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不同生育期组大豆品种GmCOL家族基因的自然变异

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摘要

Abstract

CONTENTS

Chapter 1 Introduction

1.2 Natural variation,flowering time,and maturity trait in soybean

1.3 Photoperiodism phenomenon-remarkable findings in plant science

1.4 Regulatory networks and genes influencing flowering time in plants

1.5 Establishment of soybean growth season

1.6 The purpose and significance of this study

Chapter 2 GmCOL Genes in Maturity and Flowering Time

2.1 Photoperiod,and relevant genes that influencing maturity and flowering

2.2 CONSTANS,and CONSTANS-Like genes

2.3 Functional,and evolutionary role of COL family gene in soybean

2.4 Flowering time regulated by day length

2.5 Co-relation between maturity,flowering,and CONSTANS genes

2.6 Regulatory role of COL family genes in photoperiod responsive in flowering in different species

2.7 Identification,and selection of determinate growth habit MG cultivars

Chapter 3 Materials and Methods

3.1 Phenotype investigation of soybean in different maturity groups

3.1.1 Experimental materials

3.1.2 Methods

3.1.5 Phenotypic evaluation of stem growth habits

3.2 Genetic Study

3.2.4 Genomic DNA extraction

3.2.5 Data mining, and primer design

3.2.6 PCR amplification and purification

3.2.7 Sequencing,and sequence data analysis

Chapter 4 Results and Analysis

4.1 Analysis of soybean varieties in different growth stages

4.1.1 Investigation results of growth period traits

4.1.2 Association of flowering,and maturity dates of soybean shown divergence

4.1.3 Clustering analysis

4.1.4 Analysis of soybean maturity group varieties grouth period

4.1.5 Soybean varieties matured differently with different beginning bloom days

4.2 Bioinformatics analysis

4.2.1 Construction,and analysis of phylogram of COL genes in soybean

4.2.2 Analysis and association of soybean determinacy

4.3 Sequencing results:Analysis of COL genes in soybean varieties with different growth stages

4.3.1 Gene sequencing results and genotype analysis

4.3.2 Genotype distribution of GmCOL family genes in soybean cultivars

4.3.3 Genotype number and genotype frequency of GmCOL genes

4.3.4 GmCOL genes maturity groups,and genotype distribution

4.3.5 Statistical analysis of genotypes and phenotypes

4.3.6 Association analysis GmCOL genotypes,and pairwise comparison effect

4.3.7 Soybean COLgene family exhibited different linkage disequilibrium

4.3.8 Haplotype analysis of 21 soybean GmCOLfamily genes

4.3.9 Haplotypes,and natural variation of flowering time of GmCOL family genes

Chapter 5 Discussion

5.1 Selected soybean cultivars from different maturity groups show diversity in flowering time,and maturity

5.2 Natural variation,growth period group system and genotypes at the GmCOL loci of 128 accessions

5.3 Conservation,and divergence of TFL1 homologs in soybean,and other species

5.4 Polymorphism of GmCOL family genes-association to flowering time,and maturity

Chapter 6 Summary and Conclusion

References

Appendixes

Resume

Acknowledgements

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摘要

适时开花和成熟对于大豆来说是重要的生态和农艺性状,这决定了在不同环境下大豆的适应性、生长发育、品质及产量等。自然变异是进化的主要来源,它决定了一个物种的适应潜力。多数自然变异呈现数量性状,由多个位点和基因的分子遗传多样性决定。在光周期调控的开花和发育过程中,BBX基因家族成员CONSTANS(CO)是中心调控基因,引发可移动成花素FT基因的表达,进而使得作物进入开花阶段。在大豆中,CONSTANS-LIKE基因不仅在开花阶段起作用,在其他重要生理过程中也发挥了重要作用。然而,COL家族基因的自然变异与大豆开花和成熟的关系尚不明确。
  本研究中,选取来自14个生育期组(MG0000-MGⅩ)的128个大豆品种作为试验材料。材料种植于中国北京的自然光照条件下,并对各生育时期-出苗期(Ⅶ)、初花期(R1)和完熟期(R8)进行调查。供试大豆品种的开花期和成熟期具有显著差异。根据基因型和生长发育结构供试品种分为3组MG0000-MG0,MGⅠ-MGⅤ和MGⅥ-MGⅩ。在开花期(VE-R1)方面,生育期组MG0000,MGⅨ+Ⅹ和MGⅦ的大豆品种开花期差异十分显著;成熟期(VE-R7)方面,除了MG00组外其他品种成熟期均差异显著。
  本研究中,82个大豆品种用于鉴定其生长习性,即无限生长习性和有限生长习性,其中58个品种为无限生长习性,24个品种为有限生长习性。这将有助于北美和中俄大豆重要性状的鉴定,对未来大豆育种工作具有一定推动作用。
  在COL家族的28个基因中,21个基因被克隆进行测序,并分析基因序列的多态性。结果显示,所选大豆品种各生育时期及COL基因序列均呈现丰富的多样性,并且生育期组MGⅠ-MGⅤ大豆品种的开花和成熟时间具有明显的相关性。8个基因(GmCOL1/3/4/8/13/15/16/19)的显性基因型与早花和早熟呈现明显相关性,11个基因(GmCOL2/5/6/14/20/22/23/24/25/26/28)与开花和成熟无明显相关。某些基因中隐性基因型呈现早花,但GmCOL9和GmCOL1却相反。在21个COL基因中,一些自然变异与开花和成熟相关,可能涉及大豆在不同环境下的适应性。基因型鉴定和生育期预测信息在品种筛选中会提高育种效率。
  就整个基因区域而言,GmCOL1和GmCOL3是高度保守的。其余19个基因均存在一些SNP和Indel导致的遗传变异。另外,一些基因存在较强的连锁不平衡。19个GmCOL基因存在一些点突变,这些突变导致所编码蛋白质结构变化、部分或全部缺失。为进一步确定这些基因在开花和成熟中的作用,需从转录水平确定自然变异,并进行转基因功能验证。基因单倍型分析结果显示,单倍型GmCOL5-Hap2、GmCOL13-Hap2/3、GmCOL28-Hap2与开花和成熟密切相关。21个COL基因存在一些自然变异,这可能与大豆对不同环境的适应性以及开花和成熟的多样性相关。本研究将有助于探索GmCOL基因家族和重要表型性状(DTF,DTM,PH)的关系,为大豆生育性状的分子设计育种提供理论基础。

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