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小麦慢叶锈QTL位点QLr...u-3DS的SSR标记开发_董海焦.pdf

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资源描述

1、第 46 卷第 1 期2023 年 1 月河 北 农 业 大 学 学 报JOURNAL OF HEBEI AGRICULTURAL UNIVERSITYVol.46 No.1Jan.2 0 2 3小麦慢叶锈 QTL 位点 QLr.hebau-3DS 的 SSR 标记开发董海焦,贺钟锐,张继朝,齐爱勇,张培培,李在峰(河北省农作物病虫害生物防治工程技术研究中心/河北农业大学 植物保护学院,河北 保定 071001)摘要:小麦叶锈病是小麦中分布最广的主要病害之一。挖掘抗病基因、选育抗病品种是防治小麦叶锈病最经济、安全、有效的方法。本课题组前期研究中发现农家品种平原 50表现出优良的慢叶锈性,利用平

2、原 50/铭贤169 DH 群体,在平原 50中定位了位于 3DS 染色体上的 QLr.hebau-3DS 基因,该基因能在多个环境中稳定检测到,表现出优良的抗叶锈性。本试验通过成株期对平原 50/铭贤 169 DH 群体进行抗叶锈鉴定,并利用小麦参考基因组序列开发 SSR 分子标记,研究结果表明平原 50/铭贤 169 DH 群体在田间表现出连续性分布,其抗性由多个微效基因控制;开发了 5 对在平原 50和铭贤 169中表现多态性的 SSR 分子标记,其中 2 对分子标记 SSR126 和 SSR208 与 QLr.hebau-3DS 紧密连锁。本研究为下一步 QLr.hebau-3DS 的

3、图位克隆和慢锈抗病品种的培育奠定了基础。关 键 词:小麦抗叶锈基因;QLr.hebau-3DS;SSR 标记 中图分类号:S432.1 开放科学(资源服务)标识码(OSID):文献标志码:ADevelopment of SSR markers linked with wheat leaf rust gene QLr.hebau-3DS DONGHaijiao,HEZhongrui,ZHANGJichao,QIAiyong,ZHANGPeipei,LIZaifeng(Technological Innovation Center for Biological Control of Crop Di

4、seases and Insect Pests of Hebei Province/College of Plant Protection,Hebei Agricultural University,Baoding 071001,China)Abstract:Wheat leaf rust caused by Puccinia triticina is one of the most widespread major diseases on wheat.Growing resistant varieties is the most economical,safe and effective w

5、ay to control wheat leaf rust.In the previous research,Chinese landrace Pingyuan 50 showed good resistance to wheat leaf rust.A novel leaf rust resistance QTL QLr.hebau-3DS was detected in multiple environments with good resistance.The OTL was mapped on 3DS from Pingyuan 50 using Pingyuan 50/Mingxia

6、n 169 DH population.This study aims to evaluated the wheat resistance to wheat leaf rust of the Pingyuan 50/Mingxian 169 DH population and developed SSR markers according to wheat reference genome sequences.The results showed that the population showed continuous distribution of leaf rust in the fie

7、ld indicting that the resistance was controlled by multiple genes.A total of five SSR markers were developed with polymorphism between Pingyuan 50 and Mingxian 169,in which two SSR markers SSR126 and SSR208 were linked with QLr.hebau-3DS.This study will lay the foundation for the map-based cloning o

8、f QLr.hebau-3DS and the breeding of disease-resistant varieties.Keywords:wheat leaf rust resistance gene;QLr.hebau-3DS;SSR markers收稿日期:2022-11-09基金项目:河北省自然科学基金资助项目(C2020204167);国家自然科学基金资助项目(32001538).第一作者:董海焦(1988),男,河北唐山人,硕士,主要从事农药学、分子植物病理学研究.E-mail:通信作者:张培培(1990),女,河北保定人,博士,副教授,主要从事分子植物病理学研究.E-mai

9、l:李在峰(1975),男,河南卫辉人,博士,教授,主要从事分子植物病理学研究.E-mail:本刊网址:http:/文章编号:1000-1573(2023)01-0016-06DOI:10.13320/ki.jauh.2023.000317第 1 期小麦叶锈病广泛分布于我国各小麦种植区,主要侵染小麦叶片,条件适宜时可造成 40%甚至更大的产量损失1,培育抗病品种是控制小麦叶锈病最经济有效的方法。目前,国际上已经发现 100 多个抗叶锈基因,正式命名的有 82 个2,其中大多数基因具有小种专化抗性,这种抗性常因病原菌变异而丧失抗性,而非小种专化抗性基因(慢锈基因)表现的更加持久。分子标记已广泛应

10、用于抗病基因定位,其中 SSR 标记是植物基因组中广泛存在的简单重复序列(Simple sequence repeats)标记3,与其它标记相比,SSR 标记具有等位变异多、多态性高、共显性、操作简单等优点,在目标性状的基因定位、标记辅助选择等领域发挥了重要作用4。目前小麦参考基因组序列已公布5,根据参考基因组序列从重要性状所在物理区间开发新的 SSR 标记,并用于对目标性状的辅助选择和对目标基因的精细定位具有重要意义。Zhang 等6利用中国春参考基因组序列开发了 5 对与小麦抗叶锈基因 Lr65 紧密连锁的 SSR 标记和 Indel 标记。Yin 等7利用 SSR 标记在野生二粒小麦品种

11、 NFS10 中定位了 1 个新的抗白粉基因 MlNFS10。章悦等8开发了 11 对与抗麦红吸浆虫主效 QTL Qsm.hbau-4A 紧密连锁的 SSR 标记,可用于抗虫资源筛选。随着优异种质的大面积推广,农家种因其产量低、农艺性状差在生产中应用较少,但农家品种具有早熟性、多粒性、高度适应性、抗病虫及抗逆等特点,一些农家种中可能含有丰富的基因资源,因此受到小麦遗传育种学家的高度重视。平原 50曾是我国黄淮海麦区推广的 1 个重要农家种,该品种源于河南省北部地区,然后遍及整个河南省及山东省西部的部分地区9。特别在 1950 年条锈病大流行后,其种植面积迅速扩大,每年推广面积达 27 万 40

12、 万 hm2,其在田间表现出高抗叶锈10、条锈11和白粉病12,其抗性已经保持了 60 多年。本实验室前期研究工作中,通过对平原 50/铭贤 169 双单倍体(DH,Doubled haploid)群体进行多个环境抗叶锈鉴定,获得了该群体的抗叶锈表型数据,并利用小麦 55KSNP 芯片对其进行了基因分型,获得了群体的基因型数据;结合基因型数据和表型数据对平原 50/铭贤 169 群体进行了抗叶锈QTL 定位,从群体中共定位到 8 个抗叶锈 QTL,6 个来自平原 50,2 个自于铭贤 169。其中,来自平原 50的位点 QLr.hebau-3DS 是 1 个新的 QTL,该位点位于 3DS 染

13、色体上,标记区间为AX-111490323-AX109395143,对应中国春参考基因组 V1.0 序列物理区间为 40.8 53.2 Mb,该位点能稳定的在所有环境中检测到,解释了 4.2%20.0%的表型变异10。本研究旨在利用中国春参考基因组序列开发新的SSR标记对该基因进行进一步定位,开发与抗病基因紧密连锁的标记,为下一步抗病基因的克隆和抗病基因在育种中的应用奠定基础。1 材料和方法1.1 植物材料及叶锈菌种小麦材料:平原 50和铭贤 169亲本、137 个平原 50/铭贤 169DH 家系,由河北农业大学植物保护学院分子植物病理实验室保存。4 个强毒力叶锈菌的混合小种(THTT、TH

14、TS、PGTS 和PHTT),由河北农业大学植物保护学院分子植物病理实验室纯化并保存。1.2 小麦田间种植、接菌及成株期抗叶锈鉴定平原 50铭贤 169及 137 个平原 50/铭贤 169DH 家系于 2019 年 10 月种植于河北保定试验田,群体进行行播种植,行长 1.2 m,每行种植 30粒种子,行间距 25 cm,每 9 行种植 1 行感病对照品种郑州 5389。另外,郑州 5389作为诱发行与试验行进行垂直种植,用于后续接种。田间管理工作按常规流程进行。2020 年 4 月中旬进行叶锈菌混合小种田间接种,首先将繁好的 4 个强毒力小种等量混合配制成菌悬液,然后在傍晚时将配置好的菌悬

15、液均匀的喷洒在诱发行上,迅速盖好塑料薄膜,进行黑暗保湿,第 2 天上午揭开薄膜。接种 1个月后,参照 Peterson 等提出的方法进行小麦抗叶锈性鉴定13。将叶片严重度按叶锈菌孢子堆占叶片总面积的百分比分为 12 级,即 1%、5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和 100%。当对照发病 20%时,开始进行叶锈病严重度的调查,共调查 3 次,待对照组发病 100%时进行最后 1 次调查,以最后 1 次严重度作为成株期叶锈病的最大病害严重度(MDS),用于数据分析。1.3 QLr.hebau-3DS 紧密连锁 SSR 标记开发采 用 CTAB 法14提

16、取 小 麦 叶 片 基 因 组 总DNA,根 据 Zhang 等10对 QLr.hebau-3DS 初 步定位的结果(定位到 40.8 53.2 Mb 间),下载董海焦,等:小麦慢叶锈 QTL 位点 QLr.hebau-3DS SSR 标记开发18第 46 卷河 北 农 业 大 学 学 报目标染色体区段内的序列,逐步向目标基因区段内进行步移,利用在线软件 Batch primer 3 在线开发40.0 53.0 Mb 区间内的 SSR 分子标记。开发的SSR 分子标记送上海生工公司进行合成。引物的多态性筛选借助 PCR 扩增技术和聚丙烯酰胺凝胶电泳技术来进行。首先利用 SSR 标记进行亲本间筛

17、选,亲本间有差异的标记进行后代群体的筛选。PCR 扩增体系包括 1L 50 ng/L DNA,1L 引物,5 L 2Eq Taq MasterMix,3 L ddH2O。PCR 反应程序:预变性94 5 min;35个循环(94 45 s,55 60 45 s,72 45 s),72 延伸 10 min,10 保存。PCR 扩增产物利用 8%聚丙烯酰胺凝胶电泳进行分型。1.4 分子标记带型与田间严重度统计分析根据聚丙烯酰胺凝胶电泳结果,统计不同 SSR标记平原 50/铭贤 169DH 家系的带型,与平原50带型一致的记为 A 带,与铭贤 169带型一致的记为 B 带,结合家系带型与田间抗叶锈表

18、型数据进行差异显著性分析,初步明确标记的可用性。1.5 构建遗传连锁图谱与 QTL 定位统计带型用于连锁分析,利用软件 Joinmap 4.0计算标记与抗病基因的遗传距离并构建遗传连锁图谱。统计成株抗叶锈表现型数据结合 PCR 扩增带型利用软件 IciMapping 4.2 进行 QTL 分析(https:/ MapChart 2.3 用 于 遗 传 图 谱 的 绘 制(http:/ 结果与分析2.1 成株期小麦抗叶锈表型鉴定结果在 2020 年于河北保定对平原 50/铭贤 169 DH群体进行了田间抗叶锈鉴定,田间鉴定结果显示,感病对照郑州 5389田间最终严重度为 100%,说明田间发病充

19、分。群体鉴定结果如图 1 所示,平原 50最大严重度为 10%,铭贤 169最大严重度为 60%,后代群体最大严重度 MDS 的分布范围是 5%100%,呈现连续性分布,群体的平均严重度为 23%,说明该群体符合数量性状遗传的特点,其抗性可能由多个抗叶锈基因控制。2020 年田间鉴定最大严重度结果与 Zhang 等10环境中鉴定的表型呈现显著性相关,相关系数为 0.35 0.89。平原 50铭贤 169504540353025201510505 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100叶锈最大严重度/%Leaf rust maximum disease severity家系

20、个数No.of lines图 1 2020 年平原 50/铭贤 169 田间最大严重度MDS 调查结果Fig.1 Distribution of the MDS frequency of Pingyuan 50/Mingxian 169 DH population in 20202.2 SSR 分子标记检测结果本试验根据 QLr.hebau-3DS 前期定位的结果,在 3DS 染色体上(物理区间为 40.0 53.0 Mb)共设计了 231 对 SSR 引物,首先利用 231 对 SSR 标记对亲本平原 50和铭贤 169进行了 PCR 扩增及聚丙烯酰胺凝胶电泳检测,部分引物电泳结果如图 2

21、所示,最终从 231 对 SSR 标记中筛选出了5 对具有良好多态性的标记,即:SSR1、SSR87、SSR126、SSR160 和 SSR208,表现为多态性的标记占总标记的 2.2%。5 对亲本间具有良好多态性的SSR 标记用于测试平原 50/铭贤 169 整个 DH 群体。结 果 显 示,3 个 标 记 SSR126、SSR160 和 SSR208在大群体间表现出良好的多态性,图 3 为 SSR128检测平原 50/铭贤 169DH 群体的部分家系电泳图。3 对平原 50和铭贤 169群体间表现多态性的 SSR 标记序列信息及其所在中国春参考基因组序列 V1.0 版本的物理位置如表 1

22、所示。19第 1 期注:M 代表 marker PBR322;泳道 1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23、25、27 和 29 代表 SSR 引物 SSR113、SSR114、SSR115、SSR116、SSR117、SSR118、SSR119、SSR120、SSR121、SSR122、SSR123、SSR124、SSR125、SSR126 和 SSR127 在平原 50中的扩增情况;泳道 2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26、28 和 30 代表 SSR 引物 SSR113、SSR114、SSR115、SSR116、SSR117、SSR

23、118、SSR119、SSR120、SSR121、SSR122、SSR123、SSR124、SSR125、SSR126 和 SSR127 在铭贤 169中的扩增情况。其中,SSR126(泳道 27 和 28)在平原 50和铭贤 169间表现出良好的多态性,其余 SSR 引物无多态性。图 2 SSR 引物在亲本平原 50、铭贤 169 中的扩增情况Fig.2 PCR amplification of SSR primers in wheat parental lines Pingyuan 50 and Mingxian 169M 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

24、15 16 17 18 19 20 21 22 23 24注:M 代表 marker PBR322;泳道 1 和 2 代表平原 50和铭贤 169在引物 SSR208 扩增后电泳带型图;泳道 3 为超纯水在引物 SSR208扩增带型图;泳道 4 24 为 21 个平原 50/铭贤 169 DH 家系电泳带型图。图 3 SSR208 在部分平原 50/铭贤 169DH 群体中的扩增电泳图Fig.3 PCR and electrophoretogram of partial DH lines of Pingyuan 50/Mingxian 169 using SSR208表 1 平原 50/铭贤

25、169DH 群体间 3 对表现多态性的 SSR 标记信息Table 1 Information of three SSR primers showed good polymorphism in Pingyuan 50/Mingxian 169 DH population引物名称 Primer name序列 Sequence物理位置/Mb Physical position SSR126FCTAGCCATTGATTAGTTGAGG45.40SSR126RGAGGGTAAACTCTTGTGTTTGT45.40SSR160FGATCTAGCAGCGCAATAAAC45.75SSR160RAAATTT

26、TGTAAGAGGGATTCG45.75SSR208FTGATTATTTGCCATTCTGTTC40.50SSR208RTGGCGTATAAAAACAGTTACC40.50注:物理位置表明该 SSR 标记所在中国春参考基因组序列 V1.0 版本 3DS 染色体上的物理位置。2.3 分子标记检测结果与田间调查结果综合分析对 137 个 DH 家系 A 带型(平原 50 带型)与 B带型(铭贤 169 带型)与叶锈病最大严重度的结果进行了统计,图 4 为标记 SSR208 带型与严重度的相关统计图,A 带型家系的严重度从 5%70%均有分布,B 带型家系的严重度从 10%100%均有董海焦,等:小

27、麦慢叶锈 QTL 位点 QLr.hebau-3DS SSR 标记开发20第 46 卷河 北 农 业 大 学 学 报分布,明显看出 A 带型严重度低于 B 带型。叶锈最大病害严重度/%Leaf rust maximum disease severity家系个数No.of lines353025201510505 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100A B注:A 代表与平原 50 一致的带型;B 代表与铭贤 169 一致的带型。图 4 SSR208 分子标记带型结果与田间最大严重度对应结果图Fig.4 Relationship between band type of SS

28、R208 and MDS 根据 3 个标记结果分别对 A 带和 B 带严重度的均值进行统计和 T 检验(表 2),结果显示第 1 个分子标记 SSR126 A 带严重度均值为 21.17%,B 带严重度为34.88%,T检验表现差异极显著(P0.01)。第 2 个标记 SSR160 A 带严重度均值为 22.71%,B带严重度为 24.01%,T 检验表现差异不显著。第 3个标记 SSR208 A 带严重度均值为 21.79%,B 带严重度为 33.42%,T 检验差异显著(P0.01)。表 2 3 个 SSR 标记 A 带和 B 带最大严重度 T 检验结果Table 2 Result of

29、T test between A and B band for 3 SSR markers and leaf rust MDSSSR126SSR160SSR208A 带最大严重度均值21.1722.7421.79B 带严重度均值34.8824.0133.42T 检验 P 值0.000 82*0.680.003 4*注:*代表 T 检验差异极显著。2.4 QLr.hebau-3DS 遗传连锁图谱的构建与 QTL定位结合 2020 年田间抗叶锈表型与基因型数据,加上 5 个多态性 SSR 标记,利用软件 Joinmap 4.0重新构建了 QLr.hebau-3DS 的遗传连锁图谱并进行了 QTL

30、定位,总共在该群体中定位了 3 个抗叶锈QTL,其中 QLr.hebau-3DS 能被稳定检测到,定位于 AX-110909845-SSR208 之 间,贡 献 率 为 14.5%(图 5)。与前期 Zhang 等15的定位区间相比,QLr.hebau-3DS 定 位 区 间 由 原 先 AX-110909845-AX-109395143 缩 短 为 AX-110909845-SSR208,在AX-110909845-AX-109395143 定 位 区 间 内 开 发 了SSR208 与 SSR126 2 个 SSR 标记。图 5 位于 3DS 染色体上 QLr.hebau-3DS 的遗传连

31、锁图谱Fig.5 Genetics linkage map of QLr.hebau-3DS on chromosome 3DS3 讨论与结论QTL 位点一般由微效多基因控制,表现为非小种专化抗性,慢病性,一般表现为成株期抗性,这种抗性相较于小种专化抗性基因抗性更加持久。例如目前定位的小麦抗叶锈基因 Lr34、Lr46、Lr67 和Lr68 均为慢锈基因15-18,这些基因在国内外仍保持良好的抗叶锈性,其中 Lr34 的抗性在田间已保持了 100 年以上。本研究试验材料平原 50作为农家品种,其在田间的抗叶锈性已保持了 60 多年以上。平原 50 在苗期表现感病,在成株期表现慢锈性,QLr.h

32、ebau-3DS 是来自平原 50的一个稳定检测到的 QTL 位点,其抗性优良。目前已经命名的慢锈性基因很少,所以开发新的慢锈性基因对小麦抗病育种有着重要的意义。本试验对平原 50和铭贤 169DH 群体中含有的抗叶锈 QTL 进行定位分析,开发了与 QLr.hebau-3DS 紧密连锁的分子标记,可以用于分子标记辅助选择育种,也为下一步基因21第 1 期的图位克隆奠定了基础。农家品种是人们长期生产实践积累下来的生产品种,其具有丰富的遗传变异,蕴含有丰富的抗病基因资源。我国小麦农家品种资源丰富,目前已有报道在农家种中进行了抗病基因的定位。如在小麦抗条锈病遗传研究中,郭继元等19、宁利园等20、

33、王建超等21、Long 等22分别对小麦农家种老白麦 红锁条 和 白蚂蚱 小红芒 Anyuehong进行了抗条锈病遗传分析,明确了各品种对不同生理小种的抗病特点及遗传规律。在小麦抗白粉遗传研究中,Wu 等23发现小麦农家种 Duanganmang在田间高抗白粉病,利用 55KSNP 芯片技术在其中定位了小麦抗白粉病新基因 PmDGM。翟雯雯等24对蚂蚱麦小白冬麦游白兰红卷芒的抗白粉病遗传分析发现 4 个农家品种中均含有 1对隐性抗白粉病基因。徐晓丹等25对 红秃头 和 霸王鞭中的白粉基因进行了定位,红秃头的抗白粉病基因可能位于染色体 7B 和 6B 上,霸王鞭的抗白粉病基因可能位于染色体 4A

34、 和 7B 上。试验前期,Zhang 等10通过利用 SNP 芯片技术利用平原 50/铭贤 169DH 群体定位了位于 3DS 染色体上的新的 QTL 位点,但是由于 SNP 检测较为繁琐,本试验利用小麦参考基因组序列开发了 2 对与 QLr.hebau-3DS 紧密连锁的 SSR 标记,可用于该基因的分子标记辅助选择育种。本研究总共合成了231 对 SSR 标记,但在亲本间表现为多态性的仅有5 对,分子标记多态性的概率过低。造成多态性概率低的原因可能是亲本平原 50和铭贤 169都是农家品种,2 个亲本间亲缘关系较近,因此构建了平原 50与栽培品种的遗传群体用于基因的精细定位。此外,本研究只

35、开发了 2 对标记,定位的遗传距离对于图位克隆还远远不足,所以下一步需要继续开发与基因紧密连锁的分子标记,为下一步的图位克隆做准备。本研究根据 QLr.hebau-3DS 所在物理区间内开发了 2 对与 QLr.hebau-3DS 紧密连锁的分子标记,该标记可以用于 QLr.hebau-3DS 的精细定位,为该主效 QTL 的进一步克隆奠定了工作基础。参考文献:1 Knott D R.The wheat rusts:Breeding for resistanceM.Berlin:Springer-Verlag,1989.2 Bariana H S,Babu P,Forrest K L,et a

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