略论芝麻种子相关性状，及其QTL构建的高密度遗传图谱

2023-07-22 凡观纪实

文 | 凡观纪实

编辑 | 凡观纪实

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芝麻是一种二倍体物种，是国内最古老和最重要的油籽作物之一，基因组大小为354Mb。芝麻是一种营养来源，因为高含量的不饱和脂肪酸和天然抗氧化剂。

芝麻现已在亚洲、非洲和南美洲的许多热带和**带国家广泛种植，5年至82年全球平均年产量为2011万吨，收获面积为2016万公顷。

芝麻对干旱具有很高的耐受性，很容易适应各种土壤类型和栽培方法。然而，由于其种子体积小，其生产面临着与许多作物类似的挑战。

例如发芽率降低、生长缓慢以及幼苗对环境条件的耐受性低，最终影响作物产量。因此，增加种子尺寸和提高种子质量都是芝麻生产的重要方面。

一、QTL对种子的影响

在作物中，种子大小是一个复杂的定量性状，通常使用三个指标来描述：种子长度、种子宽度和种子厚度。

到目前为止，在水稻，玉米和小麦中已经报道了许多与种子大小性状相关的定量性状位点或基因。

在番茄中，fw2.2基因是影响果实重量的重要位点，是心皮细胞**的负调节因子。 其他与种子相关的定量性状包括种子重量和种皮颜色。

在芝麻中，千粒重量的值从1000.1g到82.4g不等。近年来，使用全基因组关联研究检测了16个与油籽产量显著相关的候选基因。

成熟芝麻最常见的颜色是黑色和纯白色，不太常见的色调是灰色、棕色、金色、**、浅白色等。

芝麻品种的种皮色性状与种子生化特性、抗氧化能力甚至抗病性有关，被认为是芝麻属内物种进化的标志。到目前为止，使用F检测了四种种皮颜色的QTL。

根据GWAS共确定了32个种皮颜色位点附近的候选基因。然而，据我们所知，没有关于芝麻中QTL的位置和与种子大小性状相关的基因的报告。

控制种皮颜色和种子重量的基因尚未在该物种中鉴定出来，发现QTL和与种子大小、种皮颜色和种子重量相关的基因是开发芝麻分子育种技术的必要条件。

二、芝麻种子相关性状的遗传机制

下一代测序的发展使得快速构建高密度或超致密单核苷酸多态性遗传图谱成为可能，用于在许多作物中进行基于图谱的基因鉴定。

对于芝麻，已经构建了六个高密度分子遗传图谱，用于芝麻基因组组装和基于图谱的基因**。

特别是，使用全基因组重测序方法构建超致密SNP遗传图谱增强了芝麻的基因**和基因组学研究。

基于连锁映射方法和候选变异筛选，成功**了控制花序确定性的Sidt1和控制叶片卷曲和蒴果不裂的Sicl1两个芝麻基因。

为了阐明芝麻种子相关性状的遗传机制，我们对芝麻种子大小、TSW和种皮颜色性状进行了遗传表征。

基于特定长度扩增片段测序方法构建的高密度遗传图谱，测定芝麻中与种子大小、种子重量和种皮色性状相关的优势QTL，并分析QTL区间内的候选芝麻基因。

研究结果为芝麻种子相关性状的进一步遗传调控分析奠定了坚实的基础。

三、芝麻基因分析

种子大小、TSW和种皮颜色是重要的种子外观特征。我们选择了两个在转介性状上存在显著差异的完全纯合亲本进行种内杂交。

构建了具有2159个位点的新芝麻遗传图谱，探索了种子相关性状的遗传基础，并确定了重要的QTL。

为了提高定量性状遗传分析的精度，我们在两种环境中使用大型实验组对所有性状进行了分离分析。分析了两种环境表型性状的频率分布，揭示了不同地方的平均值相似。

在种子大小方面，在0次田间试验的相关系数分析中，SL、SW、SP、SD、SA呈显著正相关。同时，SC值与SL、SP、SD、SA和LWR呈显著负相关。

种子大小是水稻产量组成的重要因素，种子大小的主要指标是SL、SW、种子厚度和LWR，SL是水稻种子大小的**指标。

未来对种子大小性状的研究应包括SL和SC的遗传模型。由于种子重量是与SL、SW和ST密切相关的典型数量性状，我们分析了0个重要种子大小性状与TSW之间的相关性。

结果表明，01年HN产量为SL、SW、SP、SD、SA和TSW2015个种子大小性状呈正相关，9年YY产量呈负相关。

TSW、SL、SW、LWR和SC的近正态曲线分布表明遗传对照的多基因模式。这是第一项表明芝麻种子大小性状是复杂的数量性状，受多个基因控制，对环境变化敏感。

因此，必须反复检查种子表型相关性状以获得可靠的QTL定位，并对遗传效应，基因遗传力和基因组功能进行额外的研究，以阐明控制种子相关性状的分子机制。

水稻是生物学研究的模式作物，其种子大小影响产量和商业质量。本研究启动了芝麻粒径的研究，提高了芝麻产量和外观质量。

种皮颜色是芝麻的重要农艺性状，与蛋白质和油脂代谢的生物化学、抗氧化活性和抗病水平密切相关。

Zhang等报道，芝麻籽色是复杂的定量特征，主要受两大基因和多基因的遗传遗传因子控制，具有加显上位效应。在遗传分析中，芝麻种皮颜色的黑色主导白色。

F型1白芝麻和黑芝麻种质杂交的种子总是黑色的，因此黑色种子的颜色是通过延迟遗传或预先确定来表达的。

Wang等人的研究结果表明，黑色、白色和**在芝麻种皮颜色指数L*、a*和b*中占主导地位。

在F3从高邮8和甘植6的品种间杂交中获取种群，在大多数种子颜色空间中发现了正负的越界分离。

种皮颜色以典型的定量方式表现出来，与种皮颜色相关的23个指标的表型变异显著相关，表明遗传因素在该性状中起着重要作用。

种子颜色空间，如L，a，b，L*，a*，b*等，表现出双峰分布，表明主要效应基因的参与，这与以前的研究一致。

不同作物调控种皮色性状的基因数量各不相同，可检测到37-38个基因来控制性状。种子颜色性状相对稳定，不受环境因素影响。

在我们渐进的芝麻基因组计划中，对基因**的研究，进一步的基因组组织和功能对于研究种皮颜色与重要生化过程之间的相关性至关重要。

四、芝麻的遗传连锁图

QTL图谱，在高分辨率遗传连锁图的帮助下，总是用于定位与特定性状相关的候选基因。

芝麻是一种自花授粉作物，所有芝麻种质均来自唯一栽培的芝麻物种S.indicum。

因此，芝麻的遗传基础较窄，芝麻中可用于多态性的通用分子标记较少，如简单序列重复和SNP。

测序基因分型是一种高通量技术，用于在短时间内生成足够的多态性标记，用于高密度遗传图谱构建。

之前已经使用SALF-seq和**性位点相关DNA测序技术基于还原表示基因组测序构建了四个芝麻SNP图谱。

SNP已成为许多进化和生态学中理想的标记类型选择，因为它们是基因组中最丰富和最常见的遗传变异形式。

在这项研究中，我们使用SLAF-seq方法构建了芝麻的高密度遗传连锁图谱，该方法是最近开发的，以实现芝麻SNP和InDel标记的首次快速质量鉴定。

SLAF是通过对序列特异性**性切合片段长度的配对末端进行测序来测量的，而RAD序列是通过**性内切酶后随机中断的基因组DNA来测量的。

因此，SLAF表现出比RAD更好的重复性，并且可以生成大量的序列信息并处理全基因组密度分布。

同时，该技术在更高的基因分型准确性和相对较低的测序成本之间取得了平衡。在这项研究中，我们发现了2000多个SNP。

整个基因组的SNP率为6.46%，高于Zhang等人报告的5.12%。大多数SNP属于R和Y类型，这与之前发表在芝麻和其他物种上的观察结果一致。

这种新图谱比使用类似技术的其他已发表的芝麻遗传图谱具有更可取的特征，例如，更大的F2应用了122人的隔离人口。

地图相对饱和，有2159个标记，其中2142个“SNP_only”型，13个LGs与芝麻核型中的26条染色体匹配，因此可用于精细基因组组装。

估计的芝麻基因组为2128.51cM，明显长于先前发表的1216cM和1474cM的地图，并且平均标记距离更高，为0.99cM。

因此，本研究中的地图优于两张较旧的芝麻图谱，将有助于QTL/基因图谱、比较基因组学研究、基于图谱的**等的发展。

由于遗传图谱主要基于仅由两个芝麻品种产生的SNP构建和整合，SNP侧翼序列为80bp，因此该图谱作为研究界通用工具的实用性具有局限性。

由于连锁不平衡衰减距离和基因组大小，理想的饱和遗传图谱应基于超过***0个SNP，均匀分布在芝麻中的13个LG中的每一个上。

2016年，Zhang等人采用基因组重测序策略构建了芝麻的超密集SNP遗传图谱，其中平均标记密度约为每0.98cM一个箱或每0.1cM一个SNP。

据报道，偏析失真是一种普遍现象，如果使用得当，可能有利于QTL分析，我们使用孟德尔标记构建了一个核心遗传图谱。

之后，将分离失真标记分别**到现有地图中，并使用与Wang等人类似的方法对标记之间的重组部分进行迭代过程。

结果，343个具有扭曲分离的标记被映射到最终地图上，分布在10个LG中的13个接近末尾，而在其他遗传图谱上发现了79个，205个和115个标记。

在我们的地图中，在18个LG上检测到11个SDR，而在33个LG上检测到31个SDR，在其他SLAF地图中在LG上检测到SDR。

五、总结

芝麻是一种重要的油籽作物，含油量高，但种子尺寸小。为了揭示定量种子相关性状的遗传位点，我们构建了F2利用特定长度扩增片段技术进行群体分析。

并根据F表型测定芝麻种子相关性状的定量性状位点3后代。本研究首次提供了种子相关性状的QTL映射，其F2芝麻人口。

我们使用SLAF-seq测序共检测到3129个SNPs标记，并结合InDel标记构建了高密度遗传图谱，该标记包含与芝麻染色体数量相同的连锁组数。

对17个重要的种子相关性状进行了QTL分析，19个主效应QTL分别解释了LOD>10表型变异的3%以上。

10个QTL与种皮颜色空间相关，2个QTL与种子大小性状相关，2个QTL与TSW相关。

4个QTL具有相似的QTL区域，部分解释了这些种子相关性状之间的相关性。QSC1和QL/W4，QSCCA4-2和QSCCB4，以及QSCCA11-11和QSCCA*11并置。

由男性父母贡献的四个QTL，qsl11，qsd11，qsa469和qsw，位于LG上。在稳定QTL的置信区间**鉴定出候选基因。

该报告为芝麻种子相关性状的下游遗传分析奠定了坚实的基础，例如基于图谱的基因**、标记辅助选择和基因组序列组装。

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