作物学报ACTA AGRONOMICA SINICA 2010, 36(1): 92−100 www.chinacrops/zwxb/ ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9E-mail: xbzw@chinajournal
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2010.00092
大豆光合气体交换参数的QTL分析
印志同1,2宋海娜1孟凡凡1许晓明3喻德跃1,*
1 南京农业大学国家大豆改良中心/作物遗传与种质创新国家重点实验室, 江苏南京210095;
2 江苏沿江地区农科所, 江苏南通226541;
3 南京农业大学生命科学学院, 江苏南京210095
摘要: 光合气体交换参数是用来表示植物光合能力的常用指标。利用来自大豆品种科丰1号和南农1138-2的重组
香精英文
自交系群体NJRIKY (184个家系)及其分子遗传图谱, 通过两年盆栽试验定位与光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度
和蒸腾速率有关的QTL。结果表明, 4个参数的遗传力中等偏低, 在0.48~0.60之间; 两两间存在极显著正相关关系, 相关系数在0.192~0.686之间; 两年共检测到15个QTL, 分别位于C1、C2、D2、E、H、I和O连锁群上, LOD值在2.25~6.31之间, 贡献率为4.80%~12.30%; 有6个QTL在不同环境下稳定表达, 它们分别是控制光合速率的qPnC1.1、控制气孔导度的qSCD2.1和qSCI.1、控制胞间CO2浓度的qCiI.1和qCiO.1, 以及控制蒸腾速率的qTrO.1; 检测到4个同
时控制两个或两个以上参数的标记区间, 它们分别是C1连锁群上控制光合速率和气孔导度的sat_311~sct_191区间, E
连锁群上控制光合速率、气孔导度和胞间CO2浓度的sat_172~satt268区间, I连锁群上控制气孔导度和胞间CO2浓度的satt726~satt330区间, 以及D2连锁群上控制气孔导度和胞间CO2浓度的sat_296~sat_277区间。
关键词: 大豆; 光合作用; 气体交换参数; RIL群体; QTL分析
QTL Mapping for Photosynthetic Gas-Exchange Parameters in Soybean YIN Zhi-Tong1,2, SONG Hai-Na1, MENG Fan-Fan1, XU Xiao-Ming3, and YU De-Yue1,*
1 National Center for Soybean Improvement / National Key Laboratory of Crop Genetics and Germplasm Enhancement, Nanjing Agricultural Univer-sity, Nanjing 210095, China;
2 Jiangsu Yanjiang Institute of Agricultural Sciences, Nantong 226541, China;
3 College of Life Sciences, Nanjing Agri-cultural University, Nanjing 210095, China
Abstract: Photosynthesis plays an important role in yield forming in crops. Photosynthetic gas-exchange parameters have been widely ud to reflect the photosynthetic capacity of plant. The prent study aimed to identify QTLs associated with gas-exchange parameters in soybean. Pot experiments were carried out in two successive years to evaluate the photosynthetic rate, stomatal conductance, intercellar CO2 concentration and transpiration rate at R6 growth stage in 184 recombinant inbred lines (RILs) derived from a cross between Kefeng 1 and Nannong 1138-2. The RILs showed transgressive gregation in the parame-ters with low to middle broad heritability, which ranged from 0.48 to 0.60. A total of 15 QTLs located on ven linkage groups (LGs) were identified, and explained phenotypic variation ranging from 4.80% to 12.30% with the LOD score from 2.25 to 6.31. Three QTLs for photosynthetic rate were located on LGs C1, E, and O; four QTLs for stomatal conductance located on LGs C1, D2, E, and I; five QTLs for intercellular CO2 concentration located on LGs C1, D2, E, I, and O; three QTLs for transpiration rate located on LGs C2, H, and O. Six QTLs were detected in both environments, including qPnC1.1 (between markers sat_311 and sct_191) for photosynthetic rate, qSCD2.1 (flanked by sat_296 and sat_277) and qSCI.
1 (flanked by satt726 and satt330) for stomatal conductance, qCiI.1 (flanked by satt726 and satt330) and qCiO.1 (flanked by satt94 and sat_291) for intercellular CO2 concentration, qTrO.1 (flanked by BE801128 and satt345) for transpiration rate. Some QTLs for different traits were found to locate in same regions on LGs. Four genomic regions were detected to be associated with veral parameters simultaneously, such as, marker interval between sat_311 and sct_191 on LG C1 for photosynthetic rate and stomatal conductance with positive alleles from Nannong 1138-2; marker interval between sat_172 and satt268 on LG E for photosynthetic rate, intercellular CO2 concentra-tion, and stomatal conductance with positive alleles from Kefeng 1; marker intervals between sat_296 and sat_277 on LG D2 and between satt726 and satt330 on LG I for stomatal conductance and interncellular CO2 concentration with positive alleles from Nanong 1138-2 and Kefeng 1, respectively. No common QTLs that expresd stably across genotypes were found in this study. This implied that the genetic mechanism of photosynthetic gas-exchange parameters is complex in soybean, and further studies 本研究由国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2006AA10Z1C1)和国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2004CB117206)资助。
*通讯作者(Corresponding author)：喻德跃, E-mail: dyyu@njau.edu; Tel: 025-********; Fax: 025-********
第一作者联系方式: E-mail:
Received(收稿日期): 2009-04-13; Accepted(接受日期): 2009-07-25.
第1期印志同等: 大豆光合气体交换参数的QTL分析93 should be performed with more soybean mapping populations in future.
Keywords: Soybean; Photosynthesis; Gas-exchange parameter; RIL population; QTL analysis
作物干物质的95%来自光合作用。提高光合作用实现作物增产, 一直是国际光合作用研究和作物遗传育种等领域关注的热点[1-3]。大豆光合速率与产量间存在正相关[4-6], 在大豆产量改良中, 也的确出现了光合速率同步改良的现象。Ojima[7]报道日本高产大豆的育种和选择导致品种具有较大的叶片光合速率。Buttery等[8]测定了30年间加拿大育成和推广的21个品种, 结果表明产量和其他农艺性状的选择均导致较高的光合速率。张性坦等[9]研究发现, 创造高产记录的大豆品种诱处4号具有高光效生理特点, 光合和抗光抑制能力强。
光合速率(photosynthetic rate)、气孔导度(stomatal conductance)、胞间CO2浓度(intercellular CO2 concentration)和蒸腾速率(transpiration rate)是常用的表示植物光合能力的指标。近年来, 新出现的便携式光合作用系统, 可以通过直接测定活体叶片, 迅速准确地给出包括上述4个参数在内的多个光合气
体交换参数, 在光合作用研究中得到了广泛应用。光合气体交换参数属数量性状。随着现代DNA分子标记技术的发展, QTL定位分析已可以把数量性状变异与基因组上单个座位联系起来, 在新基因的发现以及育种实践方面具有相当重要的利用价值[10-12]。近年来, 已在向日葵[13]和水稻[14-15]等作物中开展了光合气体交换参数QTL的定位研究工作。
大豆光合气体交换参数QTL定位研究的信息很少。仅有Vieira等[16]和崔世友等[17]曾分别利用不同的重组自交系群体作过研究。但光合相关性状是非常复杂的数量性状, 涉及大量基因的表达与调控, 在不同的遗传材料中, 或不同的环境条件下, 起主导作用的基因(QTL)可能不同。对育种利用而言, 只有那些在多数环境和多数遗传材料中都稳定表达的QTL才具有应用价值。本研究利用一套大豆重组自交系群体, 连续两年在盆栽条件下检测与光合气体交换参数有关的QTL, 以期为新基因的发现和分子标记辅助选择的利用提供有价值的标记信息。
1 材料与方法
1.1 试验材料与遗传连锁图
选用大豆杂交组合科丰1号×南农1138-2的重组自交家系群体NJRIKY(F7:11), 包含184个家系。该群体的SSR图谱由Fu等[18]构建, 含221个SSR标记、3个EST-SSR标记、和1个抗SMV基因, 分布在24个连锁群, 总长是 2 625.9 cM, 标记间的平均距离11.7 cM。大多数连锁群与Cregan等[19]和Song等[20]的
图谱一致。该图谱已经被相继用于产量、抗病、耐盐等多个性状的QTL定位研究[18,21-22]。
1.2 盆栽试验
2007和2008年在南京农业大学江浦实验站进行盆栽。每塑料盆装土3.0 L。采用完全随机设计, 每家系重复6次, 每重复1盆。为了控制环境对表型性状测定的影响, 根据前3年记载的各材料的熟期, 将试验材料分为3组。分期播种以保证所有材料在采集表型数据时处于类似的生育阶段。2007年的播种日期分别为5月8日、15日和22日, 2008年为5月12日、19日和26日。每盆种9粒, 出苗后7 d, 定苗至1株。在试验材料的生长过程中, 保证充足的营养和水份供应, 以消除营养匮乏和干旱造成的不良影响。
1.3 气体交换参数测定
在R6时期, 选择连续两个晴朗的早晨, 在9:00至11:30之间, 随机选每家系2株, 用LI-6400光合测定仪(Li-Cor Inc., Lincoln, NE, USA)测定光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率等参数。测定部位为倒三复叶中间叶的中部。因测定样品数目较大, 选用两台同型号读数在误差范围之内的光合测定仪同时测定, 以缩短测定间隔, 减少外界环境变化的影响。测定时叶室内光强设定为1 200 μmol m−2 s−1, CO2浓度同外界大气浓度, 叶片温度在25~30℃之间。
1.4统计分析与QTL定位方法
用SPSS 17.0的相应程序完成性状的方差分析、相关分析、描述统计。方差组分分解为家系、年份、家系和年份互作, 其中家系和年份作为随机效应。对家系进行两年合并方差分析, 遗传率h2=σg2/σp2, 其中, σg2 =(σv2–σvy2)/ry, σp2=σg2+σge2/y+σe2/ry, σge2= (σvy2–σe2)/r, σv2是家系方差, σvy2是家系与年份互作方差, σe2是误差方差, r是试验重复的次数, y是年份数。
采用Windows QTL Cartographer 2.5的CIM方法[23]定位QTL, 选择模型6, 向前回归方法, 在被检区间选择每侧10 cM的控制窗口。进行1 000次重排获得QTL显著的LOD阈值(P<0.05)[24]。为了能够较多地
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作 物 学 报 第36卷
检测到可能存在的QTL, 更加全面地考察各性状间的遗传关系, 在结合重排试验的基础上, 人为地将LOD 值阈值设定为2.0。该LOD 阈值也曾被其他研究采用过[17,25-26]。同一性状在同一连锁群上的LOD 峰值相距10 cM 左右, 置信区间重叠者被认为是相同的QTL [23]。
2 结果与分析
2.1 光合气体交换参数的表型变异
光合速率、胞间CO 2浓度、气孔导度和蒸腾速率等性状的表现见表1、表2和图1。在重组自交家系及亲本间, 所有性状均表现出显著或极显著差异; 在年份间, 除蒸腾速率外, 其他性状均达显著或极显著差异; 在与年份间的互作上, 除胞间CO 2浓度外, 其余性状均达极显著水平。科丰1号的光合性能明显优于南农1138-2。所有性状的分布均近似正态
分布, 变异幅度大, 存在明显的超亲分离现象。4个性状的广义遗传力中等偏低, 在0.48~0.60之间。
2.2 光合气体交换参数间的相关
相关分析(表3)表明, 4个光合气体交换参数间存在极显著正相关, 且在不同的年份中表现相同的趋势。光合速率与气孔导度、蒸腾速率间的相关系数较大, 而与胞间CO 2浓度相关系数较小; 气孔导度与胞间CO 2浓度、
蒸腾速率间的相关系数较大; 胞间CO 2浓度与蒸腾速率间的相关系数较小。
崔世友等[17]
也报道了相类似现象。建议在大豆育种上除了可
对光合速率直接选择外, 还可通过提高气孔导度、蒸腾速率和/或胞间CO 2浓度, 间接提高光合 速率。
2.3 光合气体交换参数的QTL 检测
2.3.1 光合速率 共检测到3个控制光合速率的QTL, 分别位于C1、E 和O 连锁群(表4和图2)。其
表1 大豆RIL 群体及其亲本光合气体交换参数的统计
Table 1 General statistics for photosynthetic gas-exchange parameters in soybean RIL population
重组自交系 RILs
亲本 Parents (mean±SD )
性状 Trait
年份 Year
均数 Mean±SD
幅度 Range
峰度 Kurtosis 偏度 Skewness 南农1138-2
Nannong 1138-2
科丰1号 Kefeng 1
t 测验t -test
遗传力h B 22007 16.8±3.35 9.40–24.55–0.7020.03413.3±0.65 18.7±0.853实战经验
光合速率
Photosynthetic rate 2008 20.1±3.10 9.90–27.30–0.107–0.31318.1±0.36 22.0±1.066 3.34**
0.57
2007 237±24 175–289–0.400–0.390246±5 235±3 胞间CO 2浓度 Intercellular CO 2concentration 2008 231±23 163–3060.530–0.220233±6
219±3
3.94**
0.56
2007 0.376±0.152 0.11–0.79–0.5450.4400.239±0.045 0.358±0.0147
气孔导度
Stomatal conductance 2008 0.397±0.137 0.11–0.78–0.4010.1370.304±0.068 0.424±0.0200 2.37*
0.48
2007 6.325±2.396 2.03–11.17–1.0090.225 3.440±0.599 7.383±0.942
蒸腾速率
Transpiration rate
2008 6.260±1.810 1.37–11.59
–0.459
0.157
4.823±0.388 7.637±0.397
muer7.51**
0.60
SD 为标准差; *表示在0.05水平上显著; **表示在0.01水平上显著。
SD : standard deviation; *: significant at the 0.05 probability level; **: significant at the 0.01 probability level.
表2 大豆RIL 群体光合气体交换参数2年数据的联合方差分析
Table 2 Variance analysis of gas-exchange parameters of soybean RILs population in two years
光合速率
Photosynthetic rate 气孔导度
Stomatal conductance 胞间CO 2浓度
Intercellular CO 2 concentration
蒸腾速率 Transpiration rate 变异来源 Source df
a
MS F MS F
MS
Fi have always been with you
MS F 家系间Among line 183 33.50 4.09**
0.068 4.36**1837.28 4.69**14.64 4.28**年份间 Among year 1 1899.93 231.70**0.080 5.10*8053.90 20.56**
0.63 0.18
年份×家系Line ×year 182 8.20 2.72**0.016 1.86**
391.80 1.20 3.42 1.94**误差 Error
367 3.01
0.008
328.81
1.76
a
: 2007和2008年分别调查了183个和184个重组家系的光合气体参数。*表示在0.05水平上显著; **表示在0.01水平上显著。
a
: 183 and 184 RILs were investigated for gas-exchange parameters in 2007 and 2008 respectively. SD : standard deviation; *: significant at the 0.05 probability level; **: significant at the 0.01 probability level.
第1期
印志同等: 大豆光合气体交换参数的QTL 分析 95
图1 大豆RIL 群体光合速率、气孔导度、胞间CO 2浓度和蒸腾速率的频率分布
Fig. 1 Frequency distribution of photosynthetic rate, stomatal conductance, intercellular
CO 2 concentration, and transpiration rate in soybean RIL population
中, QTL qPnC1.1虽具有较小效应, 但却能在不同环境中稳定表达, 该QTL 在环境E1和E2中分别解释
相应表型遗传变异的6.97%和6.69%, 增效等位基因来自亲本南农1138-2。QTL PnE.1和qPnO.1虽具有
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第36卷
洋气的英文名字表3 大豆光合气体交换参数间的相关系数
Table 3 Correlation coefficients among photosynthetic gas-exchange parameters in soybean RIL population
性状 Trait
光合速率 Photosynthetic rate 气孔导度 Stomatal conductance
coio
胞间CO 2浓度
Internal CO 2 concentration
蒸腾速率 Transpiration rate
光合速率 Photosynthetic rate 0.686**
0.305**0.571**
气孔导度 Stomatal conductance 0.665** 0.742**0.712**
胞间CO 2浓度
Intercellular CO 2 concentration 0.192**0.743** 0.343**蒸腾速率 Transpiration rate
0.553**
0.528**
0.363**yinsheng
对角线下为2007年相关系数, 对角线上为2008年相关系数。**表示在0.01水平上显著。
Correlation coefficients for 2008 were listed in upper right, and tho for 2007 in down left; **: significant at the 0.01 probability level.
表4 两个环境下大豆光合气体交换参数QTL 的主要特征
Table 4 Main characteristics of QTLs for photosynthetic gas-exchange parameters in soybean under two environments 性状 Trait QTL
连锁群 Linkage group
标记区间 Marker interval
位置 Position (cM) 置信区间 Confidence interval
LOD 值 LOD peak 贡献率 R 2 (%) 加性效应 Additive effect
E1 (2007) qPnC1.1 C1 sat_311–sct_191 95.61 88.2–103.5 3.74 6.97 –0.897 qPnE.1 E sat_172–satt268 46.91 44.6–61.6 6.35 12.24 1.191 光合速率 Photosynthetic
rate
qPnO.1
O satt331–sat_196
qSCC1.1 C1 sat_311–sct_191 88.31 81.8–94.9 2.74 6.75 –0.040 qSCD2.1 D2 sat_296–sat_277 10.01 0.0–21.6 2.60 11.00 –0.050 qSCE.1 E sat_172–satt268 46.91 44.7–61.9 2.57 5.30 0.036 气孔导度
Stomatal con-ductance
qSCI.1
I satt726–satt330 40.51 27.7–45.6 2.65 5.44 0.036
qCiC1.1 C1 sat_322–satt294
qCiD2.1 D2 sat_296–sat_277 6.01 0.0–21.0 2.29 7.32 –6.618 qCiE.1 E satt268–sat_331
qCiI.1 I satt726–satt330 40.51 30.1–46.4 3.78 7.86 6.827 胞间CO 2浓度
Intercellular CO 2 concentra-tion
qCiO.1
O satt94–sat_291 182.31 173.2–189.2
2.30 5.35 5.639
qTrC2.1 C2 sat_312–satt316 qTrH.1 H satt142–satt302
蒸腾速率
Transpiration
rate qTrO.1 O BE801128–satt345
220.91 211.2–238.6 2.57 5.28 –0.568
E2 (2008) qPnC1.1 C1 sat_311–sct_191 84.31 78.1–91.9 3.58 6.69 –0.811 qPnE.1 E sat_172–satt268
光合速率 Photosynthetic
中文翻译法文rate
qPnO.1
2013考研成绩查询
O satt331–sat_196 31.91 43.9–56.1 6.31 12.30 1.049 qSCC1.1 C1 sat_311–sct_191
qSCD2.1 D2 sat_296–sat_277 6.01 0.0–20.3 2.06 6.75 –0.036 qSCE.1 E sat_172–satt268
气孔导度
Stomatal con-ductance
qSCI.1
I satt726–satt330 44.11 40.7–49.0 3.59 7.31 0.038 qCiC1.1 C1 sat_322–satt294 74.51 72.8–81.4 2.34 5.13 –5.378 qCiD2.1 D2 sat_296–sat_277
qCiE.1 E satt268–sat_331 48.11 44.7–62.4 2.25 4.80 5.230 qCiI.1 I satt726–satt330 44.11 41.1–46.7 4.84 10.08 7.546 胞间CO 2浓度
Intercellular CO 2 concentra-tion
qCiO.1
pondsO satt94–sat_291 182.31 174.6–187.4
3.70 8.63 7.639
qTrC2.1 C2 sat_312–satt316 123.11 120.9–129.1 3.27 6.34 0.473
qTrH.1 H satt142–satt302 21.91 13.2–29.0 2.96 6.35 0.460 蒸腾速率
Transpiration
rate
qTrO.1
O BE801128–satt345
220.91 214.6–233.7
5.07 9.90 –0.581
E1: 2007年盆栽环境; E2: 2008年盆栽环境。加性效应为正值表示增效基因来自科丰1号; 加性为负值表示增效基因来自南农1138-2。 E1: the environment which pot experiments were carried out in 2007; E2: the environment in which pot experiments were carried out in 2008.
Positive additive effects mean that high values of the trait were inherited from Kefeng 1; negative additive effects mean that high values of the trait were inherited from Nannong 1138-2.
