Динамическое QTL-картирование выявило, прежде всего, генетическую структуру фотосинтетических признаков клещевины (Ricinus communis L.)

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 14071 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

Высокая эффективность фотосинтеза является основой высокой биомассы и высокого показателя урожая клещевины (Ricinus communis L.). Понимание генетического закона фотосинтетических признаков будет способствовать селекции с высокой эффективностью фотосинтеза. В этом исследовании динамическое QTL-картирование было выполнено с популяциями F2 и BC1, полученными от двух родителей со значительной разницей в чистой скорости фотосинтеза (Pn) на трех стадиях, чтобы выявить генетическую структуру фотосинтетических признаков. В популяции F2 идентифицировано 26 однолокусных QTL, в том числе 3/3/1 (число QTL на стадии I/II/III, то же ниже), 1/2/0, 1/2/2, 1/3. /1, 0/1/1 и 1/1/2 QTL, определяющие Pn, эффективность использования воды (Wue), скорость транспирации (Tr), устьичную проводимость (Gs), межклеточную концентрацию CO2 (Ci) и содержание хлорофилла (Cc) , с объясненной фенотипической вариацией (PVE) 8,40%/8,91%/6,17%, 5,36%/31,74%/0, 7,31%/12,80%/15,15%, 1,60%/6,44%/0,02%, 0/1,10%/ 0,70% и 2,77%/3,96%/6,50% соответственно. Идентифицировано 53 эпистатических QTL (31 пара), в том числе 2/2/5, 5/6/3, 4/4/2, 6/3/2, 3/2/0 и 4/0/0, придающие выше 6 черт, с PVE 6,52%/6,47%/19,04%, 16,72%/15,67%/14,12%, 18,57%/15,58%/7,34%, 21,72%/8,52%/7,13%, 13,33%/4,94%/ 0 и 7,84%/0/0 соответственно. Результаты картирования QTL в популяции BC1 соответствовали результатам в популяции F2, за исключением того, что было обнаружено меньшее количество QTL. Большинство идентифицированных QTL были с второстепенным эффектом, лишь немногие были с основным эффектом (PVE> 10%), сосредоточенными на 2 признаках, Wue и Tr, таких как qWue1.1, qWue1.2, FqTr1.1, FqTr6, BqWue1. .1 и BqTr3; Эпистатические эффекты, особенно те, которые связаны с эффектами доминирования, были основным генетическим компонентом фотосинтетических признаков, и все эпистатические QTL не имели однолокусных эффектов, за исключением qPn1.2, FqGs1.2, FqCi1.2 и qCc3.2; Обнаруженные QTL, лежащие в основе каждого признака, различались на разных стадиях, за исключением стабильных QTL qGs1.1, обнаруженных на 3 стадиях, qWue2, qTr1.2 и qCc3.2, обнаруженных на 2 стадиях; Было идентифицировано 6 совмещенных QTL, каждый из которых соответствует 2–5 различным признакам, что продемонстрировало плейотропию генов между фотосинтетическими признаками; 2 кластера QTL, расположенные в пределах маркерных интервалов RCM1842-RCM1335 и RCM523-RCM83, содержали 15/5 (F2/BC1) и 4/4 (F2/BC1) QTL, придающих множественные признаки, включая совмещенные QTL и QTL с основным эффектом. . Вышеуказанные результаты предоставили новое понимание генетической структуры фотосинтетических признаков и важные ссылки на селекцию клещевины с высокой эффективностью фотосинтеза.

Клещинка – важная техническая масличная культура, содержание масла в ее семенах составляет 46–55%1. Касторовое масло широко используется в медицине, биодизеле и специальной химии благодаря высокому содержанию рицинолевой кислоты, которая имеет исключительно характерные физические и химические свойства2. Касторовое масло оказалось в дефиците в результате экономического роста, поскольку его производство значительно ниже уровня мирового спроса3. Выращивание клещевины — единственный коммерческий источник касторового масла, но из-за низкой урожайности и высоких затрат на рабочую силу площади выращивания уменьшаются с каждым годом. Таким образом, для содействия развитию клещевины на современном этапе существует острая необходимость выращивания высокоурожайных сортов.

Усиление фотосинтеза сельскохозяйственных культур может значительно повысить урожайность и биомассу4, 5. Однако по фотосинтетическим признакам сообщается меньше исследований, чем по другим характеристикам, таким как урожайность и тип растений, в основном из-за сложности сбора данных и воздействия процесса измерения на окружающую среду6. Совершенствование приборов и методов измерения способствовало изучению особенностей фотосинтеза, особенно у модельных растений, был обнаружен ряд генов, контролирующих фотосинтетические признаки, например, гены, опосредующие эффективность использования воды (Wue)7,8,9,10 ,11, скорость транспирации (Tr)12,13,14 и плотность устьиц15, 16 у Arabidopsis, а также гены, регулирующие фотосинтетическую способность и Wue у риса17,18,19,20. Кроме того, некоторые QTL, лежащие в основе фотосинтетических признаков, были успешно обнаружены у других культур, но с низкой степенью вклада (большинство из них с уровнем вклада менее 10%)21,22,23,24. Такая ситуация может быть вызвана эпистатическим эффектом, частично маскирующим однолокусный эффект, и совместным контролем фотосинтетических признаков многими генами минорного эффекта22. Тем не менее, дополнительная вставка OsDREB1C привела к усилению фотосинтетической способности, что привело к увеличению урожайности риса более чем на 40%18. Это убедительно продемонстрировало огромный потенциал регулирования экспрессии основных генов, контролирующих фотосинтетические характеристики, с помощью генной инженерии для повышения урожайности сельскохозяйственных культур.