甘蓝型油菜叶中控制叶绿素含量性状的QTL定位及其候选基因鉴定

赵卫国, 张 凯, 塔 娜, 朝红波, 杜慧娟, 栗茂腾, 王 灏

(1.安康学院现代农业与生物科技学院,陕西 安康 725000;2.华中科技大学生命科学与技术学院,武汉 430074;3.郑州大学农学院,郑州 450001;4.安康汉滨区农业农村局,陕西 安康 725000;5.陕西省杂交油菜研究中心,陕西 杨陵 712100)

【研究意义】甘蓝型油菜是全世界重要的油料作物,也是我国第一大油料作物。甘蓝型油菜作为人类食用植物油的主要来源,因其产量高、抗逆性强、环境适应性广等优点在我国广泛种植,年种植面积达6.67×1010m2以上。叶绿素包括叶绿素a和叶绿素b,它是植物光合作用的重要光合色素,其含量高低对植物的生长发育具有重要影响[1]。已有研究表明,油菜叶绿素含量与光合速率呈显著正相关[2-3],提高叶绿素含量是增强光合效率的有效途径之一,从而最终促进油菜产量提高。除此之外,Peng等[4]研究发现较高的叶绿素含量和光合速率是高产品种产量提高的主要原因。因此,对控制油菜叶绿素含量的数量性状进行QTL定位可有效揭示叶片叶绿素含量的遗传机理。同时,挖掘QTL区间的候选基因,可以指导油菜高光效育种。【前人研究进展】绿色植物叶绿素含量性状是由多基因控制的数量性状,受基因和环境共同调控。研究数量性状的方法包括QTL定位和全基因组关联分析等。QTL定位作为一种有效、可靠的方法,已成功地应用于多种作物重要农艺数量性状位点的鉴定。利用QTL定位方法已在水稻、小麦、大麦和大豆中对叶片叶绿素含量性状进行了深入研究[5-8]。 Jiang等[5]开展了水稻叶片叶绿素含量的QTL定位研究,在水稻分蘖期、抽穗期和成熟期分别检测到22个控制叶绿素含量的QTL位点,其中 QTLqCTH4解释的表型变异达61.42%。Zhang等[6]利用混合线性模型方法对小麦叶片叶绿素含量性状进行QTL研究,共鉴定到17个加性QTL,其中10个QTL在2个以上生长阶段持续表达。Wang等[7]对大麦热诱导叶绿素缺乏突变体的特性研究,发现该突变体由单个核基因控制,调控该性状的位点被精细定位在0.428 Mb的物理区间,其中包括11个注释基因。Dhanapal等[8]对大豆叶片叶绿素性状进行全基因组关联分析,分别检测到14、7和10个位点分别与叶片叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量显著相关。近几年来,科研人员不仅对油菜含油量、产量等重要性状进行QTL定位,也对油菜叶片叶绿素含量性状进行了QTL定位,鉴定到一些性状的重要位点。如Wang等[9]利用甘蓝型油菜叶绿素缺失突变体“cdel”与中双11构建的F2群体,在C08染色体上定位到22个候选基因,预测可能与叶绿素含量相关。Lang等[10]利用甘蓝型耐盐品系2205和盐敏感品系构建的F2群体,通过复合区间作图法进行叶绿素含量定位,检测到1个叶绿素的主效QTLqSPAD5,其置信区间鉴定到1个耐盐相关基因Bra003640,通过定量分析发现该基因在2个亲本中的表达量差异显著。Choi等[11]对中国传统白菜的叶片形态和叶色性状进行QTL分析,定位到2个控制叶色的主效QTLs,在其置信区间鉴定到与叶色紧密相关的候选基因SCO3、ABI3、FLU和CAB3等。代文东等[12]对甘蓝型油菜叶片叶绿素含量进行QTL定位,鉴定到位于7个连锁群的8个(A03、A06、A07、A08、C01、C03、C06、C07)控制叶片叶绿素含量的QTLs,其候选基因PORB、HCF及NYC等可能与叶绿素含量相关。【本研究切入点】叶绿素含量对绿色植物的光合作用具有重要作用,也是油菜高光效育种的重要选择指标。但是目前对油菜叶绿素含量QTL定位的研究相对较少。【拟解决的关键问题】本研究以甘蓝型油菜KN DH群体在冬性环境和春性环境连续3个年份的叶片叶绿素含量性状进行QTL定位及候选基因鉴定,定位控制油菜叶绿素含量性状的QTL位点并解析其分子遗传机制,为控制油菜叶绿素含量相关基因的精细定位、基因克隆以及油菜高光效品种选育提供重要基因资源和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验以KN double-haploid(DH)群体为研究对象,该DH群体由春性甘蓝型油菜纯系 KenC-8 为父本和冬性甘蓝型油菜纯系 N53-2 为母本通过小孢子培养构建而成(构建的群体名为KN),包含348份Double haploid(DH)系[13-14]。

1.2 实验方法

1.2.1 实验设计 KN DH群体及其亲本于2011—2013年和2015—2017年分别在春油菜生态区甘肃张掖(编码为ZY,100°46′ E、38°93′ N,年平均气温7.3 ℃,年平均降雨量130.4 mm)和冬油菜区陕西省杂交油菜研究中心杨陵(编码为YL,108°08′ E、34°27′ N,年平均气温12.9 ℃,年平均降雨量635.1 mm)试验田种植。KN DH 群体及其亲本在陕西杨陵每年设3个重复,在甘肃张掖每年设2个重复。KN DH群体采取完全随机区组设计排列,每一DH系播种2行,行距40 cm,株距17 cm。

1.2.2 油菜叶片叶绿素含量测定 冬油菜区陕西杨陵每年3月份油菜抽薹后至初花期前进行表型鉴定,春油菜区甘肃张掖待植株高度达到30 cm进行表型鉴定。利用SPAD-502plus叶绿素仪对油菜成熟的长柄叶叶绿素含量进行测定。测定方法:选取植株长柄叶片作为叶绿素含量的测定目标叶片,每个植株选取3片叶子,每1叶片选取除了叶脉和叶缘部分的8个点作为测量点,每1叶片以8个点SPAD值的平均值作为该叶片中叶绿素含量(叶绿素含量指标SPAD值)。

叶片叶绿素含量的QTL定位:KN高密度遗传连锁图谱已构建,该遗传连锁图谱总长3072.7 cM,标记之间平均遗传距离为 1.0 cM[15]。结合KN高密度遗传连锁图和不同生态区的叶绿素含量性状表型,利用WinQTL Cart 2.5 QTL扫描软件的符合区间作图法(CIM)进行QTL定位。以P=0.05进行1000次排布测验方法来确定显著QTL的LOD阈值。初步鉴定的QTL定义identified QTL,以“q+性状缩写+年份+地点编号+染色体号+第几个位点编号”命名,如qCC.13ZY6-2表示叶绿素含量QTL是在2013年甘肃张掖油菜生态区鉴定到位于A06染色体上第2个QTL。利用BioMercator 4.2数据处理软件将初步鉴定的identified QTL置信区间进行整合[16],整合后的QTL定义为一致性QTL(consensus QTL),一致性QTL命名法以consensus QTL的首字母“cq+叶绿素含量性状缩写[Chlorophyll content(CC)]+染色体号+第几个位点编号”命名,如cqCC.A6-1。如果1个 consensus QTL能够在2个及以上种植环境被鉴定到,其被定义为环境稳定表达QTL,如果1个 consensus QTL仅在1个种植环境鉴定到,其被定义为环境特异表达QTL。

1.2.4 QTL区间的候选基因鉴定 根据Cai等[17]的方法将甘蓝型油菜“Darmor-bzh”参考基因组中SNP探针作为同源位点。通过对甘蓝型油菜“Darmor-bzh”参考基因组使用NCBI数据库BLAST,以50 mer探针的序列搜索同源位点(E值阈值设定为1e-10)。KN高密度遗传连锁图与甘蓝型油菜“Darmor-bzh”参考基因组具有高度线性关系[15]。利用Chao等[13]对QTL置信区间候选基因的认定办法:单个SNP比对到参考基因组多个同源位点,仅选择与该位点一致的连锁群位点,如单个SNP在同一连锁群上有多个同源位点,可通过该位点上下游物理位置手动确认。将与QTL置信区间对应一致的基因组区域内的所有基因认定为该QTL区域内的候选基因[18]。同时,结合拟南芥数据库对QTL区间的候选基因进行同源基因鉴定和功能注释分析。

2 结果与分析

2.1 不同生态区域油菜叶片叶绿素含量表型分析

从表1可知,在冬性环境陕西杨陵母本N53-2的叶绿素含量远高于父本 KenC-8,两亲本的叶绿素含量在2016年相差最大,SPAD值差异为11.0,其次是2015年,SPAD值差异为8.8,2017年的叶绿素含量差异最小,SPAD值差异仅为5.8。在春性环境甘肃张掖KN DH 群体母本N53-2的叶绿素含量同样高于父本KenC-8,但两亲本叶绿素含量差异较小,SPAD值变化范围为0.8～2.2。KN DH群体在冬性环境连续3年的叶绿素含量SPAD值为50.2～53.8,SPAD值变化范围为3.6;KN DH群体在春性环境连续3年的叶片叶绿素含量SPAD值为39.3～42.2。KN DH群体叶绿素含量在不同生态环境表现出较大差异,但是受到种植生态区域的影响,无论是在冬性环境陕西杨凌还是在春性环境甘肃张掖,KN DH群体叶绿素含量在不同种植年份之间却表现出相对稳定。KN DH群体叶绿素含量在冬性的表型变异范围最大,SPAD值相差29.2(36.5 ～ 65.7),在春性环境的叶绿素含量表型变异范围低于冬性环境,SPAD值相差23.3(30.0 ～ 53.3)。油菜叶绿素含量的广义遗传力在春性环境较高(70.2%),在冬性环境较低(30.2%),表明油菜叶绿素含量在春性环境相对稳定遗传,而在冬性环境遗传力较低,容易受到种植环境条件的影响。此外,KN DH群体在两个生态区域中不同年份叶绿素含量的表型频数表现出近似的正态分布,表明叶绿素含量性状属于多基因控制的数量性状,受到基因和环境的共同作用(图1)。

表1 油菜KN DH 群体和亲本在冬性和春性环境的叶绿素含量表型分析

2.2 不同种植生态区域油菜叶绿素含量的环境稳定表达和环境特异表达QTL定位

通过Wincart 2.5软件扫描分析,共鉴定到34个控制油菜叶绿素含量identified QTLs,分布在11条染色体上(除了A02、A04、A05、A06、A08、C02、C03、C04)。单个QTL解释的表型变异为3.9% ～12.0%,其中qCC.17YL1-3解释表型变异最高,为12.0%;qCC.17YL3解释表型变异最小,仅为3.92%,identified QTL的加性效应为-1.8～1.0(表2)。 进一步分析发现22个identified QTLs位于甘蓝型油菜A基因组,12个位于甘蓝型油菜C基因组。其中,15个identified QTLs在春性生态环境被鉴定到,占identified QTL总数的44.1%;19个identified QTL在冬性生态环境被鉴定到,占identified QTL总数的55.9% (图2)。

图1 KN群体在甘肃张掖和陕西杨陵的叶绿素含量表型分布

利用BioMercator 4.2软件对初步鉴定的identified QTL进行整合,获得31个控制叶绿素含量consensus QTLs (表2,图2)。QTLcqCC.A1-4由冬性环境QTLqCC.16YL1-2和qCC.17YL1-3整合,属于冬性环境稳定表达QTL;cqCC.A7-3由冬性环境QTLqCC.16YL7-3和春性环境qCC.12ZY7-1整合,cqCC.A7-5由冬性环境QTLqCC.16YL7-4和春性环境QTLqCC.12ZY7-2整合,这2个QTLs在冬性和春性生态环境都能够鉴定到,属于在冬性环境和春性环境稳定表达QTL。其余28个控制叶绿素含量consensus QTLs,其中15个仅在冬性环境鉴定到,13个在春性环境鉴定到,皆属于环境特异表达QTL。更为重要的是在A01染色体上发现的QTLcqCC.A1-4,它在2个种植环境中的表型变异平均达到10.67%,属于控制油菜叶绿素含量性状的主效QTL。该主效QTLcqCC.A1-4的加性效应皆为负值,表明其加性效应主要来自母本 N53-2的贡献。此外,主效QTLcqCC.A1-4仅在冬性环境检测到,属于冬性环境稳定表达主效QTL。总之,主效QTL作为叶绿素含量重要QTL位点,可用于下一步叶绿素含量性状的精细定位。

2.3 油菜叶绿素含量QTL区间候选基因鉴定

根据KN 高密度遗传连锁图和甘蓝型油菜“Darmor-bzh”参考基因组之间的线性关系,在31个控制油菜叶片叶绿素含量QTL置信区间,其中在24个QTL置信区间鉴定到66个甘蓝型油菜基因及53个拟南芥同源基因 (表3),这些潜在的候选基因在叶绿素的生物合成与降解、光合作用路径中具有重要调控作用。通过对候选基因进行功能注释,BnaA01g14880D(ACD1-LIKE)和BnaA03g22780D(TIC55-II)分别位于cqCC.A1-1和cqCC.A3-1置信区间,其功能编码脱镁叶绿酸加氧酶PAO(Pheophorbide a oxygenase)来降解原叶绿素内酯;BnaA01g22870D(NYE1)位于cqCC.A1-3置信区间,主要与叶绿素降解相关;BnaA07g29990D(AtWSCP)分别位于cqCC.A7-3和cqCC.A7-4置信区间,是叶绿素生物合成紧密关联基因;BnaA09g32370D和BnaC08g23140D(CHLG)位于cqCC.A9-1和cqCC.C8-1置信区间,BnaA10g08760D(CAO)和BnaA10g07300D(PORA)位于cqCC.A10-1置信区间,BnaC01g10870D(CHLI1)位于cqCC.C1置信区间,这些基因都可控制叶绿素的生物合成。BnaC09g01520D(LHCB2.3)位于cqCC.C9-1置信区间,是光系统II捕光复合物基因,主要参与蓝光响应、红光响应、远红光响应及光合作用的调控。

图2 控制油菜叶绿素含量QTL在KN遗传连锁图上的分布

表2 不同种植环境油菜叶绿素含量一致性QTL和初步鉴定QTL

叶绿素含量不仅受到参与叶绿素生物合成和降解相关基因调控,还受到光合电子传递上相关基因的调控(表3)。如BnaA01g22670D(LHCA3)位于cqCC.A1-4置信区间,BnaC08g18620D(LHCA6)位于cqCC.C8-1置信区间,BnaA10g07350D(LHCB3)位于cqCC.A10-1置信区间,BnaC08g38660D(LHCB6)位于cqCC.C8-2置信区间,这3个候选基因和光合系统II的蛋白合成紧密相关;如BnaA09g48920D和BnaC08g43200D(PSAO)位于cqCC.A9-2、cqCC.A9-3、cqCC.C8-3置信区间,PSBP-1的同源基因BnaA10g04360D位于cqCC.A10-1置信区间,BnaC06g26560D(PSBY) 位于cqCC.A7-3置信区间,BnaC06g20160D(PSBR) 和BnaC08g22200D(PSBO2) 分别位于cqCC.C6和cqCC.C8-1置信区间,BnaC01g09810D(Photosystem II reaction center PSB28 protein,PSB28)位于cqCC.C1置信区间,这些候选基因参与光合作用的电子传递过程。BnaA07g28860D(CRR23)位于cqCC.A7-5置信区间,BnaA01g28110D(NDF4) 位于cqCC.A1-5置信区间,这2个基因都是通过响应电子传递链间接调控叶绿素的生物合成;BnaC06g28800D(FTSH1) 和BnaA07g27460D(STN7)位于cqCC.A7-3置信区间,BnaA01g24440D(ELIP1) 位于cqCC.A1-4置信区间,这些基因都参与光合作用过程;BnaC01g09400D(HCF164)位于cqCC.C1置信区间,BnaA03g51600D(HCF153) 和BnaC05g43320D(HCF152) 分别位于cqCC.A3-3和cqCC.C5-2置信区间,这些基因通过形成细胞色素b6f复合体蛋白来促进光合作用中电子从质体氢醌传递到质体蓝素。同时,BnaA07g11270D和BnaC08g19460D分别位于cqCC.A7-2和cqCC.C8-1区间,其同源基因SAUL1的功能为泛素蛋白连接酶活性,参与叶绿素生物合成与分解代谢的调控、叶片衰老和ABA生物合成过程。综上所述,这些潜在候选基因通过影响光合作用中电子传递过程来调控光合作用效率,从而影响光合产物的生物合成与代谢。

在QTL定位中,鉴定到控制叶绿素含量的主效QTLcqCC.A1-4在陕西杨陵连续2年(2016年和2017年)重复检测到,属于冬性环境稳定表达QTL(图3),该主效QTL有益于下一步控制油菜叶片叶绿素含量性状的基因精细定位。通过候选基因鉴定和功能注释,cqCC.A1-4置信区间包含2个候选基因BnaA01g24440D(ELIP1) 和BnaA01g25400D(PSBTN),BnaA01g24440D的拟南芥同源基因ELIP1为光系统II亚单位,编码早期的光诱导蛋白,定位于叶绿体类囊体膜上[19]。叶绿体中类囊体膜是叶绿素捕获和吸收光能,合成ATP和NADPH以及电子传递的场所,该基因表达受到抑制将减少叶绿素的生物合成以及延迟萌发种子子叶中质体类囊体膜的发育[20],从而进一步调控光合作用的电子传递和ATP合成。BnaA01g25400D(PSBTN)的拟南芥同源基因编码光系统II 5kD蛋白亚基PSII-T,位于细胞色素b559亚单位Psbe附近,主要在植物光合作用中调节PSII适应光移位或强光照。PSBTN基因功能的缺失会降低氧的释放速率和PSII核心磷酸化水平,增加光系统II对光抑制和活性氧生成的敏感性[21]。因此,主效QTL的候选基因通过影响光合作用中光系统II的电子传递和光合磷酸化从而影响光合产物的合成。主效QTL置信区间的候选基因精细定位、图位克隆及功能验证是下一步的研究重点。

表3 油菜叶绿素含量QTL区间候选基因及拟南芥同源基因

图3 油菜A01染色体上叶绿素含量QTL及QTL区间候选基因

油菜属于异源四倍体作物,同一基因在油菜不同基因组上存在着多拷贝。通过对位于不同QTL区域的基因多拷贝进行分析(表3),如CHLG在油菜基因组上存在2个拷贝,分别位于春性环境特异表达QTLcqCC.A9-1和冬性环境特异表达QTLcqCC.C8-1置信区间,其在叶绿素的生物合成和光信号转导过程中催化合成叶绿素a和叶绿素b。同样发现FTSH1和UK1油菜基因组上也存在着多个拷贝,位于环境稳定表达QTLcqCC.A7-3、冬性环境特异表达QTLcqCC.A7-4和cqCC.C6置信区间,这些基因的功能与植物光合作用密切相关。

3 讨 论

叶绿素是叶绿体的重要组成部分,包括叶绿素a和叶绿素b,其以电子传递及共振传递的方式参与光合作用中的光反应。深入了解甘蓝型油菜叶绿素生物合成相关基因有助于提高植物的光合能力和进行作物高光效育种。叶绿素含量的QTL分析是鉴定叶绿素生物合成相关基因的重要环节。在前人的研究中,与叶绿素生物合成相关的基因已经在水稻[5]、大麦[7]、大豆[8]和甘蓝[11]等作物中被鉴定到。本研究中甘蓝型油菜KN DH群体的叶绿素含量在不同生态条件下差异较大,且表型频数呈近似正态分布,表明油菜叶绿素遗传属于数量性状遗传,受到基因和种植环境的共同作用。

QTL定位是研究数量性状的有效方法,已经广泛应用于水稻、大豆、玉米、油菜等作物性状的QTL研究。在甘蓝型油菜研究中通过该方法已经鉴定到重要性状QTLs位点,如种子含油量[13]、产量[14]、 开花期[22]和黑茎病[23]等。QTL定位也是基因精细定位的前提条件,通过对一些贡献率大、环境稳定表达的主效QTL进行精细定位达到鉴定关键基因的目的。Jiang等[5]利用114个SSR标记对水稻94个重组自交系群体从分蘖到抽穗控制叶绿素含量进行QTL鉴定,获得了22 个控制叶绿素含量的QTLs,并对位于第4条染色体上的qCTH4进行精细定位;Dhanapal 等[8]利用全基因组关联分析方法分别鉴定到14、7和10个位点与叶绿素a、叶绿素b以及叶绿素含量性状显著关联;Wang等[7]通过对大麦进行热诱导,获得了1个由单个核苷酸控制的热诱导叶绿素缺失突变体,并对控制该突变体的叶绿素基因进行精细定位。在芸苔属植物中,关于叶绿素含量性状QTL定位的研究逐年增多。黄杰恒等[24]对甘蓝型重组自交系群体种胚中的叶绿素含量利用复合区间作图法进行QTL分析,获得了10个控制叶绿素含量QTLs;Ge等[25]通过对白菜F2定位群体进行超过2年的叶绿素a和叶绿素b表型测定,并结合238个分子标记构建的遗传连锁图进行白菜的叶绿素a和叶绿素b的QTL分析,在8个遗传区间鉴定到10个叶绿素QTLs,其解释的表型变异最高达17%;Choi等[11]对白菜DH群体和RIL群体进行了叶形性状的QTL定位,分别鉴定到158和80个QTLs,其中QTL区域的候选基因与叶绿素的生物合成、细胞伸长和体积增大密切相关。代文东等[12]利用甘蓝型紫叶油菜和绿叶油菜构建的BC1群体进行叶绿素含量QTL定位分析,在7条连锁群上鉴定到8个控制叶片叶绿素含量QTLs。在这些研究中,由于定位群体小、种植年份短、不同种植生态区域少等不足,通过该群体和相应遗传连锁图进行控制叶绿素含量的QTL定位,结果不够全面,且QTL置信区间相对较大。

在本研究中,甘蓝型油菜KN DH群体包括348份DH纯系,连续多年种植群体表型较为稳定。KN遗传连锁图谱总长达3072.7 cM,共有标记2914个,标记之间平均遗传距离为0.96 cM[15],种植生态区包括冬性和春性生态区域,分别连续种植3年。通过对KN群体的叶片叶绿素含量性状进行QTL定位,共鉴定到31个叶绿素含量一致性QTLs,包括3个环境稳定表达QTL和28个环境特异表达QTL。冬性环境特异表达cqCC.A1-4能够在2个年份重复检测到,cqCC.A7-3和cqCC.A7-5在冬性环境陕西杨陵和春性环境甘肃张掖都能检测到,属于环境稳定表达的QTL。通过对甘蓝型油菜其他性状的QTL定位研究发现,一些QTL也能够在多个环境检测到,如Huang等[26]对油菜根茎溃疡病菌进行QTL定位,鉴定到17个与该性状有关的QTLs,并且6个属于环境稳定表达QTL;Shen等[27]定位到控制油菜分枝角度环境稳定表达QTL,其中3个属于主效QTLs;张佳南等[28]对3个年份6个不同播期的大豆生育期性状进行QTL定位分析,获得的32个QTLs能够在不同环境重复检测到,都属于环境稳定表达QTL。本研究在A01染色体上鉴定到1个油菜叶绿素含量主效QTLcqCC.A1-4,该QTL能够在冬性生态环境连续2年被重复检测到。位于A07染色体上的cqCC.A7-3和cqCC.A7-5在冬性和春性生态环境都能鉴定到,属于环境稳定表达QTL。在本研究中大部分QTL的表型变异较小,属于微效QTL。虽然微效QTL不易通过分子标记的加密进行基因精细定位,然而通过生物信息学和转录组学等方法获得的一些基因也可提供相关性状新的具有价值的生物信息[29]。

通过定位群体QTL信息、遗传连锁图及其参考基因组进行比对和基因功能注释,可获得位于QTL区间的潜在候选基因[13,22]。如荐红举等[30]采用全基因组关联分析筛选到23个与拟南芥同源的基因,其中5个候选基因的功能参与叶绿素合成。同样,通过该方法对控制叶绿素含量QTL区间候选基因进行查找和功能注释,鉴定到甘蓝型油菜基因的拟南芥同源基因CHLI1、PORA、CAO(CHLOROPHYLLAOXYGENASE)、CHLG、AtWSCP、NPQ4、ACD1-LIKE、TIC55-II、NYE1、SAUL1、LHCA3、LHCA6、LHCB3、LHCB5和LHCB6,其功能主要涉及叶绿素的生物合成与降解、光合作用调控等路径。此外,通过进一步分析发现部分候选基因在不同染色体上具有多个拷贝,如CHLG存在于油菜A09 和C08染色体上,功能涉及植物叶绿素的生物合成和光信号转导过程中叶绿素a和叶绿素b的催化,FTSH1和UK1都存在于油菜A7 和C6染色体上,涉及植物的光合作用。同样,Li等[22]对甘蓝型油菜开花期QTL进行候选基因鉴定时,也发现少量候选基因在基因组中存在多拷贝。由于位于不同染色体上同一基因的不同拷贝可能存在着功能上的差异,从而会增加叶绿素含量调控机理研究的难度。

QTL区域的候选基因(CHLI1、PORA、CAO和CHLG)在控制叶绿素含量中起到重要调控作用。cqCC.C1置信区间的候选基因CHLI1主要是在叶绿素生物合成过程中将Mg2+插入到原卟啉IX[34],cqCC.A10-1置信区间的CAO主要是将叶绿素a催化为叶绿素b[32];PORA位于cqCC.A10-1的置信区间,其功能是将原叶绿素内酯催化为叶绿素a[33];环境稳定表达cqCC.A7-3和春性环境特异表达cqCC.A7-4置信区间的AtWSCP涉及叶绿素生物合成过程中的关键基因[34]。特别是ELIP1和PSBTN位于主效QTLcqCC.A1-4置信区间,这2个候选基因调控了类囊体膜的发育,从而提高植物在强光照环境的适应性以及光的移位,导致光合作用的影响[20-21]。QTL候选基因的鉴定与功能注释对于下一步油菜叶片叶绿素含量的遗传改良、基因功能验证和特异种质资源的培育具有重要作用。

4 结 论

甘蓝型油菜叶绿素含量的广义遗传力在春性环境较高,而在冬性环境相对较低,表现出油菜叶绿素含量在春性环境较为稳定。油菜叶绿素含量性状符合数量性状遗传的特点,受到多基因的调控和种植环境的影响。油菜叶绿素含量的31个consensus QTLs,其中cqCC.A1-4在冬性环境稳定表达,属于油菜叶绿素含量主效QTL;cqCC.A7-3和cqCC.A7-5为冬性和春性环境稳定表达QTL。在甘蓝型油菜叶绿素含量QTL置信区间鉴定到66个候选基因,包括BnaA01g14880D(ACD1-LIKE)、BnaA07g29990D(AtWSCP)、BnaA01g22670D(LHCA3)、BnaC08g43200D(PSAO)、BnaC06g28800D(FTSH1) 和BnaC08g19460D(SAUL1)等,其功能涉及叶绿素的生物合成和降解、光合作用中的光信号和植物激素信号等。在候选基因中,部分基因存在多拷贝,如CHLG和AtWSCP在叶绿素含量的QTL区间存在2个拷贝,FTSH1和UK1在油菜叶绿素含量的QTL区间存在3个拷贝,叶绿素基因多拷贝也增加了叶绿素调控的复杂性。甘蓝型油菜控制叶片叶绿素含量主效QTL可为下一步叶绿素含量基因的精细定位、基因克隆以及培育高光效油菜品种提供重要基因资源和参考依据。