玉米灰斑病抗性的遗传解析及一个主效QTL的精细定位

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中文摘要：玉米(Zea mays L.)是重要的粮食和饲用作物，还是重要的工业原料作物。玉米灰斑病是一种全球性叶部病害，严重威胁玉米生产。发掘抗灰斑病QTL，对理解灰斑病抗病机制及分子标记辅助选择培育抗病品种有重要意义。本研究利用简化基因组测序(GBS)对两个双单倍体(DH)群体进行基因型分析，构建了高密度分子标记遗传连锁图；基于多个发育时期的灰斑病病级进行QTL(quantitative trait locus)定位，并利用回交群体和关联群体证实并精细定位一个主效QTL。同时，通过性状间表型相关及QTL共定位探索株高及抽雄期对灰斑病抗性的影响。主要结果如下： 1.以高抗灰斑病自交系Q1分别与高感灰斑病自交系Ye478和Zheng58构建两个DH分离群体QY(Q1×Ye478)和QZ(Q1×Zheng58)。在3个环境及3个发育时期(T1、T2和T3)对这两个DH群体的灰斑病抗性进行鉴定发现，3个环境均能提供充分的灰斑病发病压力；并且在T1和T2时期，抗性分离模式基本符合正态分布，T3时期表现出偏向感病的分离模式。在两个DH群体中均发现了双向超亲分离现象，表明灰斑病抗性是由多个数量基因控制的复杂性状。相关性分析显示，在相同环境的不同时期间、不同环境间的灰斑病抗性均表现出极显著的正相关。此外，灰斑病抗性在不同时期的广义遗传力的范围为80.9–90.0%，表明这两个DH群体家系间的差异主要因遗传差异引起。 2.利用GBS技术分别对QY和QZ两个DH群体进行基因分型，分别构建了包含65,012和43,606个标记的遗传连锁图。将完全共分离的标记作为一个“bin”，QY和QZ遗传连锁图上分别有1101和1294个bins，遗传图谱总长分别为1479.4和1872.1cM，相邻bin之间的平均距离分别为1.36cM和1.44cM。 3.基于构建的两个遗传连锁图，对两个DH群体在不同环境及时期的灰斑病抗性分别进行QTL分析，并将具有重叠置信区间且抗性来源相同的QTL整合为一致性QTL。在群体QY中，共鉴定到25个抗灰斑病QTL，分布在1至8号染色体上，单个QTL可以解释表型变异的范围为6.6–26.3%。根据置信区间将这些QTL整合成13个一致性QTL，其中3个能在多个环境及多个时期中鉴定到，3个仅能在多个环境中鉴定到，1个仅能在多个时期鉴定到。位于2号染色体的qGLS_Y2-1和qGLS_Y2-2能在所有环境中鉴定到，前者能解释9.5–22.8%的表型变异，后者能解释9.9–26.3%的表型变异。在群体QZ中，共鉴定到19个抗灰斑病QTL，分布于1、2、3、4及6号染色体上，单个QTL可以解释表型变异的范围为6.1–19.8%。根据置信区间将这些QTL整合成8个一致性QTL，其中3个能在多个环境及多个时期鉴定到，1个仅能在多个时期鉴定到。位于2号染色体的qGLS_Z2-1能在所有环境及时期中鉴定到，能解释6.8–19.8%的表型变异。将来自不同DH群体具有重叠物理区间且抗性来源相同的一致性QTL进一步整合。qGLS_Y2-2和qGLS_Z2-1在群体间共定位，整合为qGLS_YZ2-1，位于2号染色体的5.2–21.7Mb区间(基于参考基因组B73AGPv4)；该QTL能在多个环境中解释超过20%的表型变异，是抗灰斑病的一个主效QTL。qGLS_Y3-1与qGLS_Z3-1及qGLS_Z3-2均在群体间共定位，三者整合为qGLS_YZ3-1，位于3号染色体的57.1–190.4Mb区间(基于参考基因组B73AGPv4)。这两个QTL的抗病等位基因均来自抗病亲本Q1。 4.为了精细定位主效QTLqGLS_YZ2-1，以感病亲本Ye478为轮回亲本，与来自群体QY的多个高抗DH系回交，获得BC3群体；在2018年和2019年分别种植828个和463个BC3单株并多次调查灰斑病抗性，同时利用位于qGLS_YZ2-1置信区间内的15个分子标记对BC3群体进行基因型分析。两年的QTL分析结果都表明该主效QTL真实存在。同时，根据BC3群体的高抗及高感单株的基因型，将qGLS_YZ2-1精细定位至2号染色体的6,895,568至9,323,049bp区域(基于参考基因组B73AGPv4)。 5.选择来自中国西南地区、美国玉米带及墨西哥的遗传材料组建关联群体并进行区域关联分析，在qGLS_YZ2-1定位区间内检测到多个与抗灰斑病关联的标记位点，峰值位于ID-B1。关联分析群体中，在ID-B1位点携带Q1基因型的抗病遗传材料大部分都与热带种质Tuxpeno有关。亲本Q1是由Tuxpeno与S7913杂交选育而来的，表明Q1的抗病等位基因可能来源于Tuxpeno。 6.表型相关分析结果显示，在群体QY中，株高与灰斑病病级之间无显著相关性，抽雄期与灰斑病病级之间存在较弱的负相关；在群体QZ中，株高及抽雄期与灰斑病病级之间均存在较低水平的负相关。QTL分析发现，株高与灰斑病抗性之间仅存在1个共定位的小效应QTL，且该QTL也影响抽雄期。这些结果都表明本研究中株高及抽雄期对灰斑病抗性的影响较弱。本研究解析了高抗灰斑病自交系Q1的抗病遗传基础，并证实且精细定位了一个主效抗灰斑病QTL，为分子标记辅助选育抗病品种奠定了基础，并为进一步克隆抗病基因及解析抗病机制提供了基础。

作者：

杜雷

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关键词：

玉米灰斑病 GBS测序 QTL定位精细定位区域关联分析

授予学位：

博士

学科专业：

作物遗传育种

导师：

刘克德

学位年度：

2020

学位授予单位：

华中农业大学

语种：

中文

中图分类号：