlying plant height and main stem nodes in a soybean fourway recombinant inbred lines population through maximum likelihood method.Soybean Sci, 2013, 32: 438–444

[26] 寧海龍, 李琦, 李文濱, 薛紅, 李柏云, 白雪蓮, 莊煦, 李文霞.大豆四向重組自交系群體遺傳圖譜的構(gòu)建.大豆科學(xué), 2015, 34: 776–781

Ning H L, Li Q, Li W B, Xue H, Li B Y, Bai X L, Zhuang X, Li W X.Construction of linkage map based on a four-way recombinant inbred lines population.Soybean Sci, 2015, 34: 776–781

[27] Cregan P B, Jarvik T, Bush A L, Lark G K.An integrated genetic linkage map of the soybean genome.Crop Sci, 1999, 39: 1464–1490

[28] Tong C F, Zhang B, Shi J S.A hidden Markov model approach to multilocus linkage analysis in a full-sib family.Tree Genet Genom, 2010, 6: 651–662

[29] Jiang B B, Yu S Z, Xiao B G, Lou X Y, Xu H M.Constructing linkage map based on a four-way cross population.J Zhejiang Univ (Agric & Life Sci), 2014, 40: 387–396

[30] Song Q J, Marek L F, Shoemaker R C, Lark K G, Concibido V C, Delannay X, Specht J E, Cregan P B.A new integrated genetic linkage map of the soybean.Theor Appl Genet, 2004, 109: 122–128

[31] Mansur L M, Orf J H, Chase K, Jarvik T, Cregan P B, Lark K G.Genetic mapping of agronomic traits using recombinant inbred lines of soybean.Crop Sci, 1996, 36: 1327–1336

[32] Orf J H, Chase K, Jarvik T, Mansur L M, Cregan P B, Adler F R, Lark K G.Genetics of soybean agronomic traits: I.Comparison of three related recombinant inbred populations.Crop Sci, 1999, 39: 1642–1651

[33] Panthee D, Pantalone V, Saxton A, West D, Sams C.Genomic regions associated with amino acid composition in soybean.Mol Breed, 2006, 17: 79–89

[34] Reinprecht Y, Poysa V, Yu K, Rajcan I, Ablett G., Pauls K.Seed and agronomic QTL in low linolenic acid, lipoxygenase-free soybean (Glycine max L.Merrill) germplasm.Genome, 2006, 49: 1510–1527

[35] Qi Z, Wu Q, Han X, Sun Y, Du X, Liu C, Jiang H, Hu G, Chen Q.Soybean oil content QTL mapping and integrating with meta-analysis method for mining genes.Euphytica, 2011, 179: 499–514

[36] Brummer E C, Graef G L, Orf J H, Wilcox J R, Shoemaker R C.Mapping QTL for seed protein and oil content in eight soybean populations.Crop Sci, 1997, 37: 370–378

[37] Kim H, Kim Y, Kim S, Son B, Choi Y, Kang J, Park Y, Cho Y, Choi I.Analysis of quantitative trait loci (QTLs) for seed size and fatty acid composition using recombinant inbred lines in soybean.J Life Sci, 2010, 20: 1186–1192

[38] Diers B W, Keim P, Shoemaker R C, Fehr W R.RFLP analysis of soybean seed protein and oil content.Theor Appl Genet, 1992, 83: 608–612

[39] Sebolt A M, Shoemaker R C, Diers B W.Analysis of a quantitative trait locus allele from wild soybean that increases seed protein concentration in soybean.Crop Sci, 2000, 40: 1438–1444

[40] Specht J E, Chase K, Macrander M, Graef G L, Chung J, Markwell J P, Germann M, Orf J H, Lark K G.Soybean response to water: A QTL analysis of drought tolerance.Crop Sci, 2001, 41: 493–509

[41] Chung J, Babka H L, Graef G L, Staswick P E, Lee D J, Cregan P B, Shoemaker R C, Specht J E.The seed protein, oil, and yield QTL on soybean linkage group I.Crop Sci, 2003, 43: 1053–1067

[42] Shibata M, Takayama K, Ujiie A, Yamada T, Abe J, Kitamura K.Genetic relationship between lipid content and linolenic acid concentration in soybean seeds.Breed Sci, 2008, 58: 361–366

[43] Palomeque L, Li-Jun L, Li W, Hedges B, Cober E, Rajcan I.QTL in mega-environments: II.Agronomic trait QTL co-localized with seed yield QTL detected in a population derived from a cross of high-yielding adapted ×high-yielding exotic soybean lines.Theor Appl Genet, 2009, 119: 429–436

[44] Tajuddin T, Watanabe S, Yamanaka N, Harada K.Analysis of quantitative trait loci for protein and lipid contents in soybean seeds using recombinant inbred lines.Breed Sci, 2003, 53: 133–140

[45] Bachlava E, Dewey R, Burton J, Cardinal A.Mapping and comparison of quantitative trait loci for oleic acid seed content in two segregating soybean populations.Crop Sci, 2009, 49: 433–442

[46] Rossi M, Orf J, Liu L, Dong Z, Rajcan I.Genetic basis of soybean adaptation to North American vs.Asian mega-environments in two independent populations from Canadian ×Chinese crosses.Theor Appl Genet, 2013, 126: 1809–1823

[47] Panthee D, Pantalone V, Saxton A.Modifier QTL for fatty acid composition in soybean oil.Euphytica, 2006, 152: 67–73

Mapping QTL Protein and Oil Contents Using Population from Four-way Recombinant Inbred Lines for Soybean (Glycine max L.Merr.)

NING Hai-Long1, 2, BAI Xue-Lian1, LI Wen-Bin1, XUE Hong1, ZHUANG Xu1, LI Wen-Xia1,*, and LIU Chun-Yan2
1Key Laboratory of Soybean Biology, Ministry of Education / Key Laboratory of Soybean Biology and Breeding / Genetics, Ministry of Agriculture, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China;2Heilongjiang Province Compute Center, Harbin 150028, China

Increasing protein content (PC) and oil content (OC) are main goals in soybean improvement, so mapping quantitative trait locus (QTL) and mining elite alleles underlying PC and OC are of importance for molecular design breeding in soybean.In this research a four-way recombinant inbred line population derived from double cross (Kenf 14 ×Kenf 15) ×(Hein 48 ×Kenf 19) with 204 lines was used to analyze the data of PC and OC from the field experiments in eight environments across Harbin and Keshan in 2013, 2014, and 2015 by interval map method based on a linkage map constructed in previous research.The 29 PC QTLs and 39 OC QTLs were detected from eight planting environments.Among the twenty-nine PC QTLs, five were detected across over two environments, which distributed on six linkage groups, i.e.A1, D2, J, N and O, with explained phenotypic variation (PVE) ranging from 7.65% to 20.08%.Four of them, i.e.qPC-A1-1, qPC-D2-1, qPC-J-1, and qPC-O-2, showed PVE over 10%.Of the thirty-nine OC QTLs, ten were found in more than two environments, which were located on linkage groups A1, A2, B1, D1b, G, I, J, and N with PVE ranging from 7.30% to 25.68%.Four out of the ten QTLs that included qOC-A2-1, qOC-B1-1, qOC-G-1, and qOC-J-1 had PVE above 10%.

Soybean; Protein and oil content; QTL; Four-way recombinant inbred line; Elite allele

10.3724/SP.J.1006.2016.01620

本研究由 黑龍江省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(C2015007), 黑龍江省省留學(xué)歸國(guó)人員科學(xué)基金項(xiàng)目(LC2016010), 黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(12541z001)和黑龍江省博士后科研啟動(dòng)基金(LBH-Q12152, LBH-Q09165)資助。

This study was supported by the Natural Science Foundation of Heilongjiang Province (C2015007), the Study Abroad Returnees Science Fund of Heilongjiang Province (LC2016010), Science and Technology Research Key Project of Heilongjiang Province Department of Education (12541z001), and Postdoctoral Research Start Fund of Heilongjiang Province (LBH-Q12152, LBH-Q09165).

*通訊作者(Corresponding author): 李文霞, E-mail: liwenxianeau@126.com

聯(lián)系方式: E-mail: ninghailongneau@126.com, Tel: 0451-55191042

稿日期): 2016-03-12; Accepted(接受日期): 2016-07-11; Published online(

日期): 2016-08-11.

URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20160811.0820.008.html