低磷诱导小麦根系苹果酸分泌的遗传机制研究

Phosphorus (P) deficiency in the soil is one of the major limitation factors for wheat production. Under P deficiency, P-efficient wheat cultivars exude more organic acids (mainly malic acid) from their roots to activate mobilization of insoluble mineral P to increase their P acquisition. However, the genetic control mechanism of malic acid exudation is remained to be explored. We indentified a high malic acid exudation wheat cultivar "Kenong 9204" and a low malic acid exudation cultivar "Jing 411". We constructed a recombinant inbred line (RIL) population using these two cultivars. In this project, we will use the RIL population to study the genetic control of malic acid secretion by QTL analysis and the corelation of malic acid exudation capability of roots and the efficiency of P utilization. Further, a set of molecular markers that associated with high malic acid secretion and low P tolerance will be developed and the QTLs will be fine mapped for gene cloning.

土壤中有效磷缺乏是小麦产量主要限制因素之一。低磷胁迫下，磷高效小麦品种通过根系分泌以苹果酸为主的有机酸来活化土壤中难溶性磷，进而增加磷的吸收。然而，控制小麦苹果酸分泌的遗传机制并不清楚。我们筛选到苹果酸分泌量高的小麦品种"科农9204"和苹果酸分泌量低的品种"京411"，并用这两个品种构建了重组近交系(RIL)群体。本项目拟在正常和低磷水培条件下分析科农9204/京411 RIL群体根的苹果酸分泌量，并用QTL定位的方法挖掘控制苹果酸组成性和低磷诱导性分泌的遗传控制位点，同时也定位大田低磷条件下RIL群体的生物量和磷含量的QTL，研究小麦分泌苹果酸的遗传机制及其与大田耐受低磷的相互关系。建立小麦苹果酸分泌的分子标记体系，用于分子育种，并进而为克隆苹果酸分泌的关键基因做准备。

磷是植物正常生长发育所必需的大量营养元素之一，而土壤中大部分磷素被吸附固定，能被植物吸收利用的有效磷浓度很低。为了增加对土壤磷素的吸收，包括小麦在内的许多植物形成了根系分泌有机酸来活化土壤中难溶态磷的生理机制。小麦是我国的主要粮食作物之一，研究其高效吸收磷的遗传机制，将有利于磷高效小麦品种的选育，促进农业的可持续发展。本研究为探究低磷胁迫诱导小麦根系有机酸分泌的机制，建立了反相高效液相色谱(RP-HPLC)法检测低磷水培条件下小麦苗期根系有机酸分泌的实验体系，鉴定了150份国内外主栽小麦品种与种质资源，以及含182个家系的小偃54 × 京411重组近交系(XJ RIL)群体和含188个家系的科农9204 × 京411重组近交系(KJ RIL)群体在低磷胁迫时根系L-苹果酸分泌的速率，并通过完备区间作图法(ICIM)检测了这两个RIL群体L-苹果酸分泌速率的数量性状位点(QTL)位点。结果显示，低磷胁迫条件下耐低磷小麦品种比低磷敏感小麦品种分泌的L-苹果酸更多，在 XJ RIL 群体中检测到四个L-苹果酸分泌速率的QTL，分布在2A、3D、4B和7A染色体上，LOD值分别是5.75、3.08、6.59和3.44，分别解释9.95%、5.14%、11.52%和5.99%的表型变异。3D的QTL由来自小偃54的等位基因起增效作用，其余3个QTL由来自京411的等位基因起增效作用。在KJ RIL群体中检测到四个L-苹果酸分泌速率的QTL，分布在2B、5D、7B和7D染色体上，LOD值分别是3.50、5.50、2.65和3.46分别解释6.31%、9.93%、4.61%和7.21%的表型变异。2B和7D的QTL由来自科农9204的等位基因起增效作用，5D和7D的QTL由来自京411的等位基因起增效作用。这8个QTL的发现将对磷高效小麦分子标记辅助选择育种具有重要意义。