大麦磷高效利用基因的挖掘

作     者：夏雪 

作者单位：浙江农林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：汪军妹

授予年度：2024年

学科分类：09[农学] 0901[农学-作物学] 

主      题：大麦(Hordeum vulgare L.) 磷 全基因组关联分析 HvPHR1 

摘      要：磷是作物生长发育所必需的大量营养元素,但其在土壤中的有效性低、迁移性差,已成为作物生产的主要限制因素之一,严重影响作物产量与品质。培育和种植磷高效利用作物是有效利用土壤磷和保证作物生产且环境友好的方法之一。挖掘磷高效利用基因、明确其调控机制是培育作物磷高效利用品种的前提和基础。本研究对251份大麦种质资源在田间进行未施磷肥和正常施磷肥处理,测定单株分蘖、有效分蘖、穗长、单株穗粒数及株高等农艺性状,在生长室内进行正常磷和低磷浓度水培处理,测定根鲜重、地上部鲜重、叶片和根无机磷含量等指标。通过全基因组关联分析,挖掘磷高效利用候选基因,结合单倍型分析,鉴定出优异的磷高效单倍型。此外探究大麦缺磷胁迫调节信号通路中核心调控转录因子HvPHR1的功能和调控机制。主要结果如下: 1.对田间农艺性状进行SNP和Indel的全基因组关联分析,在正常和未施磷肥条件下分别定位到1 643和1 028个显著关联SNP位点,其中297个与穗长相关和477个与穗粒数相关的SNP位点在不同磷环境条件下均被检测到。在正常磷肥和未施磷肥条件下定位到278和239个显著关联Indel位点,其中51个与穗长相关和72个与穗粒数相关的Indel在不同磷环境条件下均被检测到。对这些SNP和Indel所在功能区段进行基因功能注释,未能筛选到与磷代谢相关的候选基因。 2.对水培测定指标进行SNP和Indel的全基因组关联分析,分别检测到61 406个SNP和12 097个Indel与相对叶片无机磷含量显著关联,通过基因功能注释,初步筛选到19个参与磷转运、脂质代谢、磷酸化等过程的候选基因。本研究重点分析了SPX基因(***.r3.7HG0719650)和PAP基因(***.r3.5HG0459970)。***.r3.7HG0719650启动子区域含有3个P1BS顺式作用元件,同时存在9个SNP和2个Indel,根据SNP和Indel之间连锁关系,将10种单倍型分为六大类,其中Hap＿6相对叶片无机磷含量最高。***.r3.5HG0459970启动子区域有1个P1BS顺式作用元件,外显子上存在2个SNP,导致紫色酸性磷酸酶的保守结构域中两个保守氨基酸突变,该基因存在3种单倍型,其中Hap＿1相对叶片无机磷含量最高。 3.以AtPHR1蛋白为诱饵,通过同源比对在大麦中发现两个同源基因(HvPHR1和HvPHR2),组织表达结果显示HvPHR1表达水平显著高于HvPHR2。重测序数据显示HvPHR1基因第一个外显子和UTR区域上存在SNP位点,单倍型频率分析结果暗示该基因可能受到人工选择。HvPHR1的细胞核定位不受外显子突变(T269C)影响,HvPHR1过表达材料在正常磷浓度水培条件下叶片磷含量显著升高,老叶出现磷中毒表型,HvPHO2转录水平在过表达材料中显著下调。 综上所述,本研究挖掘了一批大麦磷高效的候选基因和优异的磷高效单倍型,初步探究了HvPHR1的功能,为大麦磷养分高效利用遗传改良提供理论支撑和基因资源。