QTL analysis of plant height development dynamics in <i>Brassica napus</i> L.

Yu-qi HE; Kun-jiang YU; Yuan-hong LI; Qian WANG; Xu YANG; Xian-ya WANG; En-tang TIAN

doi:10.19802/j.issn.1007-9084.2022147

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CHINESE JOURNAL OF OIL CROP SCIENCES ›› 2023, Vol. 45 ›› Issue (4) : 684-693. DOI: 10.19802/j.issn.1007-9084.2022147

QTL analysis of plant height development dynamics in Brassica napus L.

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HeighLight

To achieve stable high yield and suitable mechanized cultivar for rapeseed(Brassica napus L.), QTLs on developmental plant height were studied using an population named AH, which composed of 189 recombined inbred members. Net increase in plant height of 5 growth stages and final plant height at maturity were investigated in Guiyang in 2020, and phenotypic variation and their correlations were analyzed. Based on previous constructed high-density molecular marker genetic linkage map, QTL mapping was performed to identify the stage-specific expression QTLs regulating plant height development on a genome-wide scale. Results showed great variations in plant height during the 5 growth stages after budding. Plant height changed the most in the 1st week, and the increase gradually slowed down over time. Net height growth at each stage was positively correlated with the previous stage. A total of 60 QTLs were detected in the 5 stages, including 4 major QTLs, 8 QTLs stably expressed in 2 different stages, and the others (specifically expressed in at least one stage). 6 QTLs were identified at maturity, including one major QTL. Comparative analysis showed that 6 QTLs at maturity stage were not detected at 5 developmental stages. Totally 5 major QTLs identified in this study have not been reported yet, thus can be used as new loci for developmental plant height breeding in B. napus. Combined with gene function annotation, 15 candidate genes related to plant height were preliminarily screened. It was expected to deepen the understanding of genetic regulation on rapeseed plant height, and provide new resources for semi-dwarf breeding.

Key words

Brassica napus L. / plant height / growth stage / variation analysis / correlation analysis / QTL mapping

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Yu-qi HE , Kun-jiang YU , Yuan-hong LI , Qian WANG , Xu YANG , Xian-ya WANG , En-tang TIAN. QTL analysis of plant height development dynamics in Brassica napus L.[J]. CHINESE JOURNAL OF OIL CROP SCIENCES, 2023, 45(4): 684-693 https://doi.org/10.19802/j.issn.1007-9084.2022147

油菜是全球广泛种植的多功能油料作物^[1]，是重要的食用植物油来源和石油加工原料。我国是世界油菜主产国，以甘蓝型油菜（Brassica napus L.，AACC，2n= 38）为主要栽培种。发展油菜生产，改良油菜品质，提高油菜产量和含油量不仅是我国食用油安全的根本保证^[2]，对解决能源短缺问题也具有重要意义。随着杂种优势的利用，杂交油菜显著增产，但是株高也随之增加了至少20 cm^[3]，由此带来植株易倒伏的问题，也增加了机械收获难度，导致收获性减产，阻碍了油菜产业的发展。

矮化育种以选育矮秆或半矮秆农作物品种为主要目标，通过矮化育种，降低植株高度，不但使作物耐肥抗倒，且改变了株型，可提高收获指数和种子的品质^[4]。相对于水稻和小麦等作物矮秆资源在育种上的突出表现，油菜中矮秆育种还没有引起足够的重视，利用现有的矮秆资源材料，选育矮秆、半矮秆甘蓝型杂交油菜新品种是解决油菜丰产、稳产、适宜机械化栽培重要途径之一^[5]。因此，发掘调控油菜株高发育的重要基因，有助于借助分子标记辅助选择、基因编辑等现代分子育种手段改良油菜株高，培育适宜大田生产的油菜良种。

油菜株高构成因子包括主花序长度、平均节间长度和第一分枝高度，这些农艺性状为复杂的数量性状，影响因素包括环境、遗传基础和植物激素等。为了探究株高的遗传调控机制，研究者们围绕油菜矮化育种，在矮秆材料选育、矮秆基因定位、遗传规律、矮化机制等方面进行了大量的研究^[6]，主要通过对株高及其相关农艺性状进行QTL定位，寻找它们的共定位区间，以此筛选株高候选基因，得到了大量与油菜株高或矮秆性状紧密相关的分子标记和功能基因^[7-15]。但由于油菜株高是受多基因调控的复杂数量性状，株高表型变异范围大，调控基因数目较多，定位结果不尽一致，且之前研究中株高QTL分析主要集中在最终株高上，而没有考虑发育行为和规律。甘蓝型油菜株高值的形成是由不同发育阶段具有明显动态特征的基因调控的一系列步骤完成的^[16]，某一时期的稳定QTL定位并不能完全反映不同阶段株高相关基因表达的遗传效应，这使株高发育的遗传基础仍有待深入研究。

本研究通过考察一个甘蓝型油菜重组自交家系群体2020年在贵阳环境中的动态株高，考察其动态发育特征，基于高密度遗传连锁图谱，在全基因组范围内鉴定油菜动态株高的调控位点，再通过基因注释初步筛选相关候选基因。本研究希望可以深化认识，更加了解油菜株高遗传的调控机制，有利于挖掘重要生长阶段稳定表达和特异性表达的株高调控位点，为培育半矮秆油菜新品种提供资源和理论依据，对培育适合机械化收割的高产、优质油菜品种起到积极作用。

1 材料与方法

1.1 材料

一个含189个家系的甘蓝型油菜重组自交家系群体及其两个亲本（APL01为母本，Holly为父本，群体简称为AH群体）。两亲本成熟期株高差异虽然不大，但RIL群体表现出较大的株高差异和超亲分离现象。该群体材料于2019-2020年度种植于贵州省贵阳市花溪区贵州大学教学实验场（26° N，106° E，海拔1100.6 m）。种子以直播方式种植，随机区组设计，3个重复。每小区种植2行，每行10株，行距40 cm，株距20 cm。按照常规生产方式进行田间管理。

1.2 性状考察

于2020年油菜现蕾期开始测量AH群体及亲本的株高，每隔7 d测量一次，共测量5次，并在成熟期测量1次最终株高。3个重复，每个重复选取2株代表性植株进行测量。株高测量方法：从子叶节到整株油菜主茎最高点的长度，单位为cm。

1.3 数据处理

原始数据录入后，分别计算3个重复的株高均值，通过各重复相邻两次株高数据相减，计算每7 d油菜株高净增长量。第1个生长阶段株高增长量记为PH1，第2个阶段株高增长量记为PH2，第3个阶段株高增长量记为PH3，第4个阶段株高增长量记为PH4，第5个阶段株高增长量记为PH5，最后求各重复间的株高增长量均值作为最终每个品系在不同生长阶段的株高增长量。成熟期株高记为PH，以3次重复的株高均值作为各品系在成熟期的最终株高。通过统计软件SPSS v19.0（IBM公司，美国纽约）对最终数据进行描述性统计、变异分析及相关性分析，用Excel 2003和GraphPad Prism 9作出相应的频数分布直方图和正态曲线图，并用Adobe Acrobat 9 Pro对图片进行处理。

1.4 QTL定位与分析

基于前期构建的高密度SNP遗传连锁图谱^[17]，利用QTL IciMapping软件检测QTL^[18]，在全基因组范围内扫描QTL。检测方法为完备复合区间作图，对于加性QTL作图，步调为1 cM，PIN值为0.01，LOD值通过1000次排列且5%总错误率确定；对于上位性QTL作图，步调为5 cM，PIN值为0.0001，LOD值通过1000次排列且5%总错误率确定。解释表型变异大于10%的QTL作为主效QTL。比较不同生长阶段及成熟期株高QTL的表达变化，鉴定阶段特异性表达和稳定表达的QTL。

1.5 主效QTL区间候选基因筛选

利用遗传图谱上SNP的探针序列，通过BLAST（E-value≤1e^-10）将主效QTL置信区间两侧的分子标记映射到甘蓝型油菜参考基因组（Darmor-bzh）的物理位置^[19]，得到区间内的所有基因，将这些基因序列与拟南芥所有基因序列进行BLASTN（E-value≤1e^-10）比对，查找拟南芥同源基因，以同源基因的功能注释来筛选与株高相关的候选基因^[20]。

2 结果与分析

2.1 表型变异分析

调查AH群体各株系6个阶段的株高，计算增长量（见首页OSID二维码），然后进行变异分析（表1），得到频数分布直方图和正态曲线（图1）。对于5个株高生长阶段，从极差来看，PH1>PH2>PH3>PH4、PH5，从标准差和平均值来看，PH1、PH2、PH3、PH4、PH5依次减小，结合图1的正态曲线，表示株高增长量从PH1到PH5在逐渐减小并趋于稳定，可知株高发育前期的增长潜力比较大，特别是前7 d是株高发育的关键时期，该时期控制株高发育的QTL总贡献率可能较大。从偏度和峰度来看，各生长阶段株高增长量的峰度系数在-0.03~1.29，偏度系数在-0.4~1.02，均接近于0，成熟期株高的峰度和偏度也接近于0，表示这5个阶段及成熟期的总体数据分布形态与正态分布差异程度不大，再结合图1，各生长阶段株高增长量和成熟期株高都表现为连续变异，未显著偏离正态分布，符合QTL定位要求，且PH1与PH的正态分布曲线极其相似，表明两者之间有较大关联。5个生长阶段株高净增长量和成熟期株高的变异系数在22.42%~63.20%，变异幅度均较大，为各生长阶段株高增长量的QTL定位奠定了良好的基础，相比而言成熟期株高变异相对较小，可能是前期影响株高的基因相互作用和补充，缩小了AH群体间最终的株高差异。

Table 1 Variation Analysis of plant height growth at different growth stages and plant height at maturity of AH population

表1 AH群体不同生长阶段株高增长量及成熟期株高变异分析

性状 Trait	最大值 Max	最小值 Min	极差 Range	平均值 Mean	标准差 SD	变异系数 CV /%	偏度 Skewness	峰度 Kurtosis
PH1	112.2	24.9	87.3	71.5	16.0	22.42	-0.12	-0.03
PH2	48.7	5.8	42.9	30.1	8.4	27.80	-0.40	0.09
PH3	35.5	4.0	31.5	19.1	5.2	27.39	0.11	0.39
PH4	19.4	3.0	16.4	10.5	3.4	32.45	0.24	-0.03
PH5	17.4	0.1	17.2	5.4	3.4	63.20	1.02	1.29
PH	182.0	111.0	71.0	144.5	15.4	10.66	-0.11	-0.51

注：于2020年油菜现蕾期开始测量AH群体及亲本的株高，每隔7 d测量一次，共测量5次，并在成熟期测量1次最终株高单位均为cm；PH1：第1次测量时群体株高净增长量；PH2：第2次测量时群体株高净增长量；PH3：第3次测量时群体株高净增长量；PH4：第4次测量时群体株高净增长量；PH5：第5次测量时群体株高净增长量；PH：成熟期测量的群体株高；下同

Note: Measurements begin from budding stage in 2020; measure the plant heights and culculate the amount of growth in every week for 5 weeks; PH1: Net plant height growth (amount of growth in cm, same as below) of population at the 1st week; PH2: Net plant height growth of population at the 2nd week; PH3: Net plant height growth of population at the 3rd week; PH4: Net plant height growth of population at the 4th week; PH5: Net plant height growth of population at the 5th week; PH: Plant height of the population when mature; Same as below

Fig. 1 Histogram and normal curve of frequency distribution of plant height growth at different growth stages （PH1-PH5） and plant height at maturity of AH population

图1 AH群体不同生长阶段株高增长量（PH1-PH5）和成熟期株高频数分布直方图及正态曲线

注：A：APL01（母本，female parent）；H：Holly （父本，male parent）

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2.2 株高表型相关性分析

从AH群体不同生长阶段株高净增长量及成熟期株高之间的相关性分析发现，PH1与PH2、PH3、PH4、PH5均无显著相关性（P> 0.05）；PH2、PH3、PH4两两之间都呈极显著正相关（P< 0.01）；PH5与PH4呈极显著正相关（P< 0.01），与PH3呈显著正相关（P< 0.05），与PH2无显著相关性（P> 0.05）；PH与PH1、PH2呈极显著正相关（P< 0.01），与PH3、PH4、PH5无显著相关关系（P> 0.05）（表2）。这些结果说明了油菜成熟期的最终株高主要由抽薹后的前14 d左右决定，前7 d奠定了株高生长的基础，第8~14 d株高的增加促进了15~35 d植株继续长高，但由于后期株高增量越来越小，以致不足以直接影响成熟期株高，这也印证了2.1中株高前期的增长潜力较大的观点。

Table 2 Correlation analysis of plant height traits in different growth stages or periods of AH population

表2 AH群体不同生长阶段或时期株高性状之间的相关性分析

性状 Trait	PH1	PH2	PH3	PH4	PH5	PH
PH1	1
PH2	0.136	1
PH3	0.034	0.649^**	1
PH4	-0.011	0.362^**	0.420^**	1
PH5	0.078	-0.109	0.156^*	0.199^**	1
PH	0.215^**	0.217^**	0.107	0.088	0.102	1

注/Note： *P< 0.05, **P< 0.01

2.3 QTL定位与分析

2.3.1 5个生长阶段株高相关QTL加性效应

对5个生长阶段株高净增长量进行QTL作图，共检测到60个QTL，分布在除C5外的18条染色体上，贡献率变幅在1.02%~20.99%之间（表3）。其中，PH1检测25个QTL，共解释了表型变异的72.68%。PH2检测到7个QTL，其中主效QTL（qPH2.C1-1）的表型贡献率为16.47%，加性效应为-15.58，表示该增效基因来自父本Holly。PH3检测到9个QTL，其中2个主效QTL（qPH3.A5-3和qPH3.A7-2）分别解释了表型变异的20.99%、10.14%，加性效应值分别为7.74和5.38，均受母本APL01遗传效应影响。PH4检测到12个QTL，其中主效QTL（qPH4.A1）可解释13.37%的表型变异，加性效应为2.88，来自APL01效应。PH5检测到7个QTL，共解释33.79%的表型变异。PH2、PH3、PH4分别存在1、2、1个主效QTL，PH1、PH5只存在微效QTL。

Table 3 Additive effect QTLs of plant height at 5 growth stages detected in 2020 Guiyang environment

表3 在2020年贵阳环境中检测到的5个生长阶段株高相关加性效应QTL

性状 Trait	位点 QTL	染色体 Chromosome	位置 Position /cM	置信区间 Confidence interval /cM	阈值 LOD	表型贡献率 PVE /%	加性效应 Add.
PH1	qPH1.A1-1	A1	0	0-0.5	13.83	5.58	-5.02
	qPH1.A1-2	A1	7	6.5-7.5	9.88	4.07	4.29
	qPH1.A2	A2	40	39.5-41.5	12.28	4.98	4.77
	qPH1.A3-1	A3	72	68.5-72.5	3.52	1.25	2.37
	qPH1.A3-2	A3	100	98.5-101	3.37	1.20	-2.35
	qPH1.A4	A4	53	52.5-53.5	5.13	1.91	2.94
	qPH1.A5	A5	93	92.5-93.5	7.60	2.92	3.68
	qPH1.A6-1	A6	79	76.5-79.5	2.89	1.04	2.17
	qPH1.A6-2	A6	100	99.5-100.5	5.50	2.05	-3.04
	qPH1.A7	A7	81	79.5-81.5	5.16	2.17	3.40
	qPH1.A8-1	A8	39	38.5-39.5	8.19	3.22	-3.83
	qPH1.A8-2	A8	42	41.5-42.5	12.75	5.15	4.85
	qPH1.A10	A10	57	55.5-57.5	10.64	4.23	-4.38
	qPH1.C1-1	C1	10	9.5-10.5	6.49	2.53	3.40
	qPH1.C1-2	C1	63	62.5-63.5	3.30	1.23	-2.36
	qPH1.C2-1	C2	5	4.5-9.5	4.55	1.76	2.87
	qPH1.C2-2	C2	34	33.5-34.5	8.75	3.53	3.99
	qPH1.C2-3	C2	103	102.5-103.5	13.58	5.52	-5.01
	qPH1.C2-4	C2	107	106.5-107.5	19.77	8.94	6.40
	qPH1.C3-1	C3	71	69.5-75.5	5.00	1.94	-2.97
	qPH1.C3-2	C3	101	98.5-102.5	3.25	1.16	2.30
	qPH1.C4	C4	105	104.5-106.5	4.76	1.78	2.84
	qPH1.C7	C7	133	130.5-135.5	4.27	1.68	-2.76
	qPH1.C8	C8	91	89.5-95.5	3.89	1.53	2.64
	qPH1.C9	C9	27	22.5-28.5	3.63	1.32	-2.45
PH2	qPH2.A1	A1	28	27.5-28.5	66.88	2.21	-5.70
	qPH2.A3	A3	0	0-0.5	45.66	1.02	3.92
	qPH2.A5-1	A5	24	22.5-24.5	93.61	4.67	-8.49
	qPH2.A5-2	A5	97	96.5-97.5	70.46	2.42	-5.99
	*qPH2.C1-1*	C1	51	50.5-51.5	141.30	16.47	-15.58
	qPH2.C1-2	C1	60	59.5-60.5	49.68	1.18	4.15
	qPH2.C3	C3	83	82.5-83.5	45.24	1.06	-3.95
PH3	qPH3.A3	A3	0	0-1.5	24.88	1.43	2.05
	qPH3.A4	A4	62	61.5-62.5	19.59	1.05	-1.73
	qPH3.A5-1	A5	45	44.5-45.5	22.62	1.28	1.91
	qPH3.A5-2	A5	65	64.5-65.5	21.01	1.19	-1.84
	*qPH3.A5-3*	A5	70	69.5-70.5	103.21	20.99	7.74
	qPH3.A7-1	A7	14	13.5-14.5	22.61	1.31	-1.94
	*qPH3.A7-2*	A7	16	15.5-16.5	75.75	10.14	5.38
	qPH3.A7-3	A7	25	24.5-25.5	45.72	3.57	3.20
	qPH3.C6	C6	9	8.5-10.5	19.14	1.06	-1.75
PH4	*qPH4.A1*	A1	92	91.5-92.5	47.87	13.37	2.88
	qPH4.A2-1	A2	52	51.5-52.5	33.40	6.81	2.05
	qPH4.A2-2	A2	54	53.5-54.5	15.16	2.36	1.21
	qPH4.A3	A3	54	52.5-54.5	11.15	1.67	1.02
	qPH4.A7	A7	0	0-0.5	9.62	1.38	-1.08
	qPH4.A8-1	A8	13	12.5-17.5	7.33	1.09	-0.82
	qPH4.A8-2	A8	39	38.5-39.5	16.05	2.66	1.28
	qPH4.A9	A9	46	43.5-46.5	8.23	1.17	0.86
	qPH4.A10	A10	55	54.5-55.5	15.17	2.36	1.21
	qPH4.C2	C2	108	107.5-109.5	37.75	9.18	-2.39
	qPH4.C4	C4	37	36.5-37.5	10.75	1.57	0.99
	qPH4.C7	C7	90	89.5-90.5	12.59	2.19	1.19
PH5	qPH5.A2	A2	103	101.5-103.5	2.68	3.94	0.73
	qPH5.A7	A7	48	47.5-48.5	2.53	3.70	-0.73
	qPH5.A8	A8	5	4.5-5.5	4.07	6.53	0.94
	qPH5.A9-1	A9	9	7.5-9.5	3.06	4.71	-0.81
	qPH5.A9-2	A9	124	123.5-124.5	3.21	4.74	-0.81
	qPH5.C4	C4	0	0-3.5	3.10	4.57	-0.79
	qPH5.C6	C6	30	28.5-31.5	3.60	5.59	0.87

	注：加粗的QTL解释表型变异大于10%；添加下划线的QTL在不同生长阶段稳定表达
	Note: bold QTLs explain more than 10% of the phenotypic variation. Underlined QTLs are stably expressed at different growth stages

比较不同生长阶段的QTL发现，PH1与PH4之间有3个共定位QTL，PH2与PH3之间有1个共定位QTL。PH1的QTL qPH1.A8-1与PH4的QTL qPH4.A8-2均定位到A8染色体上 38.5~39.5 cM区间，为同一个QTL，表型变异贡献率分别为3.22%和2.66%；PH1的QTL qPH1.A10与PH4的QTL qPH4.A10都位于A10染色体54.5~57.5 cM区间，为同一个QTL，表型变异贡献率分别为4.23%和2.36%；PH1的QTL qPH1.C2-4与PH4的QTL qPH4.C2都位于C2 染色体106.5~109.5 cM区间，为同一个QTL，分别解释表型变异的8.94%和9.18%。PH2的QTL qPH2.A3与PH3的QTL qPH3.A3都定位在A3染色体上0~0.5 cM区间，为同一个QTL，分别解释表型变异的1.02%和1.43%。这8个QTL在两个不同生长阶段特异性表达，为稳定表达QTL，且都不是主效QTL。其余52个QTL均只在某一生长阶段表达，为阶段特异性表达QTL（表3）。

2.3.2 成熟期株高相关QTL加性效应

对成熟期株高进行QTL作图，共检测到6个QTL，分布在A6、A10、C3、C4、C8这5条染色体上，贡献率变幅在1.89%~15.30%之间（表4）。其中qPH.A10-2解释了15.30%的表型变异，为主效QTL，其加性效应为9.77，表示来自母本APL01的等位基因显著增加了最后阶段的株高。

Table 4 Additive effect QTLs of plant height at maturity detected in 2020 Guiyang environment

表4 在2020年贵阳环境中检测到的成熟期株高相关加性效应QTL

位点 QTL	染色体 Chromosome	位置 Position /cM	置信区间 Confidence interval /cM	阈值 LOD	表型贡献率 PVE /%	加性效应 Add.
qPH.A6	A6	14	11.5-14.5	4.25	2.39	3.86
qPH.A10-1	A10	19	18.5-19.5	3.84	2.17	-3.73
*qPH.A10-2*	A10	32	31.5-32.5	20.55	15.30	9.77
qPH.C3	C3	108	106.5-109.5	4.97	3.11	-4.42
qPH.C4	C4	55	52.5-55.5	4.45	2.50	3.95
qPH.C8	C8	26	21.5-27.5	3.29	1.89	3.43

	注：加粗的QTL解释表型变异大于10%
	Note: The bold QTL explained more than 10% of the phenotypic variation

结合表3和表4分析发现，共有60个QTL在5个生长阶段对株高产生影响，但在成熟期最终检测到的QTL仅有6个，且5个生长阶段表达的QTL与成熟期表达的QTL并无重合，表明很多在株高发育过程中起作用的基因在成熟期并不表达。通过开展动态株高QTL分析，有利于发掘更多参与株高调控的QTL。

2.3.3 5个生长阶段株高相关QTL上位效应

对5个生长阶段株高增长量进行QTL上位性作图发现，仅在PH5检测到1个QTL上位效应，位于C3染色体上，解释了12.82%的表型变异（表5）。

Table 5 Epistatic QTL related to plant height detected in 2020 Guiyang environment

表5 在2020贵阳环境下检测到的株高相关的上位性QTL

染色体1

Chr1

位置1

Position1

置信区间1

Confidence interval1 /cM

染色体2

Chr2

位置2

Position2

置信区间2

Confidence interval2 /cM

阈值

LOD

表型贡献率

PVE /%

加性效应1

Add.1

加性效应2

Add.2

上位性效应

epistatic effect

14.5-15.5

24.5-25.5

5.76

12.82

-0.03

0.41

1.26

2.3.4 株高相关候选基因筛选

大量研究表明，影响株高的主要因素有环境、遗传基础和植物激素。其中以植物激素调控为主，涉及油菜素内酯（BR）、赤霉素（GA）、生长素（IAA）等的生物合成及信号传导途径，还有部分含有特殊结构域的蛋白^[21]；非激素调控因素主要参与细胞壁发育、胞浆谷氨酰胺合成、RNA编辑、细胞分裂、光合产物合成与转运、泛素-蛋白酶体途径及脂肪酸代谢等相关途径^[22]。蛋白质泛素化广泛参与调控植物细胞内多种生理过程，如激素信号转导、花发育、光周期现象、光形态建成、衰老、免疫、植物自交不亲和性（SI）反应等^[23]。

在上述定位到的5个主效QTL置信区间内，找到了共145个基因，根据这些基因在拟南芥中同源基因的功能注释，初步筛选出共15个可能影响油菜株高发育的候选基因，它们主要参与蛋白质泛素化、蛋白质磷酸化、细胞分裂，植物激素的生物合成与信号转导以及生物的防御反应等（表6）。

Table 6 Candidate genes within the confidence interval of major QTLs for plant height in B. napus

表6 甘蓝型油菜株高主效QTL置信区间的候选基因

位点 QTL	候选基因 Candidate gene	物理位置 Physical position	拟南芥同源基因 Best hit in Arabidopsis	功能注释 Gene annotation
qPH2.C1-1	BnaC01g13550D	chrC01：8851132..8852471	AT1G55860	泛素蛋白连接酶1（UPL1），参与蛋白质泛素化途径，调节植物激素的生物合成与信号转导 Ubiquitin protein ligase 1 （UPL1）， protein ubiquitination， biosynthesis and signal transduction of plant hormones
	BnaC01g13560D	chrC01：8863130..8865422	AT3G18150	F-box/RNI类超家族蛋白，参与泛素介导的蛋白质降解途径 F-box/RNI superfamily proteins， ubiquitin-mediated protein degradation
qPH3.A5-3	BnaA05g20670D	chrA05：16，022，544..16，023，327	AT1G33990	甲酯酶14（MES14），具水解酶活性，参与茉莉酸、水杨酸、生长素代谢过程 Methylesterase 14 （MES14）， hydrolase activity， metabolism of jasmonic acid， salicylic acid and auxin
	BnaA05g20790D	chrA05：16，148，560..16，149，831	AT3G19380	植物U-box25（PUB25），具泛素蛋白连接酶活性，参与蛋白质泛素化途径及生物的防御反应 Plant U-box25 （PUB25）， ubiquitin protein ligase activity， protein ubiquitination， biological defense response
	BnaA05g20960D	chrA05：16，258，726..16，261，112	AT3G19240	DEM2，主要存在于胚胎缺陷处和分生组织中，对细胞分裂起着重要作用 DEM2， mainly found in embryonic defects and meristems， cell division
	BnaA05g21020D	chrA05：16，299，491..16，300，298	AT3G19150	KIP相关蛋白6（KRP6），具丝氨酸/苏氨酸激酶抑制活性，细胞分裂负调节剂，调节细胞周期 KIP-related protein 6 （KRP6）， serine/threonine kinase inhibitory activity， negative regulator of cell division， regulating cell cycle
	BnaA05g21040D	chrA05：16，309，097..16，312，614	AT3G19100	TAGK2，蛋白激酶超家族蛋白，具络氨酸激酶活性，正调节赤霉素信号转导 TAGK2， protein kinase superfamily protein， yrosine kinase activity， positively regulates gibberellin signal transduction
	BnaA05g21080D	chrA05：16，338，119..16，349，552	AT3G19050	POK2，一种定向驱动蛋白激酶，参与细胞分裂、有丝分裂等 POK2， a directional drive protein kinase， cell division， mitosis， etc.
	BnaA05g21100D	chrA05：16，357，204..16，358，471	AT2G23610	具有羧基酯酶、甲基IAA酯酶和茉莉酸甲酯酶活性，可能参与生长素、茉莉酸、水杨酸代谢过程 Carboxyl esterase， methyl IAA esterase and methyl jasmonate esterase activity， auxin， jasmonic acid and salicylic acid metabolism
qPH3.A7-2	BnaA07g03070D	chrA07：2，713，470..2，715，585	AT2G17220	KIN3，丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，催化蛋白质磷酸化，参与细胞内信号转导，调节植物生长发育 KIN3， serine/threonine protein kinase， protein phosphorylation， intracellular signal transduction， plant growth and development

	注：将qPH4.A1置信区间映射到甘蓝型油菜染色体的相应物理位置后，发现该位点所在的DNA片段发生了同源染色体间的交叉互换，因此qPH4.A1的所在区段的候选基因位C1染色体上
	Note: After mapping the confidence interval of qPH4.A1 to the corresponding physical location of Brassica napus chromosome, it was found that the DNA fragment of this locus had been cross-exchanged between homologous chromosomes, so the candidate gene locus of qPH4.A1 was on chromosome C1

3 讨论

株高是一个重要的农艺性状，对作物产量发挥着重要作用。前人研究发现，油菜株高发育受多个遗传位点共同调控，且QTL表达存在明显的时间特异性和动态性。在先前研究中，甘蓝型油菜株高的QTL分析主要集中于成熟期，并未探索那些可能只在株高形成过程中参与调控的基因。因此，有研究认为若能全面反映阶段性的遗传效应，有可能使得株高的遗传基础更为明确^[16]。

前人对甘蓝型油菜株高的分析发现，株高QTL覆盖在甘蓝型油菜全部的19条染色上，且单个QTL的贡献率在0.7%~54.59%之间不等^[22]。本研究在2020年贵阳环境下考察了甘蓝型油菜群体的动态株高，结合QTL作图，在全基因组内发掘油菜株高发育过程中特异性表达的QTL。在甘蓝型油菜株高发育的5个生长阶段及成熟期总共检测到66个QTL，其中包含5个主效QTL。与已报道的QTL相比较发现^[8~15,21]，这5个主效QTL（qPH2.C1-1、qPH3.A5-3、qPH3.A7-2、qPH4.A1、qPH.A10-2）均未被报道，由于这些QTL只在株高发育的某一个阶段特异性表达，因此它们可能是调控株高发育的新位点。之后通过QTL定位结果和基因功能的注释，初步筛选到15个可能的新的株高候选基因，待进一步的研究和鉴定。

对于株高发育的5个生长阶段，从描述性统计分析发现，株高发育前期（抽薹期后1周）的增长潜力较大，并随着时间的推移，株高增长量逐渐减小并趋于稳定；从表型变异分析来看，5个阶段的油菜群体株高增长量均呈连续变异的正态或偏态分布，表明性状受多个基因共同调控，属于典型数量性状；从加性效应QTL定位结果来看，8个QTL分别在两个不同生长阶段同时检测到，表明它们在株高发育的2个生长阶段稳定表达，而其余52个QTL仅在某一生长阶段表达，为阶段特异性表达QTL，不存在多于2个以上阶段均表达的QTL。5个株高生长阶段共有4个QTL解释10%以上的表型变异，为主效QTL，其中，PH1、PH5这2个阶段未检测到主效QTL。成熟期共检测到6个株高相关QTL，包含1个主效QTL，但这6个QTL与前面5个阶段检测到的60个QTL都没有共定位。这些结果都反映了控制株高的QTL处于明显的动态变化中，具有明显的阶段特异性，说明株高相关基因在不同发育时期选择性表达，揭示了株高发育的特点，为更多株高候选基因的鉴定提供了可能，有利于甘蓝型油菜株高遗传调控机制的研究。从上位性效应QTL定位结果来看，仅在第5阶段（PH5）检测到1个QTL上位效应，表明QTL互作效应仅在株高发育过程中某个阶段发挥作用。

泛素化是一种重要的蛋白质翻译后修饰，调控植物细胞内多种生理过程，如激素信号转导、花发育、光周期现象、光形态建成、衰老、免疫、植物自交不亲和性（SI）反应等^[23]，在植物的生长过程中发挥着非常广泛而重要的作用^[24]。近年来研究表明，超过6%的拟南芥基因编码泛素化途径相关的蛋白^[25]，其中大部分编码泛素连接酶（E3）类。E3类具有高度特异性和专一性，它们按亚基组成和作用机制不同又分为5种类型：HECT结构域类型、RING结构域类型、U-box结构域类型、APC类型和SKP1、CDC53和F-box蛋白（SCF）复合物类型。在本研究中，从拟南芥同源基因功能注释可见，在筛选到的15个候选基因中，有近一半基因参与了蛋白质泛素化途径，并且主要编码E3，还有部分基因编码各种蛋白激酶，催化蛋白质磷酸化，可见，蛋白质翻译后修饰在株高发育中发挥着重要作用。泛素化修饰与其他磷酸化、甲基化修饰等相互作用，形成一套极其精细的调控机制，使得泛素化修饰和其他翻译后修饰不仅具有底物选择的特异性，更具有时空特异性^[24~26]。这很可能就是本研究中株高QTL表现出明显阶段特异性的原因之一。

References

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1 材料与方法
1.1 材料
1.2 性状考察
1.3 数据处理
1.4 QTL定位与分析
1.5 主效QTL区间候选基因筛选
2 结果与分析
2.1 表型变异分析
Table 1 Variation Analysis of plant height growth at different growth stages and plant height at maturity of AH population
Fig. 1 Histogram and normal curve of frequency distribution of plant height growth at different growth stages （PH1-PH5） and plant height at maturity of AH population
2.2 株高表型相关性分析
Table 2 Correlation analysis of plant height traits in different growth stages or periods of AH population
2.3 QTL定位与分析
2.3.1 5个生长阶段株高相关QTL加性效应
Table 3 Additive effect QTLs of plant height at 5 growth stages detected in 2020 Guiyang environment
2.3.2 成熟期株高相关QTL加性效应
Table 4 Additive effect QTLs of plant height at maturity detected in 2020 Guiyang environment
2.3.3 5个生长阶段株高相关QTL上位效应
Table 5 Epistatic QTL related to plant height detected in 2020 Guiyang environment
2.3.4 株高相关候选基因筛选
Table 6 Candidate genes within the confidence interval of major QTLs for plant height in B. napus
3 讨论
References
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Received	Published
2022-05-16	2023-08-25
Issue Date
2023-08-31

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