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生菜资源表型性状变异及其与SSR标记的关联分析_王书珍.pdf

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生菜资源表型性状变异及其与SSR标记的关联分析_王书珍.pdf

书北方园艺2018(05)1-6 Northern Horticulture研究论文第一作者简介王书珍(1984-),女,博士,副教授,现主要从事植物遗传学等研究工作。E-mailwangshuzhen04@163.com. 责任作者汪爱华(1979-),女,博士,高级农艺师,现主要从事叶类蔬菜品种筛选和种质改良等研究工作。E-mailwangaihualt@163.com.基金项目湖北省自然科学基金资助项目(2015CFC816);国家大宗蔬菜产业技术体系试验站资助项目(CARS-23-G-26);大别山特色资源开发湖北省协同创新中心团队资助项目(2015TD07)。收稿日期2017-10-30doi10.11937/bfyy.20173155生菜资源表型性状变异及其与SSR标记的关联分析王 书 珍1,王 斌 才2,黄 兴 学2,李 志 良1,周 国 林2,汪 爱 华2(1.经济林木种质改良与资源综合利用湖北省重点实验室,黄冈师范学院 生命科学学院,湖北 黄冈438000;2.武汉市农业科学技术研究院 蔬菜科学研究所,湖北 武汉430065)摘要从世界范围内搜集的300多份生菜资源中筛选30份优质资源作为研究对象,调查12个表型性状变异,并进行SSR分子标记分析,探究表型性状与SSR标记之间的相关关系,以期为生菜分子标记辅助育种提供参考依据。结果表明调查的30份资源表型性状均存在极显著差异,平均变异系数最大的为株幅(40.256%)。12个表型性状将30份生菜资源分成两大类,30份资源的遗传距离变化范围为0.083~0.667。14个多态性EST-SSR标记在30份生菜资源中扩增的条带数为3~8,HO和HE的平均值分别为0.156和0.680,PIC值变化范围为0.466~0.771。同样,14个标记将30份资源分成两大类,30份资源间的遗传距离为0.032~2.629,表型性状聚类结果与SSR标记聚类结果不相关。以单一性状聚类结果与SSR标记聚类结果进行相关性分析,大部分标记均与表型性状有相关性,且大部分引物组合表现为累积效应。关键词生菜;表型性状;SSR标记;关联分析;种质改良中图分类号S 636.202.4 文献标识码A 文章编号1001-0009(2018)05-0001-06生菜(Lactuca sativa L.)属菊科莴苣属一二年生草本,别名叶用莴苣,包括散叶生菜、半结球生菜、结球生菜等,是世界范围内广泛种植食用的低糖、低脂类蔬菜。生菜营养价值极高,富含多种维生素、矿物质、有机酸、核黄素等活性成分,以及具有减肥功效的膳食纤维,能够分解食物中亚硝胺等致癌物质而被誉为“抗癌蔬菜”[1-2]。随着对生菜保健功能认识的深入,人们对其品质的要求逐渐提高,尤其是表型性状。表型性状多为数量性状且受多基因互作影响,且形态学特征与分子标记具有紧密联系[3-4]。EST-SSR(expressed sequence tags-simple sequencerepeat)是从功能基因内开发的标记,具有重复性强、共显性等特点,能够缩小目标性状相关联的分子标记的筛选范围,在动植物的遗传多样性检测、QTL和目标基因定位、遗传连锁图的构建、杂种优势的预测、分子标记辅助育种(molecularmarker assisted selection,MAS)等领域作用重大[5-6]。该研究以30份生菜资源为研究对象,将叶形、株型等数据与SSR分子标记进行关联分析,以期筛选与表型性状紧密关联的标记位点,为相关基因的克隆和分析做铺垫,也为生菜的种质改良提供参考依据。1 材料与方法1.1 试验材料武汉市蔬菜科学技术研究所2010年开始从世界各地引入300份生菜资源,在前期温室栽培及田间试验的研究基础上,将形态及培育周期差异明显的30份资源作为研究对象。在试验基地(东经11420′,北纬3037′)种植两季,定植株行距为20cm25cm,每个品种种植50~70株,常规日常管理。2016年秋季,每个品种随机选3~5株健康叶片,放入硅胶中干燥,自封袋封存后于-70℃保存并用于SSR标记分析。1.2 试验方法1.2.1 表型形状的调查30份生菜资源(标号W1~W30),除去病害植株,选取长势一致的植株,每个品种选取10株,连续3个种植期田间观察叶色、叶型、叶形、叶缘、叶边、结球与否、株型、长势。测量株高、株幅,统计叶片数,测定最大叶面积,每份资源统计10个个体的平均值。1.2.2 基因组DNA提取及PCR扩增采用改良的CTAB法提取生菜基因组DNA,1%琼脂糖凝胶电泳检测完整度,经紫外分光光度计测定DNA的浓度,并将DNA浓度稀释至100ngμg-1,于-20℃保存备用[7]。引物是前期基于NCBI数据库登陆的生菜EST序列设计合成的,挑选其中100对进行扩增,经凝胶电泳分析后,最终筛选出14对多态性高、谱带清晰、重复性好的EST-SSR引物进行试验(表1)。采用10μL的PCR反应体系进行扩增,体系含5μL的2TaqPCR Master mix,100ng基因组DNA,20mmolL-1正反向引物0.1μL,灭菌去离子水补足剩余体积。PCR扩增程序为94℃预变性5min,35个扩增循环(94℃变性30s,最适退火温度下退火40s,72℃延伸40s),最后增加一个7min的72℃延伸阶段。PCR扩增产物采用6%的变性聚丙烯酰胺凝胶电泳检测,统计不同个体的基因型。表1多态性引物信息Table 1 Information of polymorphic primers位点Loci正向引物(5′-3′)Forward primer(5′-3′)反向引物(5′-3′)Reverse primer(5′-3′)退火温度(Tm)Annealingtemperature重复基序Repeat motif等位基因Na观察杂合度HO期望杂合度HE多态性信息含量PICLS-01 ACAAAACCCCTGATAGAA GGAACCATTCAAGGACC 55(TC)24 3 0.360 0.638 0.554LS-02 CTCCATAACCAAAACCTC TTCTTTCGACATGCTTCT 58(AG)25 4 0.083 0.590 0.508LS-03 TGGCAGAAGATGGAGTA CATCATCATCACCACCA 54(ATC)18 4 0.111 0.704 0.630LS-04 CCATAACCAAAACCTCA CTTCTTTCGACATGCTT 54(TC)23 6 0.000 0.691 0.639LS-05 TGCTGATGATACCTGTGA CCACTACTTGTCCCTTT 56(TC)22 5 0.000 0.636 0.553LS-06 TCTAGGACTGGCTCTAC TGATGAAGCTACACGAA 55(CT)23 5 0.000 0.760 0.705LS-07 CTCCATAACCAAAACCT ACTTCTTTCGACATGCT 54(CT)24 3 0.000 0.574 0.466LS-08 GCACTCCACATTACCACC GAAGCCGCTGTTTCCATC 56(GA)21 8 0.233 0.775 0.737LS-09 AACCAAAACCTCAACTC CTTCATTCACTTCTTTCG 53(TC)25 8 0.200 0.815 0.771LS-10 TTGTCTCGTCTCGACCA GTTCTGAAGTAGCCATG 55(AG)23 4 0.043 0.625 0.546LS-11 CCTCCATAACCAAAACCT TTCTTTCGACATGCTTCT 55(TC)23 4 0.680 0.644 0.565LS-12 ACAGATCTCAAACAACCC CCCATACCTTTTCACTC 57(GAT)15 7 0.036 0.795 0.750LS-13 GGGAGATACTACCCTCA TAACCTCTTCAGTTGCC 54(CT)22 3 0.222 0.601 0.489LS-14 TACATCTGGACTTTGTG AGGATTTCTTTGCCTAT 55(AG)21 3 0.115 0.604 0.491平均值Mean - - 4.9330.156 0.680 0.600标准差Standard deviation- 1.769 0.178 0.079 0.1011.2.3 SSR标记与品质性状的关联分析对12个表型性状进行方差分析和聚类分析,计算各性状的平均值、变异系数及重复力(R)[3]。根据电泳图谱条带的有无建立“0/1”二元矩阵有带为1,无带为0。采用并用Arliquin软件计算遗传多样性和连锁不平衡。利用PICCalc 0.6软件2北方园艺3月(上)计算每个标记的多态性信息含量。采用NTSYS2.21软件计算距离系数,聚类分析并建立聚类树状图。根据遗传距离矩阵分析SSR标记位点与形态性状的相关性。2 结果与分析2.1 生菜表型性状变异分析和聚类分析方差分析表明,12个表型性状在30份生菜资源间差异达到极显著水平,表明生菜表型变异大,遗传多样性丰富。株高、株幅、叶片数、最大叶等4个表型性状的变异系数(CV)在20.991%~40.256%,变异最大的为株幅,最小的为叶片数。这4个性状的重复力(R)均比较高,变化范围为0.818~0.997,其中重复力最低的是叶片数,最高的是株幅(表2)。表2各品种间表型性状变异Table 2 Variation of phenotypic traits among different varieties编号Number表型性状Traits平均值Mean value最大值Maximum value最小值Minimum value标准差Standard deviation变异系数(CV)Coefficient of variation/%重复力Repeatability1 株高/cm 15.083 28 7 4.127 27.362 0.9862 株幅/cm2 761.330 1 560 289 306.480 40.256 0.9973 叶片数 22.433 33 14 4.709 20.991 0.8184 最大叶面积/cm2 209.267 324 72 74.853 35.769 0.962叶色多为深绿、绿色、浅绿,其次还有翠绿、暗绿、绿白、深紫红色;叶型多为扇形、长圆形、近圆形,其次为圆形、长扇形、狼耳尖形叶;叶形多为皱缩、微皱、较光滑、特皱缩,其次还有近全缘、近光滑、较皱缩。22份生菜资源的叶缘为全缘,其余8份为近全缘。10份为半结球资源,18份不结球,2份为结球。叶边有折叠、波浪折叠、稀锯齿波浪、稀波浪、密尖刺波浪折叠、微波浪、锯齿波浪、尖刺状、钝齿状、钝尖状波浪折叠等类型。株型6份为散状,19份为紧凑型,5份为较紧凑型。10份资源长势中等,13份长势旺盛,3份特旺盛,4份长势较弱。图112个表型性状聚类结果Fig.1 Clustering results of 12phenotypic traits30份生菜资源被分为两大类,w1、w5、w18等27份生菜被分到第一类中,第二大类仅仅包括w6、w7、w11等3份资源(图1)。在相关系数为0.25处,第一类的27份资源被分为2类,分别包3 第5期北方园艺括20份和7份资源。表型性状相似的资源被聚到一起,聚类结果与地理起源并不完全一致。2.2 SSR引物多态性分析在所设计合成的100个EST-SSR标记中,14个标记是多态性的,扩增条带数为3~8,平均每个位点为4.933(表1)。引物LS0-08和LS-09扩增的等位基因最多,均为8个等位基因。LS-01、LS-07、LS-13、LS-14标记扩增的等位基因最少,仅为3个。观察杂合度(HO)和期望杂合度(HE)的变化范围分别为0.000~0.680和0.574~0.815,平均值分别为0.156和0.680。多态性信息含量PIC值变化范围为0.466~0.771,平均为0.600,PIC值最高的是LS-09位点,最低的是LS-07位点。14个标记将30份资源分成两大类,第一大类仅包括w1和w12等2份资源,其余的28份被聚成第二大类。在相关系数1.43处,第二大类又被分为2类,分别包括23份和5份生菜资源(图2)。图2生菜资源SSR标记的聚类结果Fig.2 Clusteringresults based on SSR markers2.3 表型性状与SSR标记关联分析将表型性状的距离矩阵与SSR分子标记聚类的距离矩阵进行相关性分析,得到拟合方程y=1.310 5x+0.260 9,二者的相关系数为0.042 27,即相关性不显著,14个微卫星位点反映的差异与各材料的表型性状无相关性。将每个表型性状进行聚类,每对引物也进行单独聚类,再将每个表型性状距离矩阵与每对SSR引物聚类的距离矩阵进行相关性分析。在进行的420个两两相关分析中,各表型性状与SSR引物达到极显著相关(P<0.01)水平的引物数在1~5对,相关系数范围为-0.428~0.289。LS-13标记与叶色的相关系数最大,达到-0.428。与叶形和株高性状达到显著相关水平的引物最多,均为5对,分别是LS-01、LS-02、LS-04、LS-08、LS-13和LS-03、LS-05、LS-06、LS-07、LS-10(表3)。仅发现1个EST-SSR标记分别与叶色(LS-13)、结球(LS-01)、叶片数(LS-05)等表型性状显著相关。LS-01引物与叶型、叶形、叶缘、叶边、结球等5个表型性状相关,同样LS-09引物也与叶缘、叶边、株型、株幅、最大叶面积等5个性状相关联。然而,LS-11、LS-12、LS-14等3个引物与12个表型性状均无相关性。3 讨论与结论连锁不平衡(1inkage disequilibrium,LD)是不同基因座位上等位基因的非随机组合,关联分析以连锁不平衡为基础,无须构建作图群体,鉴定群体内目标性状与遗传标记或候选基因关系的分析方法[8]。关联分析已经广泛用于水稻、玉米、大4北方园艺3月(上)表3单一叶形性状与各引物的相关性分析Table 3 Correlation analysis between single leaf shape traits and primer pairs表型性状Traits相关的EST-SSR引物Related EST-SSR primer pairs相关引物数Number of primers单个引物最大相关系数Maximum correlation coefficient of single primer叶色Leafcolor LS-13 1 -0.428叶型Leaftype LS-01、LS-03 2 0.289叶形Leafshape LS-01、LS-02、LS-04、LS-08、LS-13 5 -0.241叶缘Leafmargin LS-01、LS-06、LS-09 3 -0.280叶边LimbLS-01、LS-03、LS-09、LS-10 4 -0.216结球Heading LS-01 1 0.243株型Planttype LS-09、LS-10 2 -0.264长势GrowthLS-02、LS-06 2 -0.250株高Height LS-03、LS-05、LS-06、LS-07、LS-10 5 0.271株幅Scope LS-02、LS-06、LS-09 3 -0.248叶片数Numberof leaves LS-05 1 0.270最大叶面积Thebiggest leaf area LS-09、LS-10 2 0.267麦、鸭、猪等经济物种性状基因的定位研究[9-13]。例如,赖勇等[14]采用连锁不平衡分析在大麦中找到了与株高、穗长、芒长、穗粒数等表型性状紧密联系的SSR位点。然而,对于生菜品质性状与分子标记的关联分析尚鲜见报道。植物数量形状受环境影响较大,表型性状难以准确测量其遗传变异。根据叶色、叶型、叶形、叶缘、叶边、结球与否、株型、长势、株高、株幅、叶片数、最大叶面积的分类,从生菜种质库中抽取表型性状差异显著的30份生菜资源作为参考材料,种植在环境条件一致的苗圃地,且采用完全随机区组设计,最大程度地消除了环境因素造成的个体表型差异。所选生菜资源的表型性状存在丰富的遗传多样性,其中株高、株幅、叶片数、最大叶面积等4个表型性状的变异系数为20.991%~40.256%,且各性状在不同功能材料间存在极显著差异,4个性状的重复力(R)均大于0.800,即此4个性状中遗传因素占主导地位。14个位点的等位基因数平均为4.933,PIC值变化范围较大(0.466~0.771),即所检测的生菜资源遗传变异比较丰富。刘超[15]采用35个SSR标记与44个表型性状的关联研究中,相关系数达到0.729 5,即极显著相关性。该研究中,叶形和株高2个性状均与LS-03点紧密关联,且表现为累积效应,表明该性状受多基因共同作用。叶色性状与LS-13标记的相关系数达到-0.428,因此开发更多的额标记进行范围的基因组扫描和表型性状关联分析仍需进行。该研究对于生菜表型性状目的基因的克隆,以及生菜种质资源的育种和品质性状改良意义重大。然而,关联位点与性状间关系及作用机理和方式尚不清楚,需后续的深入研究。参考文献[1]JAMIE P,SALTVEIT M E.Postharvest changes in brocco-li 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