田蕊, 張華, 黃玫紅, 邵振啟, 李喜煥, 張彩英
(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,教育部華北作物種質(zhì)資源研究與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 保定 071001)
大豆是重要的糧食和油料作物,是植物蛋白和食用油的主要來(lái)源[1]。干旱嚴(yán)重影響大豆生長(zhǎng)發(fā)育,干旱條件下大豆植株生長(zhǎng)緩慢,葉片萎蔫,生物量降低,以至減產(chǎn)甚至絕收。葉片是大豆植株重要光合器官,其葉綠素含量與光合速率及產(chǎn)量密切相關(guān),易受干旱影響,是反映品種抗旱性的重要指標(biāo)[2]。已有研究對(duì)作物干旱條件下的葉綠素含量進(jìn)行定位分析,沈波等[3]利用水稻重組自交系(recombinant inbred lines, RIL)群體,在水分脅迫和正常條件下對(duì)葉綠素含量進(jìn)行連鎖分析,定位到13 個(gè)控制葉綠素含量的數(shù)量性狀基因座(quantitative trait locus,QTL),其中水分脅迫條件下6 個(gè),解釋表型變異4.74%~19.86%;胡頌平等[4]以水稻F9重組自交系(珍汕97B×IRAT109)為材料,在正常與水分脅迫下對(duì)葉綠素含量進(jìn)行定位,檢測(cè)到13 個(gè)葉綠素含量QTLs,其中正常條件下檢測(cè)到7個(gè),聯(lián)合貢獻(xiàn)率為56.19%;干旱處理下檢測(cè)到6 個(gè),聯(lián)合貢獻(xiàn)率為47.39%。Kumar 等[5]利用C306×HUW206 構(gòu)建的小麥RIL 群體在干旱條件下定位到1 個(gè)控制葉綠素含量QTL(QChl.ksu-3B),該QTL 解釋表型變異的14.2%。Peleg 等[6]以硬粒小麥和野生二粒小麥構(gòu)建的RIL 群體為材料,在干旱及正常水分條件下,對(duì)葉綠素含量進(jìn)行QTL定位,獲得8個(gè)葉綠素含量QTLs,解釋表型變異的2%~10%。
崔世友等[7]以‘波高’ב南農(nóng)94-156’構(gòu)建RIL群體為材料,在4 個(gè)不同生育期對(duì)大豆葉綠素含量進(jìn)行連鎖分析,定位到與葉綠素含量相關(guān)的10 個(gè)位點(diǎn),分別位于1、7、12、13、18 和19 號(hào)染色體,解釋表型變異的6.9%~23.4%。Fang 等[8]利用809 份大豆自然群體重測(cè)序,對(duì)葉綠素含量進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,獲得9 個(gè)大豆葉綠素含量相關(guān)位點(diǎn),分別位于11、13、18、20 號(hào)染色體。Kato 等[9]利用‘Minsoy’בT225H’構(gòu)建的F2:3家系在14 及17 號(hào)染色體定位到2 個(gè)葉綠素相關(guān)位點(diǎn)。由此可見(jiàn),相較其他農(nóng)作物,目前大豆多就正常水分條件下葉綠素含量進(jìn)行研究。因此,本研究以199 份大豆品種資源構(gòu)建的自然群體為材料,在干旱和正常澆水條件下,測(cè)定其葉綠素含量,并計(jì)算抗旱指數(shù),結(jié)合20×重測(cè)序基因型數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,發(fā)掘基于葉綠素含量的抗旱遺傳位點(diǎn)和相關(guān)基因,為大豆品種抗旱分子遺傳改良提供依據(jù)。
以本課題組前期構(gòu)建的大豆自然群體為材料,包括152個(gè)育成品種和47個(gè)地方品種[10]。
將蛭石和土以體積比1∶1 進(jìn)行混合,裝入花盆(直徑35 cm,高40 cm,花盆下鋪塑料布),每盆裝土20 kg,施復(fù)合肥5 g,澆水6 L;當(dāng)基質(zhì)含水量為20%時(shí)播種,每盆播種20 粒;待2 片真葉完全展開(kāi)時(shí)定苗,每盆保留10株。試驗(yàn)分別于2021年6月(E1)、7月(E2)和8月(E3)在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)作物育種中心試驗(yàn)基地旱棚內(nèi)進(jìn)行,設(shè)置對(duì)照組和干旱脅迫處理組,2 次重復(fù),其中干旱脅迫處理組于大豆V3 期開(kāi)始進(jìn)行干旱處理,對(duì)照組正常澆水,期間利用托普云農(nóng)土壤水分含量測(cè)定儀對(duì)土壤水分含量進(jìn)行測(cè)定,待干旱處理組的土壤含水量低于10%(植株受到干旱脅迫)時(shí)測(cè)定葉綠素含量[11-12]。
利用葉綠素儀SPAD-502Plus 分別測(cè)定干旱處理組和對(duì)照組的葉綠素含量。每盆隨機(jī)選擇3 個(gè)單株,分別測(cè)定其最上部完全展開(kāi)三出復(fù)葉的葉綠素含量,其中每個(gè)葉片選擇非葉脈處測(cè)定3次。
利用干旱處理及正常澆水條件下的葉綠素含量計(jì)算抗旱指數(shù)(drought resistance index,DRI),公式如下。
式中,CCD為干旱條件下葉綠素含量;CCW為正常條件下葉綠素含量;CCDM為干旱條件下供試大豆自然群體葉綠素含量平均值。
利用SPSS 25.0 對(duì)基于葉綠素含量計(jì)算的抗旱指數(shù)進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)及方差分析,利用公式計(jì)算其廣義遺傳力(broad-sense heritability,h2)[10]。
利用GEMMA(genome-wide efficient mixed model association algorithm)軟件,采用混合線性模型(mixed linear model, MLM)對(duì)葉綠素抗旱指數(shù)進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析(genome-wide association study, GWAS),其中供試大豆自然群體的基因型數(shù)據(jù)包含566萬(wàn)個(gè)單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism,SNP)標(biāo)記[10];此外,參照已有報(bào)道根據(jù)LD(linkage disequilibrium)衰減距離,同一LD區(qū)域顯著關(guān)聯(lián)SNP視為1個(gè)位點(diǎn)[10,13]。
在顯著關(guān)聯(lián)SNP 上、下游100 kb 篩選候選基因,結(jié)合大豆公共數(shù)據(jù)庫(kù)Soybase(https://www.soybase.org/)注釋基因功能,初步篩選候選基因;然后利用已有大豆干旱脅迫條件下的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)[14],經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理分析各基因表達(dá)量,根據(jù)基因差異表達(dá)結(jié)果確定候選基因。
對(duì)199 份供試大豆品種資源進(jìn)行葉綠素含量抗旱指數(shù)方差分析(表1)發(fā)現(xiàn),每個(gè)環(huán)境條件下的供試品種資源抗旱指數(shù)均具有極顯著差異,說(shuō)明干旱脅迫處理有效,品種資源抗旱能力存在較大差異。同時(shí)發(fā)現(xiàn),不同環(huán)境下的葉綠素含量抗旱指數(shù)也存在差別,其平均值由大到小依次為E3、E2、E1,變化范圍為1.35~1.48。進(jìn)一步分析不同品種資源葉綠素抗旱指數(shù)遺傳變異(表1)發(fā)現(xiàn),變異系數(shù)為8.71%~11.64%,以E2 環(huán)境條件下的變異系數(shù)最大。分析葉綠素含量抗旱指數(shù)廣義遺傳力發(fā)現(xiàn),其值為81.44%,表明主要由遺傳因素決定。另外,分析葉綠素含量抗旱指數(shù)的偏度和峰度系數(shù)發(fā)現(xiàn),絕對(duì)值均趨近于0,說(shuō)明葉綠素抗旱指數(shù)屬多基因控制數(shù)量性狀(圖1)。
表1 大豆自然群體抗旱指數(shù)遺傳變異分析Table 1 Genetic variation analysis of drought resistance index in soybean natural population
對(duì)3 種環(huán)境條件下的葉綠素抗旱指數(shù)及其平均值、最佳線性無(wú)偏預(yù)測(cè)(best linear unbiased prediction,BLUP)值進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析(圖1)發(fā)現(xiàn),關(guān)聯(lián)到237 個(gè)SNPs,分別位于1、2、3、7、10、16、17 及18 號(hào)染色體,其中,11 個(gè)SNPs 位于基因外顯子并引起非同義突變,28 個(gè)位于基因上游或下游,2 個(gè)位于基因3’UTR,這些SNPs位點(diǎn)可能影響基因功能或調(diào)控基因表達(dá)。此外,依據(jù)LD 衰減距離(100 kb)可將237 個(gè)SNPs 劃分為18 個(gè)位點(diǎn),其中位點(diǎn)1、5、6、11、12、13、14、15、17、18 在E1、E2、E3、平均值及BLUP 值中均被關(guān)聯(lián)到,屬多環(huán)境關(guān)聯(lián)穩(wěn)定位點(diǎn)(表2)。
進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),在16號(hào)染色體關(guān)聯(lián)到181個(gè)SNPs(分布于Locus 10~Locus 14),占總SNPs 的76.37%,其中4 個(gè)位點(diǎn)在上述3 種環(huán)境以及平均值和BLUP 值同時(shí)關(guān)聯(lián)到,說(shuō)明這4 個(gè)位點(diǎn)不僅是多環(huán)境穩(wěn)定位點(diǎn),而且是控制葉綠素抗旱指數(shù)熱點(diǎn)區(qū)域;并且,上述181 個(gè)SNPs 中,49 個(gè)位于基因內(nèi),其中9 個(gè)在內(nèi)含子,17 個(gè)在外顯子(6 個(gè)屬于非同義突變,9 個(gè)屬于同義突變,2 個(gè)屬于提前終止),11 個(gè)在基因上游,10 個(gè)在下游,2 個(gè)在3’UTR。此外,在10 號(hào)染色體關(guān)聯(lián)到27 個(gè)SNPs(位于Locus 5~Locus 9),其中Locus 5 和Locus 6屬多環(huán)境穩(wěn)定關(guān)聯(lián)位點(diǎn),且在上述27 個(gè)SNPs 中,2 個(gè)位于基因上游或下游,2 個(gè)在內(nèi)含子區(qū)域。
為驗(yàn)證顯著關(guān)聯(lián)SNPs及其位點(diǎn)準(zhǔn)確性,選取18 個(gè)位點(diǎn)的最顯著P值關(guān)聯(lián)SNPs,對(duì)參試品種含有的葉綠素抗旱指數(shù)優(yōu)異等位SNPs 數(shù)目及其抗旱指數(shù)進(jìn)行回歸分析,結(jié)果(圖2)表明,隨優(yōu)異等位變異數(shù)目增加,葉綠素抗旱指數(shù)逐漸增加(R2=0.76)。依據(jù)參試品種葉綠素抗旱指數(shù),分別選取高、低極端品種各5個(gè),對(duì)每個(gè)品種含有的18個(gè)位點(diǎn)中的11 個(gè)純合SNPs 數(shù)目進(jìn)行分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)(表3),5個(gè)抗旱品種中,3個(gè)具有所有的11個(gè)優(yōu)異等位變異,另2 個(gè)分別含有9 和10 個(gè)優(yōu)異等位變異,而5個(gè)敏感品種則不含任何優(yōu)異等位變異。
圖2 大豆葉綠素抗旱指數(shù)與優(yōu)異等位變異數(shù)量回歸分析Fig. 2 Regression analysis of drought resistance index and elite allele numbers of soybean accessions
表3 大豆抗旱特異種質(zhì)顯著關(guān)聯(lián)SNP分析Table 3 Analysis of associated SNPs in different soybean accessions with different drought resistance index
在顯著關(guān)聯(lián)SNPs上、下游100 kb范圍內(nèi)尋找到57 個(gè)候選基因(表4),其中10 個(gè)基因外顯子存在等位變異,10 個(gè)基因內(nèi)含子存在等位變異,15 個(gè)基因上游或下游存在等位變異,2 個(gè)基因3’UTR存在等位變異?;诖耍鶕?jù)Soybase網(wǎng)站(https://www.soybase.org)Wm82 基因組注釋信息,從57 個(gè)候選基因中初步篩選出16 個(gè)相關(guān)基因,分別參與植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、蛋白磷酸化、抗旱反應(yīng)等;利用已有大豆轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)[14]分析候選基因表達(dá)量(圖3),最終篩選出3 個(gè)抗旱相關(guān)基因,即Glyma.16G063600、Glyma.10G007000和Glyma.17G143900。
圖3 大豆抗旱候選基因表達(dá)分析Fig. 3 Expressions of candidate genes for soybean drought tolerance
表4 大豆抗旱指數(shù)候選基因Table 4 Candidate genes of drought resistance index in soybean
Glyma.16G063600存在1 個(gè)非同義突變(C/A,天冬氨酸/谷氨酸)、3 個(gè)同義突變、2 個(gè)下游SNPs、17 個(gè)基因間SNPs(圖4)。該基因編碼F-box 蛋白,可與小熱激蛋白結(jié)合,進(jìn)而調(diào)控植物耐旱性[15]。依據(jù)已發(fā)表轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)[14]發(fā)現(xiàn),該基因受干旱脅迫誘導(dǎo)顯著上調(diào)表達(dá)。利用該基因的非同義突變分析供試群體發(fā)現(xiàn),含有優(yōu)異等位變異A與含有非優(yōu)異等位變異C的品種間的葉綠素抗旱指數(shù)差異極顯著。
圖4 候選基因Glyma.16G063600分析Fig. 4 Identification of candidate gene Glyma.16G063600
Glyma.10G007000編碼AP2-EREBP 轉(zhuǎn)錄因子。AP2/EREBP 轉(zhuǎn)錄因子含有1 個(gè)或多個(gè)AP2/ERF 結(jié)構(gòu)域,該類轉(zhuǎn)錄因子可響應(yīng)植物鹽、旱、冷等多種非生物脅迫[16]。轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),干旱脅迫條件下,Glyma.10G007000表達(dá)顯著上調(diào);利用其上游SNP 分析群體發(fā)現(xiàn),含有優(yōu)異等位變異的品種其葉綠素抗旱指數(shù)顯著高于含有非優(yōu)異等位變異的品種(圖5)。
圖5 候選基因Glyma.10G007000分析Fig. 5 Identification of candidate gene Glyma.10G007000
Glyma.17G143900編碼AP2/ERF 結(jié)構(gòu)域蛋白。利用基因間最顯著SNP 分析群體發(fā)現(xiàn),含有優(yōu)異等位變異T的品種其葉綠素抗旱指數(shù)顯著高于含有非優(yōu)異等位變異C的品種(圖6)。
圖6 候選基因Glyma.17G143900分析Fig. 6 Identification of candidate gene Glyma.17G143900
利用Glyma.10G007000、Glyma.16G063600及Glyma.17G143900等位變異,對(duì)供試品種資源進(jìn)行分析,結(jié)果(表5)發(fā)現(xiàn),可將其分為8種類型,其中基因型Ⅶ(AAT)含3 個(gè)優(yōu)異等位變異,其葉綠素抗旱指數(shù)最高;基因型Ⅳ(CAT)、基因型Ⅵ(ACT)及基因型Ⅷ(AAC)含有2 個(gè)優(yōu)異等位變異,葉綠素抗旱指數(shù)次之;而不含任何優(yōu)異等位變異的基因型Ⅰ(CCC)葉綠素抗旱指數(shù)最低,說(shuō)明3 個(gè)候選基因與干旱脅迫下的抗旱指數(shù)相關(guān),為大豆抗旱育種提供了基礎(chǔ)材料。
表5 供試大豆自然群體基于入選抗旱基因等位變異分析Table 5 Analysis of soybean natural population based on the allele variations of three selected causal genes
葉綠素是光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的關(guān)鍵色素[17]。對(duì)干旱條件下的葉綠素含量進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),隨干旱脅迫增加,葉綠素含量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),說(shuō)明葉綠素含量受干旱脅迫的影響[18-19]??购抵笖?shù)是指性狀抗旱系數(shù)與干旱條件下該性狀指數(shù)的乘積[20]。劉桂茹等[21]對(duì)小麥抗旱系數(shù)、干旱敏感系數(shù)、單株產(chǎn)量降低指數(shù)分析發(fā)現(xiàn),抗旱指數(shù)能反應(yīng)品種的抗旱性,可作為小麥抗旱篩選的重要指標(biāo)。楊玉敏等[22]以100 份小麥資源為材料,對(duì)抗旱系數(shù)、抗旱指數(shù)、耐旱指數(shù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),抗旱指數(shù)綜合考慮了各品種在干旱條件下的敏感度和干旱脅迫下目標(biāo)性狀在整個(gè)群體中的地位,比較適合作為作物抗旱性評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)?;诖?,本研究利用干旱處理和正常澆水處理下的葉綠素含量計(jì)算抗旱指數(shù),用于大豆品種資源抗旱種質(zhì)篩選以及遺傳位點(diǎn)與候選基因挖掘;并依據(jù)群體供試品種資源的葉綠素抗旱指數(shù),篩選出優(yōu)異種質(zhì)5 份,分別是‘冀10B5’‘滄0627’‘邯15-685’‘冀11B9’和‘HN1030’,其抗旱指數(shù)為1.70~1.83;進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),其含有9~11 個(gè)優(yōu)異等位變異,且均含有3 個(gè)入選相關(guān)基因的優(yōu)異等位變異,為大豆抗旱育種奠定了重要物質(zhì)基礎(chǔ)。
目前,有關(guān)水稻、小麥等作物的干旱脅迫葉綠素含量遺傳位點(diǎn)發(fā)掘研究已有報(bào)道,但大豆中開(kāi)展相關(guān)研究較少[23-26]。本研究利用SPAD-502Plus測(cè)定干旱及正常條件下供試大豆自然群體葉綠素含量,計(jì)算抗旱指數(shù),并依據(jù)本團(tuán)隊(duì)前期重測(cè)序數(shù)據(jù)對(duì)群體的葉綠素含量抗旱指數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,結(jié)果獲得18 個(gè)位點(diǎn),通過(guò)與已有研究進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),Locus3 與李廣軍等[27]定位到的葉綠素含量QTLLeaflet chlorophyll 1-4重合,其加性效應(yīng)值為0.97,解釋表型變異5%。同時(shí)發(fā)現(xiàn),本研究定位到的Locus15與Du等[28]定位到的干旱敏感指數(shù)相關(guān)QTLDrought index 1-9距離700 kb,該QTL 加性效應(yīng)值為0.128 1,可解釋表型變異6.42%;且QTLDrought index 1-5與本研究中的Locus10 相距4.2 Mb,該QTL 解釋表型變異9.36%。另外,本研究獲得的Locus3 與Carpentieri 等[29]定位到的耐旱相關(guān)QTLDrought tolerance 6-1及Shi 等[30]定位到的葉綠素相關(guān)QTLLeaflet chlorophyll 3-1相距2.2 Mb。上述結(jié)果證實(shí)了本研究結(jié)果的可靠性,為大豆抗旱遺傳改良提供了選擇標(biāo)記。
為篩選大豆抗旱相關(guān)基因,依據(jù)關(guān)聯(lián)區(qū)域內(nèi)的基因SNP突變、基因注釋及其表達(dá)量篩選出3個(gè)抗旱相關(guān)基因,其中候選基因Glyma.16G063600編碼F-box 蛋白,該類蛋白既可調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育,也可對(duì)植物多種生物及非生物脅迫作出響應(yīng)[31-32]。Qu 等[33]發(fā)現(xiàn),與擬南芥F-box 基因突變體fof2相比,過(guò)表達(dá)FOF2株系表現(xiàn)為ABA 含量增加及耐旱性提高;Lim 等[34]發(fā)現(xiàn),辣椒F-box 類基因CaDIF1沉默植株表現(xiàn)出對(duì)干旱脅迫的敏感性,而過(guò)表達(dá)CaDIF1植株則表現(xiàn)為耐旱;Xu 等[15]發(fā)現(xiàn),在干旱條件下,過(guò)表達(dá)大豆F-box 類基因GmFBL144可提高擬南芥過(guò)氧化氫及丙二醛含量。本研究篩選的F-box蛋白基因Glyma.16G063600與上述已報(bào)道的GmFBL144屬同一亞族,說(shuō)明其可能在大豆抵御干旱脅迫逆境中具有重要作用。
本研究還篩選出AP2/EREBP(APETALA2/ethylene-responsive element binding proteins)轉(zhuǎn)錄因子家族基因Glyma.10G007000,該類轉(zhuǎn)錄因子通常包含1 或2 個(gè)AP2/ERF 結(jié)構(gòu)域,依據(jù)結(jié)構(gòu)域數(shù)目,可將其分為2 個(gè)亞族,即EREBP 亞族(包含1 個(gè)AP2/ERF 結(jié)構(gòu)域)和AP2 亞族(包含2 個(gè)AP2/ERF 結(jié)構(gòu)域);AP2 亞族可調(diào)控花、胚珠及種子發(fā)育過(guò)程,EREBP 亞族(包括DREB 和ERF 類)參與植物激素調(diào)節(jié),并響應(yīng)非生物脅迫[16]。研究發(fā)現(xiàn),過(guò)表達(dá)蘋果AP2/EREBP 基因MdSHINE2可增加擬南芥植株莖和葉表面蠟質(zhì),并提高其抗旱性[35]。大豆DREB 同源基因GmDREB2在干旱、高鹽及低溫等非生物脅迫條件下被誘導(dǎo)表達(dá),且過(guò)表達(dá)該基因會(huì)激活下游轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)而提高抗旱性[36]。因此,推斷AP2/EREBP 轉(zhuǎn)錄因子基因Glyma.10G007000可能參與大豆抗旱反應(yīng)。
另外,本研究還獲得了諸如MYB 轉(zhuǎn)錄因子、Dof (DNA binding with one finger)結(jié)構(gòu)域蛋白、CCR-4(carbon catabolite repressor 4)、LRR(Leucinerich repeat)候選基因,已有研究發(fā)現(xiàn)這些蛋白均可響應(yīng)植物干旱脅迫,Cominelli 等[37]發(fā)現(xiàn),AtMYB60通過(guò)調(diào)控葉片保衛(wèi)細(xì)胞的開(kāi)關(guān)影響植物抗旱;Ma 等[38]在干旱脅迫下對(duì)白菜9 個(gè)Dof 亞族基因表達(dá)模式進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),不同亞族Dof基因均可響應(yīng)干旱脅迫;Li 等[39]發(fā)現(xiàn),大豆LRR-RLK基因GmSARK可通過(guò)調(diào)控葉綠素降解基因Gmlls1及葉綠素合成基因Gmgtr1調(diào)控葉片衰老,說(shuō)明該類基因位于Gmlls1和Gmgtr1上游,可間接調(diào)控葉綠素合成或降解。因此,本研究篩選出的這些候選基因可作為今后開(kāi)展大豆抗旱分子育種研究的重要目標(biāo)基因。