白菜氮利用效率遗传机制研究

【摘要】氮是植物生长发育最为基本的矿物质营养成分。施用氮肥是提高农作物的产量的有效方法。但是,过量施用氮肥不仅提高生产成本,并且会导致氮利用效率(NUE)的降低,以及对环境产生严重的污染。因此,提高作物氮利用效率对维持节约和环境友好的农业生产有着重要的作用。白菜类作物是我国最重要的农作物之一,主要作为蔬菜类作物,油料类作物和饲料作物栽培,但是关于白菜类作物氮吸收利用的遗传改良的研究比较缺乏。提高白菜类作物氮利用效率将对减少生产中氮肥施用起到促进作用。本研究的目的是鉴定在不同的氮水平下白菜类作物形态和产量性状相关的QTL位点,以为将来的氮利用效率改良奠定基础。本研究调查了白菜地上部和和根系对不同施氮条件反应的自然变异。我们对来自五个栽培种群的45份白菜种质资源进行表型调查,结果表明在低氮(LN)和高氮(HN)条件下白菜的地上部和根系形态性状都发生明显的变化。总体而言所有的性状在HN条件下的表型数值都高于LN条件,但是在缺氮条件下降低的幅度在品种间存在着显著差异,既有缺氮敏感材料,也有耐性材料。地上部性状,包括株高(PH),株幅(PW),叶片数(NOL),地上部生物量(SDB)对于不同氮水平的反应在材料间存在差异,其中SDB在LN条件下降低幅度最大,平均降低幅度为32%。根系性状,包括根系生物量(RDB)、根系密度(RT)和根密度(RD)在HN条件下较高氮条件下显著增加,而主根长度(PRL)和根：冠比则在HN条件下显著降低,但是总根长度(TRL)在不同N水平间则没有显著差异。地上部和根部表型和产量在不同N水平条件下的广泛自然变异为白菜的氮利用效率的遗传解析和改良提供了基础。相关系数显示,各种性状间呈现显著正相关。在HN和LN条件下,RDB、TRL和SDB之间均呈现极显著的相关性。RDB、TRL和SDB之间的强相关性表明,根和茎的活力是对白菜高效摄取氮所必需的。数量性状位点(QTL)分析是研究复杂性状遗传的重要工具之一。利用包括103个株系的白菜双单倍体(DH)群体,在低氮和高氮的处理条件下调查白菜形态和产量性状,对这些性状进行QTL分析。本研究在低氮检测到10个QTL,高氮条件下检测到8个QTL。在18个QTL中,12个QTL与地上部性状(株高,叶片数地上部干生物量)相关,6个与根部性状(根干生物量和总根长)相关。在低氮水平下单个QTL解释的表型变异范围为12.8-26.9%,在高氮水平的表型变异范围为13.4-22.3%。在低氮条件下控制株高(PH)的QTL贡献率最高,解释26.9%的表型变异。在低氮和高氮条件下检测到的QTL中有两个存在共定位,一个是与株高相关的QTL位于A05染色体上,另一个与地上部干生物量(SDB)性状相关的QTL位于A04染色体上。其他检测到的QTL均为不同N水平条件下特异的。本研究中没有找到主效QTL(贡献率>30%),这表明白菜氮利用效率受复杂的遗传控制,且多数是微效数量性状位点。这意味着对白菜氮利用效率进行遗传改良需要整合很多氮利用率相关基因,因而使得采用传统育种方式达到这一目的过程会很漫长。我们分析了根部性状和地上部性状的相关性,结果显示在低氮和高氮条件下地上部生物量(SDB),根生物量(RDB)和总根长(TRL)见存在最强的相关性。说明改善白菜的根部系统可能会提高氮的吸收,以至于最终提高地上部分的生物量。白菜存在的大量自然变异为氮利用效率的遗传分析提供了基础,以开发高效的育种策略,来提高氮肥利用率。研究报告显示,在白菜中存在氮吸收和代谢的大量的遗传变异,并导致白菜中与根茎相关的形态性状的QTL鉴定。这些发现加深了我们对于提高氮肥利用率的遗传学的理解,并可能被证明是有益的遗传改良。
【作者】NiazAhmedWahocho；
【导师】王晓武；武剑；
【作者基本信息】中国农业科学院，蔬菜学，2014，博士
【关键词】白菜类作物；数量性状位点；氮利用效率；形态性状；

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