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蓝粒小麦异染色体系的鉴定与蓝标不育系创制认领

作者：

何梓铭

学位授予单位：

南京农业大学

摘要：

小麦(Triticum aestivum L.)是最重要的粮食作物之一。随着全球人口增加及气候变暖,小麦生产受到了更多的挑战。杂交小麦可以综合双亲有利性状,提高小麦抗生物和非生物胁迫能力,实现高产、稳产,但由于缺乏简单实用的制种系统,杂交小麦尚难以大规模产业化。来源于小麦近缘物种的蓝粒基因不仅易于识别,且表现胚乳直感,有剂量效应,可作为籽粒标记应用于杂交小麦制种系统研究。通过近十年的染色体工程和杂交育种,南京农业大学细胞遗传研究所育成了233份农艺性状改良的蓝粒小麦异染色体系,其蓝粒基因涉及百萨偃麦草和河东乌麦,本研究综合细胞遗传、分子标记、表型鉴定和RNA-seq分析,对这些小麦蓝粒异染色体系进行了准确鉴定,明确了其染色体组成、表型性状及基因表达特点,并选育出综合性状优良的蓝粒小麦异染色体系,比较了百萨偃麦草蓝粒基因BaThb和十倍体长穗偃麦草Ba1基因及其定位区段的共线性,并应用其中的两个蓝粒异染色体系创制了2份蓝标不育系,取得的主要结果如下: 明确了河东乌麦为小麦-十倍体长穗偃麦草二体异代换系DS4Ag(4D)。在233份蓝粒材料中共发现15种小麦异染色体系,包括2种异代换系,6种异附加系,5种易位系以及2种复杂变异。其中利用扬麦6号、扬麦158和烟农19连续回交三代的小麦-百萨偃麦草蓝粒异染色体系综合性状良好,并选育出了同时包含BaThb和Ba1两个蓝粒基因的深蓝粒小麦多重异染色体系DA4Ag-T4JL-4DS·4DL以及包含T1RS·1BL的小麦蓝粒代换系DS4Ag(4D)。为快速准确鉴定蓝粒小麦异染色体系,开发了一个包含十条探针的偃麦草属基因组寡核苷酸探针套,综合ONPM#7顺序FISH,鉴定出一个新的小麦-十倍体长穗偃麦草蓝粒小片段易位系T4DS·4DL-4Ag L,通过特异分子标记扩增,准确鉴定了染色体4Ag和4D的易位断点,同时发现该易位可能仅携带了4Ag染色体上的蓝粒基因成员Th MYC4E,缺少另一成员Th MYB1,而这可能是该易位籽粒蓝色较浅的重要原因。表型调查显示,T4DS·4DL-4Ag L由于仅包含较小的外源片段,综合性状较河东乌麦及其它二体代换系DS4Ag(4D)明显改善,是高产蓝粒小麦育种的新种质。结合表型鉴定及转录组测序分析发现,百萨偃麦草染色体4JL·4JL的导入具有显著降低小麦株高、有效分蘖、穗长及有效小穗数的效应,同时,该外源染色体的导入还对小麦茎节间和籽粒基因表达产生了很大的影响。在茎节中共发现了668个小麦差异表达基因,其中蓝粒系相对于白粒系上调基因297个,主要富集到活性氧响应及细胞对水杨酸的刺激等条目,下调基因371个,显著富集到了赤霉素响应及木质素生物合成等条目,4JL染色体特异表达转录本2530个,主要富集在热激反应、信使核糖核酸转运、翻译延伸及过氧化物酶体裂殖等条目。对开花后21天籽粒糊粉层转录组测序分析发现1610个小麦差异表达基因,其中蓝粒种子较白粒种子上调基因1202个,主要富集到光响应相关条目,下调表达基因408个,主要富集到生长素激活信号相关条目,4JL特异表达转录本2314个,其中表达量最高的5个转录本注释结果均为花青素合成相关的b HLH(MYC)转录因子,其余转录本主要富集到了磷脂酰丝氨酸生物合成过程、盐胁迫反应的调节和光响应等条目。利用鉴定出的蓝粒小片段易位系T4JL-4DS·4DL和T4DS·4DL-4Ag L等,从细胞学、分子标记及基因序列三个水平对包含蓝粒基因的染色体4Ag及4J进行比较分析,发现两条染色体重复序列含量和分布存在很大差异,4Ag及4J染色体结构明显不同;分子标记扩增结果显示,34个位于4J染色体蓝粒基因BaThb区间的特异标记中,仅有7个在十倍体长穗偃麦草和河东乌麦中也能扩增出不同的特异条带,但这些标记在包含Ba1的T4DS·4DL-4Ag L中均无特异扩增,同时,4Ag蓝粒基因区间的89个特异标记在4J上也都无特异扩增。此外,蓝粒基因的两个关键成员在4J和4Ag上的分布位置不同,说明4Ag与4J染色体蓝粒基因区间存在较大的序列和结构差异。对蓝粒基因两个关键成员的序列比较分析发现,MYC转录因子Th R1与Thb HLH均具有8个外显子,蛋白编码序列高度保守,但Thb HLH的启动子区较Th R1多出了730 bp。MYB转录因子Thb MYB2与Th MYB1均有2个外显子,蛋白编码序列高度保守,但启动子区差异较大,仅起始密码子前250 bp序列相似。综合前期研究发现4Ag与4J具有较低的共线性,推测4Ag染色体长臂可能涉及结构重排。源自两个物种的蓝粒基因在编码序列上具有高度的保守性,但启动子区序列的差异可能导致两个基因表达存在差异。利用选育的蓝粒小片段易位系T4DS·4DL-4Ag L与太谷核不育系杂交,综合分子标记、细胞学和育性鉴定,选育出5株不育基因Ms2重组到易位染色体上的蓝标不育易位系Ms2-T4DS·4DL-4Ag L。同时,利用包含T1RS·1BL的蓝粒代换系DS4Ag(4D)与K型不育系杂交,综合细胞学和育性鉴定,育成蓝标K-CMS不育系,为建立简单、高效的杂交小麦制种体系提供了重要的工具材料。

摘要译文

关键词：

小麦异染色体系; 基因差异表达; 杂交小麦; 蓝粒基因; 蓝标不育系

学位年度：

2023

学位类型：

硕士

学科专业：

作物遗传育种

导师：

亓增军

中图分类号：

S512.1[小麦⑨]

学科分类号：

0901[作物学]

D O I：

10.27244/d.cnki.gnjnu.2023.000270