Роли Куриране на данни, формален анализ, разследване, софтуер, валидиране, писане - оригинален проект, писане - преглед и редактиране

локуси

Институт по растителна биология и биотехнологии, Алмати, Казахстан, Казахски национален университет ал-Фараби, Алмати, Казахстан

Роли Куриране на данни, официален анализ, разследване, писане - преглед и редактиране

Институт по растителна биология и биотехнологии, Алмати, Казахстан, Казахски национален аграрен университет, Алмати, Казахстан

Роли Концептуализация, методология, ресурси, надзор, писане - преглед и редактиране

Присъединителен изследователски център за зърнени и промишлени култури, CREA, Фоджа, Италия

Концептуализация на роли, официален анализ, ресурси, писане - преглед и редактиране

Присъединителен изследователски център за зърнени и промишлени култури, CREA, Фоджа, Италия

Концептуализация на роли, официален анализ, ресурси, писане - преглед и редактиране

Отделение за земеделски и хранителни науки, Университет в Болоня, Болоня, Италия

Роли Концептуализация, ресурси, надзор, писане - преглед и редактиране

Отделение за земеделски и хранителни науки, Университет в Болоня, Болоня, Италия

Роли Концептуализация, куриране на данни, набиране на средства, разследване, администриране на проекти, надзор, писане - оригинален проект, писане - преглед и редактиране

Институт по растителна биология и биотехнологии, Алмати, Казахстан, Казахски национален университет ал-Фараби, Алмати, Казахстан

  • Шинар Ануарбек,
  • Сауле Абугалиева,
  • Никола Пекиони,
  • Джовани Лайдо,
  • Марко Макафери,
  • Роберто Тубероза,
  • Йерлан Туруспеков

Фигури

Резюме

Цитат: Anuarbek S, Abugalieva S, Pecchioni N, Laidò G, Maccaferri M, Tuberosa R, et al. (2020) Количествени локуси на признаци за агрономични белези в тетраплоидна пшеница за повишаване на добива на зърно в средата в Казахстан. PLoS ONE 15 (6): e0234863. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0234863

Редактор: Руслан Календар, Университет в Хелзинки, ФИНЛАНДИЯ

Получено: 23 април 2020 г .; Прието: 3 юни 2020 г .; Публикувано: 23 юни 2020 г.

Наличност на данни: Всички релевантни данни се намират в хартията и нейните поддържащи информационни файлове.

Финансиране: YT е получил безвъзмездните средства за изследователската цел. Номер на безвъзмездните средства: AP05131328. Продължителност на проекта: 2018-2020. Име на финансиращия: Министерство на образованието и науките на Република Казахстан (https://www.gov.kz/memleket/entities/edu?lang=en). Финансистите не са играли роля в дизайна на проучването, събирането и анализа на данни, решението за публикуване или подготовката на ръкописа.

Конкуриращи се интереси: Авторите са декларирали, че не съществуват конкуриращи се интереси.

Въведение

Твърдата пшеница (2n = 28, AABB, Triticum turgidum L. ssp. Durum) е все по-важна стока в световен мащаб, движена от успеха на средиземноморската диета и отглеждана на около 18 милиона хектара по целия свят [1]. През 2019 г. в Казахстан са засадени общо 465 хиляди ха твърда пшеница [2] с годишно производство до 500 хиляди тона зърно и износ до 385 хиляди тона, главно за Италия (51%), Русия (25 %), Турция (8%) и Тунис (5%) [3].

В световен мащаб твърдата пшеница се отглежда в райони с ниски сезонни валежи и често засегнати от суша, основният ограничаващ фактор за добива на зърно [4, 5]. Изследванията на ефективността на добива в различни екологични ниши са важни за оптимизиране на развъдните дейности в регионите, отглеждащи пшеница. През последните десетилетия животновъдите са разработили сортове, които са високопродуктивни и широко адаптирани към контрастна среда [6, 7]. В Казахстан пшеницата се отглежда преобладаващо на по-високи ширини в степната зона на северния регион [8]. Програмите за развъждане на твърда пшеница са фокусирани предимно върху повишен потенциал за добив и ранно узряване за оптимизиране на добива и качеството на зърното в условията на Северен Казахстан [9]. Следователно получаването на висок добив ще зависи от познаването както на факторите, ограничаващи добива от околната среда, така и на генетичните фактори [10].

Добивът на пшеница и свързаните с нея характеристики се контролират от множество количествени локуси на признаци (QTL), като всеки от тях допринася за значителна, макар и малка част от фенотипната вариация, която обикновено взаимодейства с фактори на околната среда (QTL x E), и/или епистатично [11]. Следователно, подробното разбиране на генетичния състав на количествените признаци ще бъде от съществено значение за разгръщането на подпомогната от маркера селекция, за да се подобри печалбата от селекцията на традиционните развъдни програми.

Материали и методи

Растителни материали и полеви опити

Колекцията от тетраплоидна пшеница (TWC), използвана в това проучване, първоначално се състоеше от 225 присъединения от световен произход, които бяха избрани да представят фенотипната променливост за характеристиките на компонента на добива на зърното, които бяха оценени в това проучване. Семената са предоставени от Изследователския център за зърнени и промишлени култури (Фоджа, Италия) и Департамента по земеделски и хранителни науки на Университета в Болоня (Болоня, Италия). Панелът включва седем присъединения на дива емерна пшеница (Triticum turgidum ssp. Dicoccoides) и 177 присъединения на шест култивирани подвида Triticum turgidum (а именно: ssp. Durum, turanicum, polonicum, turgidum, carthlicum и dicoccum). Името и мястото на произход за всяко присъединяване са посочени в (Таблица S1). Подробностите за генетичното разнообразие, структурата на популацията и моделите на LD на тази колекция от тетраплоидни пшеници са описани по-рано в [28] и [13]. 41-те присъединения, които не са достигнали етапа на зреене на семената поради изисквания за яровизация и/или фотопериод, не са взети предвид за анализ на GWAS.

184-те присъединения на TWC са отгледани в Северно-Казахстанската експериментална станция за селско стопанство през 2018 и 2019 г., оттук нататък докладвани като NK18 и NK19, както и в Югоизточен Казахстан в експерименталните полета на Казахстанския изследователски институт по земеделие и растителна индустрия, по-долу отчетени като SEK18 и SEK19. Двете местоположения представляват контрастиращи растежни области за надморска височина, надморска височина и качество на почвата. Таблица S2 отчита подробности за местоположението им, метеорологичните параметри и почвените условия.

Теренните експерименти бяха проведени съгласно рандомизиран пълен блок блок с две повторения. Всяко присъединяване се засажда на два реда, по 25 семена на ред, с междуредие 15 см, без напояване през вегетационния период, следователно при дъждовни условия.

Фенотипиране

SNP генотипиране

Данните за генотипиране за 16 425 SNP маркера (Illumina® iSelect 90K пшеничен SNP анализ, TraitGenetics GmbH, Gatersleben, Германия) са предоставени от Nicola Pecchioni и Giovanni Laidò (Изследователски център за зърнени и промишлени култури, Фоджа, Италия). Генотипните данни вече бяха филтрирани от маркери с> 10% липсващи данни и с 2 = 0,3 бяха използвани като интервал на доверие за деклариране на значителни SNPs, свързани с изследваните характеристики на компонента на добива. Значителните асоциации бяха избрани след прилагането на прагова лента при P -4. Графиките Quantile-Quantile (Q-Q) бяха анализирани, за да потвърдят корекцията поради използването на матрици K и Q. Всички значими MTA, разположени на консенсусна карта на твърдата пшеница в рамките на кратки картови интервали (10 cM), бяха групирани в един QTL. Само тези QTL, потвърдени в повече от една среда, или двете групи (цяла колекция, твърда подгрупа) се считат за стабилна асоциация с оценяваната черта.

Картата на консенсуса на тетраплоидната пшеница, описана от [36], се използва за определяне на геномно местоположение на SNP маркери, свързани с QTL за всяка черта. Графично представяне на генетичната позиция на MTAs беше извършено с помощта на софтуера MapChart 2.2 [37].

Генетичната позиция на идентифицираните QTLs беше сравнена с данните, получени и публикувани в други проучвания при тетраплоидна пшеница за същите признаци. Последователностите на маркерите, маркирани от SNP, в рамките на прогнозния интервал на всеки QTL бяха използвани като заявки при търсене BLAST срещу генома на твърда пшеница в уеб сайта на портала InterOmics (https://www.interomics.eu/) Svevo. Резултатът от това търсене беше съвпадението на удара, съответстващо на маркера с физическата позиция. Тези позиции бяха сравнени в Viewer Annotation Viewer (http://d-gbrowse.interomics.eu) с тези, получени по същия начин за QTLs, свързани с признаците, разгледани в настоящото проучване.

Резултати

Фенотипно разнообразие

Полевите изпитания на тетраплоидни присъединения на пшеница бяха проведени за две години в две контрастни среди в Казахстан, в северните и югоизточните райони на страната. Сто осемдесет и четири (184) присъединявания, състоящи се от 122 сорта твърда пшеница (DWV), 55 опитомени тетраплоидни пшенични култури (DTW) и 7 присъединения от див емер (WEA) (таблица S1), които бяха оценени за следните агрономически характеристики: HD, SMT, NFS, NKS, PH, SL, TKW и YPP. Анализът на коефициента на корелация на Пиърсън на YPP показа слаби положителни корелации между две години в рамките на географски различни експериментални обекти (Таблица 1).

Тъй като по-голямата част от твърдата пшеница расте в северните територии на страната, отделните корелационни анализи за осреднени полеви данни за NK18 и NK19 бяха извършени с помощта на коефициента на Пиърсън. Оценката на добива в две среди на Северен Казахстан не се различава значително, въпреки че TKW през 2019 г. е значително по-висока в сравнение с 2018 г. (P Таблица 2. Индекси на корелация на Пиърсън между признаците в полевите опити NK18 и NK19 в подгрупата на твърдата пшеница.

Ефективността на добива и в двата комплекта присъединяване е сравнена с YPP на „Damsinskaya yantarnaya“ (DY), която е стандартният сорт твърда пшеница в Северен Казахстан. Беше определено, че средната стойност на YPP при DWV (2,9 g ± 0,57) е по-висока, а при WDA по-ниска (2,4 g ± 0,6) в сравнение с DY (2,6 g ± 0,67) (Таблица 4). Общо 80 присъединявания на DWV и 18 присъединения на WDA показват по-високи YPP стойности от местния стандарт. При други черти сравнението между DWV с DY показва, че HD е по-кратък (до 6 дни), SMT е по-дълъг (до 7 дни) и PH е по-висок (19,3 cm ± 4) при DY, докато за останалите черти няма значителни разлики са били открити. Подобни разлики за HD и SMT са записани за сравнителни анализи на WDA и DY. WDA обаче е по-висока от DWV, а SL е 1.7 cm по-къса при DWV (Таблица 4).

GGE Biplot, базиран на YPP, също предполага, че събирането на присъединявания на T. durum има по-висока стойност от DY в Северна Казахстан (S1D Фиг.). Втората координата на участъка (42,0%) също показва, че присъединяването на T. dicoccum, T. carthlicum и T. turanicum има потенциал за подобряване на добива от твърда пшеница в региона. GGE Biplot показа, че датата на заглавие в стандартния сорт е значително различна от останалите присъединения (S1A Фиг.). В случая на SMT анализ, GGE Biplot предполага, че за разлика от присъединяванията на T. durum, присъединяванията на T. dicoccum и T. dicoccoides имат почти сходно време за узряване на семената с DY (S1B Фиг.). И накрая, GGE biplot показа рязък контраст в PH между DY и колекцията от T. durum (S1C Фиг.), Тъй като средно DY беше с 26,2 cm по-висок от присъединяването на T. durum. Сред примитивните и дивите тетраплоидни видове T. turgidum, T. polonicum и T. dicoccoides са били в диапазона на PH в DY.

Идентифициране на асоциации маркер-черта с помощта на TWC и DWV набори, изследвани в две контрастни среди

В това проучване използвахме 16 425 полиморфни SNP маркера, получени с 90K SNP анализ [32]. PCoA, използвайки пълния набор от полиморфни SNP и двойни стойности на популацията, предполага, че T. durum и T. turanicum са генетично по-близки в сравнение с други видове (Фигура 1). Първият основен компонент в PCoA (42,8%) ясно отделя T. durum от свободно вършителните видове T. carthlicum и олющените видове T. dicoccoides и T. dicoccum. Освен това вторият основен компонент (31,1%) разделя T. durum и T. turanicum от T. polonicum и T. turgidum.

Позициите на SNP маркери за всяка хромозома са дадени въз основа на [36]. QTL за адаптивни (зелени) и свързани с добива (сини) черти са показани от дясната страна на хромозомите. QTL акронимите показват признака и хромозомата. Най-значимите SNP маркери са подчертани в цвят.

Позициите на SNP маркери за всяка хромозома са определени въз основа на [36]. QTL за адаптивни (зелени) и свързани с добива (сини) черти са показани от дясната страна на хромозомите. QTL имената показват чертата и хромозомата. Най-значимите SNP маркери са подчертани в цвят.

Черти, свързани с адаптацията на растенията

Три ключови черти, HD, SMT и PH, бяха оценени поотделно, тъй като те пряко се свързваха с растителната адаптация на изследваните присъединения в две контрастни места. Изследването на HD позволи да се идентифицират 17 QTL, разкрити в TWC анализ и 7 в DWV комплекти, които също са открити в TWC (Таблица 9). Процентът на обяснена фенотипна вариация (R 2) на всеки от тези QTL варира от 10 до 48%, Р-стойностите на асоциации маркер-черта варират от минимум 1,74Е-04 до максимална значимост от 1,20Е-08. Интересното е, че QTL с пиков SNP маркер IWB54033 (2A, 46,2 cM) изглежда е свързан с чувствителността към фотопериода Ppd-A ген на хромозомата 2A, а IWB45998 маркерът (2B, 65,2 cM) се намира близо до известния ген Ppd-B1 (Фигура 2). Другите очаквани съвпадения бяха локус QHD.td.ipbb_5A.2, разположен в близост до Vrn-A1 (S2B и S2E Фиг.) И локус QHD.td.ipbb_5B.1, разположен в района на Vrn-B1 (Фиг. 3, таблица 6).

Осем QTL за SMT бяха открити в TWC и нито един в DWV подгрупа (Фигури 2 и 3, Таблица 9). Всеки от тези QTL обяснява между 9 и 33% от фенотипната вариация. С изключение на QTL в 3AL, всички други асоциации за SMT са локализирани съвместно с QTL за HD. Най-силната асоциация с тази черта показва IWB9499 (2B, 41.9 cM) със значимостта на стойностите на P2 (от 21 до 24%) и се наблюдава на хромозоми 1B, 4A и 5A (Таблица 5). Анализът в изследваната среда предполага, че IWB20993 на хромозома 1B (162,5 cM) (S2H и S2J Фиг.) И IWA3827 на хромозома 5A (110,5 cM) (S2K и S2L Фиг.) Са най-стабилни и регистрирани като значими в четири среди (Таблица 5) . IWB20993 е най-значимо свързаният SNP маркер с PH и идентифицира както използването на TWC (R 2, 9%), така и DWV (R 2, 21%). Следващите най-значими QTL са идентифицирани на хромозома 4А, където IWB40358 (25,7 cM) и IWB65979 (133,2 cM) показват силен MTA (P 2 от 37,6% в проучване на DWV подгрупа (Таблица 7).

Дискусия

Анализите на GGE Biplot за ефективността на добива разкриват, че присъединяванията на T. dicoccum, T. carthlicum и T. turanicum също имат потенциал за подобряване на добива от твърда пшеница в региона (S1D Фиг.). В допълнение, сред другите диви тетраплоидни видове, T. turgidum, T. polonicum и T. dicoccoides са в диапазона на PH в DY (S1C Фиг.). Тази констатация е важна, тъй като местните животновъди считат по-високата PH за една от полезните черти за по-добра адаптивност на размножителния материал в региона (Таблица 4).

GWAS от осем агрономични черти в комплекти TWC и DWV, събрани в два контрастни региона. GWAS за идентифициране на асоциации на маркери и черти (MTA) в комплекти TWC и DWV, събрани в четири среди, беше проведено чрез анализ на седем агрономични признака. Цялата колекция преди това беше генотипирана, използвайки 16 425 полиморфни SNPs [32]. За отбелязване е, че PCoA, базиран на 16 425 SNP, предполага, че сред опитомените видове T. turanicum е най-генетично близък до T. durum (фиг. 1). GWAS позволи да се идентифицират 40 MTA за три признака за адаптация на растенията (HD, SMT и PH) и 43 MTA за четири признака, свързани с добива (SL, NFS, NKS и TKW). Сравнението на 83 идентифицирани MTA с предварително публикувани доклади в GWAS за твърда пшеница предполага, че 38 MTA са вероятно нови (Таблица 9). Останалите 45 MTA са били предварително идентифицирани въз основа на полеви изпитания в други части на света. Големият брой съвместно локализирани MTA за същите анализирани черти потвърждава валидността на това проучване.

За разлика от HD и SMT, източникът на 15 идентифицирани MTA за PH е наборът DWV, а използването на целия комплект TWC също помага за разкриването на пет от тези MTA, което предполага, че една трета от тези асоциации са допринесени от набора WDA (Таблица 6). Следователно, наборът от WDA е богат източник за откриване на нови гени, които влияят на PH в тетраплоидната пшеница. От девет предполагаемо нови, MTAs за PH три MTAs също бяха открити с помощта на TWC набор, включително един значим SNP в MTA в кодиращия регион и SNPs в два MTAs в некодиращи региони. По-голямата част от 15 MTA за PH, с изключение на един MTA в северната зона и четири MTA в югоизточната зона, бяха разкрити и на двете места (таблица S3). Три от пет MTA, идентифицирани с помощта на TWC, QPH.td.ipbb_4B.1 (Rht-B1), QPH.td.ipbb_5A.2 (Rht9), QPH.td.ipbb_6A.1 (Rht24), бяха наблюдавани в Северна станция (Фиг. 2 и 3).

Оценката на идентифицираните асоциации маркер-черта за признаци, допринасящи за добива. Оценката на 43 MTA за признаци, допринасящи за добива, предполага, че са идентифицирани тринадесет MTA за SL, осем за NFS, един за NKS и 21 за TKW (Таблица 9). Нито един от MTA не е картографиран в позиции на известни специфични гени, които контролират тези черти, с изключение на два гена, свързани с TKW (Таблица 7). В първия случай QTKW.td.ipbb_6A.1 (58.5–87.1 cM), идентифициран в това проучване, е позициониран в близост до ген TaGW2-6A (отрицателен регулатор на размера и теглото на зърната) [54, 36]. Във втория случай QTKW.td.ipbb_7A.1 (111.1 cM), идентифициран в това проучване, е картографиран в позицията на TaPPH-7A (участва в разграждането на хлорофила, допълнително влияе върху добива и качеството на културите). [50] (Таблица 7).