Subiecte

Abstract

La grâu (Triticum spp.), Modificarea morfologiei inflorescenței (vârfului) poate crește numărul și mărimea boabelor și astfel poate îmbunătăți randamentul. Aici, am demonstrat potențialul de manipulare și prezicere a morfologiei vârfurilor, pe baza a 44 de trăsături. În 12 soiuri de grâu, am observat că detilarea (îndepărtarea ramurilor), care modifică distribuția fotosintatului, a schimbat morfologia vârfurilor. Studiul nostru de asociere la nivelul întregului genom a detectat asocieri strânse între împărțirea carbonului (de exemplu, numărul cleiului, greutatea principală a lăstarilor) și morfologia vârfului (de exemplu, lungimea vârfului, densitatea spiculetelor) în 210 soiuri. Majoritatea trăsăturilor de împărțire a carbonului (de exemplu, greutatea uscată a timonului, indicele recoltei) au demonstrat capacități ridicate de predicție (> 0,5). Pentru morfologia vârfurilor, unele trăsături (de exemplu, numărul total și fertil al spiculelor, lungimea vârfului) au prezentat abilități mari de predicție (0,3-0,5), dar altele (de exemplu, fertilitatea spiculelor, densitatea spiculelor) au prezentat abilități de predicție scăzute

Introducere

Morfologia inflorescenței (denumită vârf) a cerealelor cu cereale mici este crucială în determinarea randamentului cerealelor. Componentele vârfului (de exemplu, spiculețele, care sunt unitățile de bază ale inflorescenței și conțin flori, glume și lemme), de asemenea, se influențează reciproc. Numărul și dispunerea acestor componente ale vârfului afectează lungimea vârfului, greutatea vârfului, pleava vârfului (adică biomasa fără cereale din vârf), numărul boabelor pe vârf, greutatea boabelor pe vârf și numărul de vârfuri pe vârf, care contribuie la final randament de cereale pe vârf 1,2,3. Pentru a produce soiuri cu cea mai eficientă producție de cereale în diferite medii, trebuie să știm cum să prezicem și să manipulăm morfologia vârfurilor din grâu.

Formarea ramurilor, numite motocultoare, afectează numărul și greutatea bobului și, prin urmare, este strâns legată de randamentul 4,5,6,7. Donald (1968) a propus că grâul uniculm, care nu formează prelucrători, are potențialul de a obține un randament mai mare în comparație cu grâul cu prelucrători 8. Detilarea poate fi utilizată pentru a studia relația dintre cultivare și factorii morfologici vârf discutați mai sus. S-a raportat că creșterea randamentului de cereale după îndepărtarea lantului s-a datorat în principal creșterii numărului de cereale pe spiculet în grâu 9 .

În plus față de îndepărtarea lantului, alte studii au îndepărtat componentele vârfurilor, cum ar fi spiculete, flori, glume și leme, pentru a evalua interacțiunile lor între ele. De exemplu, Pinthus și Millet (1978) au constatat o creștere mică a numărului de cereale și o creștere semnificativă a greutății cerealelor în spiculele rămase după îndepărtarea spiculetelor din grâu 10. De asemenea, au arătat că greutatea cerealelor a fost determinată de factori care afectează volumul de cereale 11. În mod similar, Wang și colab. (1998) au descoperit că îndepărtarea spiculetelor a crescut semnificativ numărul de grâne și greutatea cerealelor pe spiculet 12. Îndepărtarea glumelor și lemelor din spiculețele de grâu în timpul perioadei de umplere a boabelor a dus la o creștere mai mică decât la floretele intacte 13 .

În plus față de măsurarea trăsăturilor morfologice ale vârfurilor, am examinat câțiva indicatori importanți care sunt legați de diferențele cunoscute în morfologia vârfurilor și distribuția asimilată. De exemplu, indicele de fertilitate al vârfului (determinat ca număr de granule pe gram de paie), densitatea spiculetelor (numărul de spiculă pe centimetru lungimea vârfului), fertilitatea spiculetelor (raportul dintre numărul fertil și numărul total de spiculete) și fertilitatea floretului (raportul dintre numărul maxim de primordii de flori și numărul de grâne finale în spiculele individuale) relevă relațiile dintre componentele vârfurilor discutate mai sus și demonstrează, de asemenea, efectele generale asupra creșterii și dezvoltării vârfurilor. Am emis ipoteza că vârful grâului se adaptează la stres și condițiile de mediu prin echilibrarea relațiilor dintre diferitele componente ale vârfului. Prin urmare, putem încerca să maximizăm randamentul cerealelor prin manipularea și prezicerea trăsăturilor morfologice ale vârfurilor din grâu.

În acest raport, am demonstrat mai întâi potențialul de manipulare a morfologiei vârfurilor printr-un experiment detilant. Mai mult, am realizat un studiu de asociere la nivel de genom (GWAS) și o selecție la nivel de genom (GS), demonstrând potențialul de manipulare genetică și de predicție a morfologiei vârfurilor la grâu. Mai mult, corelația și analizele treptate au relevat relația dintre datele cu efect de seră și cele din câmp, precum și trăsăturile morfometrice critice pentru determinarea randamentului de cereale.

Materiale și metode

Materialul vegetal și condițiile de creștere

Fenotipul pentru cele 210 aderări de grâu de iarnă a fost efectuat în seră. Condițiile de creștere pentru toate soiurile, inclusiv cele 210 accesorii de grâu de iarnă pentru GWAS și cele 12 accesorii de grâu de primăvară pentru experimentul de detilare, pot fi găsite într-o lucrare anterioară 3. Pe scurt, patruzeci de plante au fost plantate pentru fiecare soi. Boabele au fost semănate în tăvi cu 96 de godeuri la aceeași dată și au germinat în condiții de seră (fotoperioadă și temperatură, 16: 8 h, 20:16 ° C, lumină: întuneric) timp de 14 zile. Răsadurile din stadiul de două până la trei frunze au fost transferate la 4 ° C pentru a se vernaliza timp de 63 de zile. Răsadurile vernalizate au fost transferate într-o etapă de întărire (fotoperioadă și temperatură, 12:12 h, 15:15 ° C, lumină: întuneric) timp de 7 zile pentru a se aclimatiza treptat. În cele din urmă, toate plantele au fost trans-plantate în ghivece de 0,5 l (o plantă pe ghiveci) în condiții de seră controlate (fotoperioadă și temperatură, 16: 8 h, 20: 6 ° C, lumină: întuneric). Lumina suplimentară (c. 250 lmol m −2 s −1 radiație fotosintetic activă) a fost alimentată cu lumină incandescentă de intensitate redusă, iar plantele au fost irigate când a fost necesar.

Măsurători fenotipice

Randamentul cerealelor (tone/hectar) pentru toate cele 210 aderări de grâu de iarnă a fost determinat la opt medii în câmp. În acest studiu, am reanalizat câteva date pentru a susține rezultatele cu diferiți markeri și abordări SNP în scopuri diferite.

Materiale vegetale și analize ale datelor fenotipice

Datele fenotipice din cadrul fiecărui studiu au fost analizate utilizând următorul model mixt:

unde P au fost valorile fenotipice din fiecare studiu, G s-a referit la valorile genetice și e denotă reziduurile. G și e au fost presupuse a fi efecte aleatorii pentru a estima repetabilitatea. Repetabilitatea pentru fiecare experiment a fost calculată ca: \ (\ frac >> _ >>>>> _ >> + \ frac >> _ >>>>>> \) unde VG a fost varianța genetică, Ve a fost varianța de reziduuri, iar R se referea la numărul de replici. Valorile fenotipice ale 3 trăsături în diferite studii cu estimări de repetabilitate sub 0,5 au fost eliminate din analiza ulterioară.

Am folosit următorul model mixt liniar pentru a estima cele mai bune estimări liniare imparțiale (ALBASTRI) ale genotipurilor din cadrul experimentelor:

unde P reprezintă valorile fenotipice în fiecare studiu, G s-a referit la valorile genetice, T a fost efectul fiecărui studiu și e denotă reziduurile. G a fost tratat ca un efect fix pentru estimarea ALBASTRILOR și ca un efect aleatoriu pentru a estima componenta varianței. E și e au fost întotdeauna stabilite ca efecte aleatorii. Mai mult, am presupus o varianță de eroare eterogenă în fiecare proces. Heritabilitatea a fost calculată ca \ (^ = \ frac _> _ + \ frac _ >> \), unde O a fost numărul de studii medii suprapuse.

Analize de asociere la nivel de genom

Pentru a investiga influența amestecului de populație, am folosit mai întâi algoritmul de relaxare a blocului în programul ADMIXTURE 19 pentru a estima proporțiile individuale de strămoși, având un număr optim (k = 10) de populații ancestrale ipotetice. Apoi, am efectuat o analiză componentă principală (PCA) asupra populației de grâu de 210 soiuri. Primele 10 componente principale au fost utilizate pentru analize de analiză ulterioare în conformitate cu rezultatele ADMIXTURE. Rezultatele PCA nu au relevat nicio structură aparentă a populației dintre soiuri (Fig. S1). Prin urmare, am efectuat un studiu de asociere la nivel de genom (GWAS) cu un model liniar mixt folosind EMMA 20. Deoarece au fost detectați mulți markeri asociați polimorfismului nucleotidic unic (SNP), am ales un nivel global de semnificație a limitei −log10 (valoarea P) ≥ 3,0, ceea ce înseamnă că este așteptat un fals pozitiv în o mie de evenimente. Este peste sau aproape de pragul ratei de descoperire falsă pentru majoritatea trăsăturilor.

Estimarea eritabilității bazată pe marker (sau ereditatea în sens restrâns), h 2) a fost implementat pe baza unui model mixt pentru a calcula probabilitatea maximă restricționată (REML) - estimările varianței genetice și reziduale. Repetabilitatea și ereditatea au fost calculate de pachetul 21 de ERITABILITATE R .

Predicție la nivel de genom

Am folosit două modele de predicție la nivel de genom în combinație cu validarea încrucișată de cinci ori pentru a evalua acuratețea pentru a prezice valorile genetice pentru genotipurile netestate. Primul model exploatează efecte aditive:

Al doilea model folosește efecte aditive și efecte aditive aditive în timp:

Rezultate

Modificarea morfologiei vârfurilor prin manipularea partiționării asimilate

Am efectuat un experiment de detilare pentru a examina potențialul manipulării morfologiei vârfurilor prin reglarea distribuției alocării (Fig. 1, Tabelele 2 și S2-8). În condițiile de creștere a câmpului și a serelor, media densității spiculelor (numărul spiculelor pe centimetru de lungime a vârfului) a fost redusă semnificativ prin îndepărtarea frânghiei în toate cele 12 cultivare (Fig. 1, tabelele S2 și S3). Detilarea a dus la o scădere substanțială a densității spiculelor, deoarece îndepărtarea timonului nu a avut niciun efect semnificativ asupra numărului total de spiculete pe vârf, lungimea vârfului a fost semnificativ crescută prin îndepărtarea timonului în toate cele 12 genotipuri comparativ cu controlul în ambele condiții de creștere a serii (Fig. 1, Tabelele S2 și S3).

trăsăturilor

Piroanele (trei săptămâni după anteze) în detilareA) și control (b) tratamente în genotipul „Lera lui Breustedt”. Trăsăturile sub tratament de detilare sunt descrise în comparație cu controlul.

De asemenea, detilarea scade considerabil media indicelui de fertilitate a vârfurilor (numărul de boabe pe gram de paie) pentru toate cele 12 soiuri. Influența combinată asupra numărului de granule pe vârf și paie pe vârf a dus la o scădere semnificativă a indicelui fertilității vârfului (cu o singură excepție, cv. Arin) în câmp și seră (tabelele 2 și S4). Rata medie a fertilității spiculelor (raportul dintre numărul fertil și total de spiculete) pentru toate cele 12 soiuri din plantele martor a fost considerabil mai mare decât la plantele detilate (tabelele S5 și S6).

Aici, am constatat că numărul final de granule pe spiculă a fost crescut la spiculele centrale sau bazale prin îndepărtarea timonului în condiții de seră și câmp (Tabelele S7 și S8), ceea ce ar fi putut duce la un număr mai mic de cereale per spiculet în pozițiile apiculare a spiculetelor, posibil datorită la concurența dintre spiculete în diferite poziții. La spiculele apicale, în special în seră, au existat variații mari în numărul de granule pe spiculă (Tabelul S7, S8), în principal din cauza spiculetelor complet infertile. Spiculele infertile nu au setat boabe, producând un număr de boabe pe spiculă de zero. Spiculele aproape infertile stabilesc doar unul sau două boabe pe spiculă.

QTL-uri partajate între distribuția asimilată și morfologia vârfului

Pe baza a 210 aderări de grâu de iarnă, ereditatea sensului îngust a arătat o gamă largă de la 0,16 la 0,93. Dintre toate cele 44 de trăsături, 88,63% (39 de trăsături) au prezentat o ereditate în sens restrânsh 2) peste 0,4 și 63,63% (28 de trăsături) trăsăturile au arătat a h 2 peste 0,7 (Tabelul S9), oferind baza genetică pentru GWAS.

Am efectuat GWAS din toate cele 44 de trăsături pentru a determina markerii SNP asociați care pot fi utilizați pentru a modifica morfologia vârfului (set de date suplimentar). Pe baza rezultatelor GWAS, am evaluat în continuare QTL-urile partajate între partiționarea asimilată (de ex. DW de prelucrare, DW principal, DW principal, Tabelul 1) și morfologia vârfului (de exemplu, lungimea vârfului, densitatea spiculelor, Tabelul 1), deoarece obiectivul principal din acest studiu a fost de a investiga modul în care fluxul asimilat reglează morfologia vârfului.

Abilități de predicție validate încrucișat de predicție la nivel de genom exploatând aditiv (Blup_A) sau aditiv și aditiv × efecte aditive (Blup_AxA) pentru toate cele 44 de trăsături. Trăsăturile corespunzătoare fiecărui număr pot fi găsite în Tabelul 1.