绿豆产量相关农艺性状的QTL定位.docx

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绿豆产量相关农艺性状的QTL定位

梅丽1，蔡庆生2，徐宁1，刘春吉3，程须珍1

（1中国农业科学院作物科学研究所，北京100081；2广西农科院水稻所，南宁530007；3澳大利亚联邦科学与工业研究组织植物研究所，澳大利亚昆士兰州4068）

摘要：

以绿豆Berken/ACC41F10重组近交系群体为作图群体，利用该群体已经构建的包含79个RFLP标记的分子连锁图谱，对北京和广西两个种植环境下的11个绿豆产量相关农艺性状进行QTL定位。

结果表明，两个环境下共检测到产量相关性状QTL63个（北京25个，广西38个），分布于除第13连锁群以外的12条连锁群。

大部分QTL只在单一环境下被检测到，说明产量相关QTLs与环境之间存在明显的互作。

两个环境均能检测到的QTL仅有6个，分别为控制荚长、百粒重、生育期的QTLs，这些能在不同生态环境发挥效应的QTLs对于绿豆分子标记辅助育种具有重要作用。

研究还发现2个QTLs富集区域和若干成束分布的QTLs，它们可能是发掘通用QTL的候选位点。

关键词：

绿豆；重组近交系；产量性状；QTL定位

QTLMappingofYield-AssociatedAgronomicTraitsinMungbean

MEI、Li1,CAIQing-sheng2,XUNing1,LIUChun-ji3,CHENGXu-zhen1

（1InstitutionofCropSciences,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081;2RiceResearchInstitute,GuangxiAcademyofAgriculturalSciences,Nanning530007;3CSIRODivisionofPlantIndustry,Indooroopilly,Queensland4068,Australia）

Abstract:

Inordertoanalysisthegeneticandenvironmentinfluenceoftheyield-associatedtraitsinmungbean,RILpopulations（F10）derivedfromthecrossbetweenaneconomicalparentBerkenandawildparentACC41wereplantedinBeijingandNanjingfortheiryield-associatedagronomictraitsevaluation.Theresultsshowedthatintotalof63QTLswereinvestigatedinBeijingandGuangxi（25inBeijingand38inGuangxi）,locatedontwelvelinkagegroupsexceptthe13thgroup.MostoftheQTLsweredetectedinsingleenvironment,indicatingthesignificantinteractionsbetweenQTLandenvironment.Only6QTLscontrollingpodlength,100-seedweightanddaytomatureweredetectedinbothBeijingandGuangxienvironments.ThoseQTLsareimportantformungbean’smolecular-marker-assisted-breeding.Tworegionsonthe5thand9thlinkagegroupswithclusteredQTLsrelevanttomultipleyield-associatedagronomictraitsandfivelinkagegroupswithbundledQTLsrelevanttosingleagronomictraitidentifiedinthestudymayprovidethegeneticlocioftheuniversalyieldQTL.

Keywords:

Mungbean;Recombinantinbredline（RIL）;Yield-associatedagronomictraits;MappingQTLs

绿豆生育期短，播种适期长，耐瘠性强，并具有生物固氮能力，可以与禾谷、棉花、薯类等间作套种，是良好的救荒和填闲作物[1]。

随着人们生活水平的提高和膳食结构的改变，绿豆以其丰富的营养保健作用越来越受青睐[2]。

深入研究绿豆产量相关农艺性状的遗传基础和相互关系是培育优质、高产绿豆的基础。

然而，这些性状多是具有复杂遗传基础的数量性状，在选择中易受环境影响。

因此，产量育种是品种改良的重点和难点[3]。

基金项目：

国家自然科学基金项目（30170635）；农业部作物种质资源保护项目（NB04－22－12）；国家科技基础条件平台项目（2004DKA30380－08）；“十一五”国家科技支撑计划项目（2006BAD02B08）

作者简介：

梅丽，硕士研究生。

Email：

taxuexunmei82@

通讯作者：

程须珍（1954－）研究员，主要从事食用豆品种资源研究。

Email：

Chengxz@

由于绿豆的基础研究相对薄弱，前人对诸如单株荚数、荚粒数、百粒重、株高、主茎分枝数、荚长、荚宽、单株产量和生育期等产量相关性状虽有大量研究[4～7]，但大多是应用传统的数量遗传学方法检测其整

体遗传效应和环境效应，无法分析单个基因的遗传效应。

分子数量遗传学和分子标记技术的发展，使剖析数量性状的多基因遗传成为可能[8]。

随着分子标记检测技术的不断完善和应用以及高密度遗传图谱的构建，国内外对玉米[8]、水稻[9]、大豆[10-11]、扁豆[12]、黄瓜[3]等作物进行了产量相关农艺性状的数量性状位点（QTLs）定位，有的还鉴定和克隆了控制部分农艺性状的QTL基因[13]。

由于豆象（GenusCallosobruchus）是对绿豆及其它豇豆属食用豆类危害最为严重的世界性仓储害虫[14]，国内外应用分子标记技术对豆象抗性基因位点进行定位的研究较多[14-18]。

此外，还有不少关于绿豆抗白粉病[19-21]、抗花叶病毒病[22]、种子大小[18]、种子休眠性[23]、种皮结构及种皮颜色[24-25]基因定位的报道，但目前还未见对影响绿豆产量的多个农艺性状的QTL定位的综合报道。

本试验利用绿豆Berken/ACC41产生的永久性重组近交系（RIL）群体，比较和评价北京和广西种植环境下11个产量相关农艺性状的遗传变异，并进行QTL分析，以期为产量性状QTL的精细定位和标记辅助选择提供技术基础。

1材料与方法

1.1试验材料

母本Berken（Vigna.radiatassp.radiata）由美国俄克拉何马州立大学JamesKirby博士培育，具有高产、直立、适应性好等优点；父本ACC41（Vigna.radiatassp.sublobata）是澳大利亚Lawn博士在昆士兰州的萨默塞特奥马镇（152°33′E，27°7′S）发现的野生绿豆，为多年蔓生类型，茎杆纤细，高抗豆象，但籽粒小，且对光温反应敏感[26-27]。

从Berken/ACC41亚种内杂交F2代开始，利用单粒传得到包含227个F8家系的RIL群体[28]。

2006年，将澳大利亚昆士兰州（152°20′E，27°33′S）收获的208个F9RILs（由澳大利亚联邦科学与工业研究组织植物研究所刘春吉博士提供）分别在北京（116°28′E，39°54′N）和广西（108°19′E，22°48′N）种植收获F10RIL群体。

由于受光温反应和土壤因素的影响，北京种植的RILs只有178个家系出苗，143个家系正常开花结实；广西种植的RILs共有191个家系正常出苗并开花结实。

1.2试验方法

2006年6月15日和7月13日分别将208个F9RILs种植在北京朝阳区楼梓庄试验场和广西农科院水稻所试验场内。

完全随机区组设计，不设重复，每个家系种植2行，行长1.5m，行距0.5m，每行20粒种子。

成熟时每小区按家系分别收获10个单株的种子，剩余单株按家系混收。

按照《绿豆种质资源描述规范和数据标准》中的绿豆性状描述标准对重组近交系进行田间调查，并对每个家系单独收获的10个单株依次进行考种。

调查和考种项目包括出苗期、开花期、成熟期、株高、主茎节数、主茎分枝数、荚长、荚宽、单株荚数、单荚粒数、百粒重、单株产量等性状。

1.3数据分析

遗传连锁图谱的构建参见文献[23]。

图谱中的79个RFLP分子标记均匀地分布于13个连锁群上，总图距684.7cM，标记间平均距离为10.4cM。

其中，来自ACC41的等位基因占整个群体基因型组成的43.70%，来自Berken的等位基因占56.30%，χ2测验显示群体组成符合1∶1的分离比例（χ2=0.67<χ20.05,1=3.84），表明该群体适合进行QTL定位。

采用IciMapping1.3软件的改进复合区间作图法[29]，对各产量相关性状进行加性分析，其中选用Haldane函数，标记距离表示方法为区间，作图方法选择ICIM-ADD和ICIM-EPI，将LOD值3.0作为出现QTL的检测标准，用这样的阈值在绿豆基因组中检测1个错误QTL的几率大约只有0.05。

利用SAS软件对表型性状进行相关分析，用DTwin软件进行通径分析[30]。

2结果与分析

2.1RIL群体产量相关农艺性状评价

北京和广西考察的RIL群体产量相关农艺性状的表型均值和表型分布见表1。

多数性状表现出广泛而丰富的变异，如株高，在北京和广西环境下的变幅分别为14.30～150.00㎝和6.90～175.30㎝；单株产量在北京环境下的最小值仅有0.08g，最大值为76.71g，广西环境下最大和最小值相差59.8g；北京环境下RIL群体的生育期最短的只有74d，最长的为141d，广西环境下生育期的变幅在55～107d。

从同一性状在不同环境下的表型相关来看，除主茎节数、主茎分枝数、单株荚数、单株产量在不同环境下种植表型不相关（|r|＜0.3）外，其余7个性状在不同环境下的表现均呈中度或低度极显著正相关（0.3≤|r|＜0.8）。

其中，荚长和百粒重2个性状在不同环境下的表型值呈中度相关（0.5≤|r|＜0.8），株高、荚宽、单荚粒数、播种到开花天数、生育期5个性状在不同环境下的表型值呈低度相关（0.3≤|r|＜0.5），表明多数性状受环境影响很大。

计算2个环境下各性状家系内的方差及总方差，换算成各性状的遗传力。

可见，荚长的遗传力最高，为81.9%，其余性状的遗传力均不高，特别是株高的遗传力最低，仅有19.9%。

这说明环境方差较大，使得变化较大的环境条件降低了性状的遗传力。

表1RIL群体产量相关农艺性状的表现

Table1Performanceanddistributionsoftheyield-relatedtraitsintheRILpopulation

性状

Trait

北京

广西

遗传力（%）

同一性状在不同环境下的相关系数r

平均值±标准差（%）

Mean±SD

变异范围

Range

平均值±标准差（%）

Mean±SD

变异范围

Range

株高（㎝）PH

70.77±23.32

14.30～150.00

72.09±30.93

6.90～175.30

19.9

0.366**

主茎节数NO

14.39±3.14

3.00～22.00

12.91±3.80

1.60～20.40

59.5

0.259**

主茎分枝数BR

6.32±2.19

2.17～21.83

5.25±1.97

1.10～9.20

59.9

0.283**

荚长（㎝）PL

6.49±1.00

4.05～11.10

6.41±0.93

3.33～8.96

81.9

0.644**

荚宽（㎝）PW

0.42±0.03

0.35～0.52

0.37±0.05

0.27～0.50

51.0

0.496**

单株荚数PPL

74.30±66.81

1.67～404.00

60.29±66.81

5.00～183.67

51.9

0.069

单荚粒数SPP

10.62±1.48

3.80～13.40

11.10±1.16

4.67～13.80

67.5

0.404**

百粒重（g）CSW

2.70±0.57

1.65～4.55

2.20±0.53

1.05～4.34

64.0

0.651**

单株产量（g）YP

12.01±12.49

0.08～76.71

11.09±7.66

0.20～60.00

63.2

0.284**

播种到开花天数（d）FL

59.42±14.26

36～108

54.43±11.26

38～87

69.6

0.454**

生育期（d）MAT

96.32±23.35

74～141

77.32±11.32

55～107

48.2

0.344**

PH:

Plantheight；NO:

Numberofnod；BR:

Numberofbranch；PL:

Podlength；PW:

Podwidth；CSW:

100-seedweight；SPP:

Seedsperpod；PPL:

Podsperplant；YP:

Yieldperplant；FL:

Daystoflower,MAT:

Daystomature；下同，Thesameasbelow

2.2RIL群体产量相关农艺性状的相关分析

对北京和广西环境下的RIL群体各产量相关农艺性状进行相关分析（表2）。

结果表明，大部分性状的相关性在不同环境下表现一致，如株高与主茎节数、荚长与荚宽、荚宽与百粒重、播种到开花天数与生育期在2个环境下均呈中度极显著正相关，播种到开花天数与主茎分枝数在2个环境下呈低度极显著正相关。

不过，也有个别性状受环境影响较大，如主茎分枝数在广西环境下与株高、主茎节数呈中度极显著正相关，在北京环境下与这2个性状不相关；生育期在北京环境下与播种到开花天数呈中度极显著正相关，在广西环境下与播种到开花天数呈高度极显著正相关。

单株产量在北京和广西2个种植环境下均与荚宽、单株荚数、单荚粒数呈极显著正相关，这3个性状与单株产量的相关度从大到小依次排序为：

单株荚数>单荚粒数>荚宽。

此外，在广西环境下，单株产量还与荚宽呈低度极显著正相关，与主茎节数呈低度极显著负相关。

表2RIL群体产量相关农艺性状间的相关分析

Table2Correlationcoefficients（r）amongthe11importantagronomictraitsintheRILpopulationinvestigatedinBeijingandGuangxi

性状

Trait

来源

Source

PPL

CSW

SPP

北京

0.573**

广西

0.645**

北京

0.264**

0.165*

广西

0.522**

0.705**

北京

0.203**

0.127

-0.056

广西

0.075

0.1191

0.056

北京

0.085

0.038

-0.038

0.564**

广西

0.012

0.068

-0.192**

0.607**

PPL

北京

-0.062

-0.053

-0.045

0.08

0.068

广西

-0.124

-0.352**

-0.071

0.035

-0.156*

SPP

北京

0.179*

0.076

0.06

0.468**

0.239**

0.160*

广西

0.267**

0.129

0.143*

0.599**

0.240**

0.097

CSW

北京

0.112

0.085

-0.041

0.498**

0.621**

0.062

0.176*

广西

-0.042

0.027

-0.138

0.579**

0.659**

0.009

0.152*

北京

0.041

-0.002

-0.139

0.249**

0.300**

0.769**

0.264**

0.338**

广西

-0.207**

-0.329**

-0.237**

0.399**

0.343**

0.604**

0.246**

0.585**

北京

0.201**

0.254**

0.314**

-0.089

-0.072

-0.300**

0.032

-0.082

-0.417

广西

0.167*

0.002

0.464**

-0.115

-0.453**

0.228**

0.149*

-0.237**

-0.08

MAT

北京

0.162*

0.263**

0.220**

0.034

-0.051

-0.379**

-0.051

-0.042

-0.407**

0.651**

广西i

0.186**

0.029

0.502**

-0.12

-0.489**

0.275**

0.138

-0.251**

-0.07

0.914**

*表示5%显著水平;**1%表示显著水平，下同

Indicatessignificantdifferenceatp<0.05;**:

Indicatessignificantdifferenceatp<0.01;Thesameasbelow

2.3RIL群体单株产量与产量构成因子的通径分析

通径分析结果表明（表3），在北京环境下，单株荚数对单株产量的直接贡献最大，其次为百粒重、单荚粒数、播种到开花天数；在广西环境下，生育期对单株产量的直接贡献最大，其次为荚宽、百粒重、单株荚数。

表3北京和广西考察的10个产量构成因子对单株产量的通径分析

Table3Pathanalysisonyieldperplantwithother10agronomictraitsintheRILpopulationinvestigatedinBeijingandGuangxi

来源

Source

作用因子Factors

PPL

SPP

CSW

MAT

北京Beijing

0.088

0.024

-0.072

-0.070

0.108

0.678**

0.118*

0.212**

-0.198**

-0.003

广西Guangxi

0.011

0.022

-0.036

-0.069

0.487**

0.234**

0.063

0.240**

0.131

-0.671**

2.4RIL群体产量相关农艺性状的QTL分析

通过改进的复合区间作图法对RIL群体的11个产量相关农艺性状进行QTL分析，2个环境共检测到63个QTL位点，分布于除第13连锁群外的其他12条连锁群上（表4）。

其中，北京检测到25个QTL，广西检测到38个QTL。

2个环境下共同检测的QTL有6个，分别为荚长、百粒重、生育期的QTL，其遗传方向一致，即均表现为来自母本Berken等位基因的增效作用。

与株高有关的QTL有8个，分别位于第2、5、7、8、9连锁群，北京和广西分别检测到4个，单个QTL解释的表型变异在4.43%～12.78%，8个位点表现为5个增效，3个减效。

与主茎节数有关的QTL有3个，位于第3、5连锁群，贡献率介于9.54%～24.24%，增加主茎节数的等位基因均来自母本Berken。

与主茎分枝数有关的QTL有9个，分别位于第1、2、5、8、9、11、12连锁群，贡献率介于3.73%～22.64%，9个位点表现为3个增效，6个减效。

检测到8个与荚长有关的QTL，分别位于第5、9、10、11连锁群，单个QTL解释的表型变异在5.65%～18.17%，增加荚长的等位基因均来自母本Berken。

其中，北京和广西共同检测到的影响荚长的QTL有3个，分别位于第5连锁群VrCS84-1～mc17-3，第9连锁群pM213～VrCS161，和第11连锁群VrCS73～VrCS170标记区间。

与荚宽有关的QTL有12个，位于第2、4、6、7、8、9、12连锁群，贡献率介于4.66%～12.28%，12个位点表现为9个增效，3个减效。

北京和广西2个环境下均没有检测到影响单株荚数的LOD值≥3.0的QTL位点。

检测到6个影响单荚粒数的QTL，位于第1、2、4、5、7连锁群，单个贡献率均介于5.05%～11.56%，6个位点表现为3个增效，3个减效。

与百粒重有关的QTL有7个，分别位于第2、5、8、10、11连锁群，贡献率介于4.87%～11.40%，增加百粒重的等位基因均来自母本Berken，其中，北京和广西共同检测到的影响百粒重的QTL有2个，分别位于VrCS365～VrCS375及LpCS82～VrCS65标记区间。

检测到2个与单株产量有关的QTL，位于第3、8连锁群，贡献率分别为5.85%和6.30%，1个表现为增效，另1个表现为减效。

检测到4个控制播种到开花天数的QTL，分别位于第2、9、12连锁群，贡献率介于4.95%～34.53%，3个全部表现为减效。

检测到4个控制生育期的QTL，位于第2、9连锁群，单个QTL的贡献率均大于10%，加性效应均表现为来自父本ACC41等位基因的减效作用。

表4RIL群体产量相关农艺性状的QTL定位及其遗传参数估算

Table4PutativeQTLsandtheirgeneticparameteraffectingtheyield-relatedtraitsintheRILpopulation

性状

Trait

位点

QTL

标记区间

Flankingmarker

连锁群linkageGr

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