甘蓝型油菜硫苷代谢网络的遗传分析

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甘蓝型油菜是我国的主要油料作物之一。油菜籽榨油后的饼粕含丰富的蛋白质,是良好的天然动物饲料。然而饼粕中的硫苷是一种有害成分,禽畜食用过多的含硫苷的饲料,会对禽畜产生毒害性。另一方面,硫苷的水解产物在油菜营养体中却可以对油菜起保护作用。因此,低硫苷油菜自身的抗虫抗病性随着籽粒硫苷含量的下降也显著的降低,不利于双低油菜的推广和应用。通过遗传育种的方法,培育出高叶片硫苷但低籽粒硫苷含量的材料,具有重要的现实意义。本研究以甘蓝型油菜TNDH群体(Tapidor为母本,Ningyou7为父本)为研究材料,对叶片、籽粒中各个硫苷分量和总量进行QTL定位和整合分析,将遗传学和基因组学的研究方法应用于代谢组学的研究,构建了甘蓝型油菜硫苷代谢网络和控制硫苷的上位性调控网络,揭示了叶片和籽粒硫苷不同的代谢调控机制。同时选出目标QTL位点,通过前景选择及轮回亲本的背景选择,构建了含有目标片段的的近等基因系。主要结果如下:  1、甘蓝型油菜TNDH群体及两亲本的叶片和籽粒硫苷含量的分析。测定了四个不同环境条件下TNDH群体及两亲本的叶片和籽粒硫苷总量和分量。两亲本Tapidor和Ningyou7的叶片和籽粒平均硫苷总量均达到了显著性差异,尤其是脂肪族硫苷,在两亲本间的差异更大。而且Tapidor和Ningyou7的籽粒硫苷总量分别是它们叶片硫苷总量的15倍和20倍。在叶片和籽粒两器官中,Ningyou7硫苷总量分别是Tapidor硫苷总量的2.5倍和4倍。TNDH群体的叶片和籽粒中三种类型硫苷和硫苷总量呈现连续的偏态分布,这表明该硫苷性状受多种基因的控制。  2、甘蓝型油菜叶片和籽粒硫苷QTL的检测与分析。利用MetaNetwork软件对四个不同环境下的叶片和籽粒硫苷性状进行了QTL定位。共检测到324个显著性QTL,其中277个显著性QTL是从籽粒中检测到,47个显著性QTL是从叶片中检测到的。由于这些显著性QTL相互重叠,于是利用元分析方法将显著性QTL进行整合。经过两步整合到64个代谢物QTL(mQTL)。其中大多数的mQTL(67%)只在籽粒中检测到,表明这些QTL可能涉及到硫苷从营养器官向籽粒的转运。19%的mQTL同时在叶片和籽粒中检测到,可能涉及到硫苷在营养器官中的合成。还有一小部分的mQTL仅在叶片中检测到,这些mQTL可能反映了硫苷在叶片中特异的代谢调控。  3、目标QTL的确定和近等基因系的构建。在64个mQTL中,有2个mQTL,q.mcG-A9b和q.mcG-A9c,控制着4-7个籽粒中不同硫苷分量和总量,所解释的籽粒硫苷总量的表型方差均在20%以上,而且只控制籽粒硫苷的积累而不影响叶片硫苷含量,因此这2个mQTL是本研究的目标QTL。利用白菜A9连锁群的BAC和Scaffold序列信息所开发出来的分子标记加密了这2个目标mQTL所对应的遗传图谱置信区间,完成了目标QTL所对应的遗传图谱置信区间与白菜遗传图谱的比对,找到了q.mcG-A9b所对应的的候选基因。以TNDH株系衍生出来的BC2群体材料为基础,以Ningyou7作为回交亲本进行多次回交,到高世代BC4回交群体材料。利用目标QTL所对应的遗传图谱置信区间内的分子标记,筛选BC4回交群体中含有目标片段为Tapidor带型杂合的单株。最终在BC4F3材料中筛选到6株含有不同目标片段长度的近等基因系材料。  4、甘蓝型油菜硫苷的代谢网络和上位性调控网络的构建。基于QTL共定位的信息,利用MetaNetwork分析了12个不同硫苷分量之间韵遗传偏相关性,并据此构建了甘蓝型油菜脂肪族和吲哚类硫苷的代谢网络。发现了5个新的硫苷代谢调控相关性,它们可能反映了潜在的硫苷合成代谢途径。  利用QTLmapper检测了不同硫苷分量和总量的上位性互作对,到509个达到显著性的上位性互作对。然后将这些互作对连接到所对应的连锁群上,构建了控制叶片和籽粒硫苷的上位性调控网络。通过分析发现叶片和籽粒中硫苷的代谢调控机制存在巨大差异,在一定程度上反映了硫苷在不同组织中的不同代谢调控机制。  5、推测mQTL所对应的基因在代谢途径中的作用。根据不同硫苷分量之间的遗传相关性及所构建的硫苷代谢网络信息,推测了mQTL和代谢途径之间的联系,并进一步推测了mQTL所对应的基因在相应代谢途径中的作用。结果显示,大部分mQTL联系到硫苷转运和侧链修饰途径,另外25%的mQTL联系到硫苷核心合成代谢,而很少的mQTL联系到硫苷碳链延长和降解途径。说明TNDH群体的两个亲本硫苷的代谢差异主要是由硫苷转运和侧链修饰途径中的基因变异所引起的。
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