La mappatura dinamica dei QTL ha rivelato principalmente la struttura genetica dei tratti fotosintetici del ricino (Ricinus communis L.)

Jul 20, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 14071 (2023) Citare questo articolo

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L'elevata efficienza fotosintetica è alla base dell'elevata biomassa e dell'alto indice di raccolta del ricino (Ricinus communis L.). Comprendere la legge genetica dei tratti fotosintetici faciliterà la selezione per un'elevata efficienza fotosintetica. In questo studio, la mappatura QTL dinamica è stata eseguita con le popolazioni F2 e BC1 derivate da 2 genitori con differenze significative nel tasso fotosintetico netto (Pn) in 3 fasi, al fine di rivelare la struttura genetica dei tratti fotosintetici. Nella popolazione F2, sono stati identificati 26 QTL a locus singolo, inclusi 3/3/1 (il numero QTL allo stadio I/II/III, lo stesso di seguito), 1/2/0, 1/2/2, 1/3 QTL /1, 0/1/1 e 1/1/2 che conferiscono Pn, efficienza nell'uso dell'acqua (Wue), velocità di traspirazione (Tr), conduttanza stomatica (Gs), concentrazione intercellulare di CO2 (Ci) e contenuto di clorofilla (Cc) , con una variazione fenotipica spiegata (PVE) di 8,40%/8,91%/6,17%, 5,36%/31,74%/0, 7,31%/12,80%/15,15%, 1,60%/6,44%/0,02%, 0/1,10%/ rispettivamente 0,70% e 2,77%/3,96%/6,50%. E sono stati identificati 53 QTL epistatici (31 coppie), inclusi 2/2/5, 5/6/3, 4/4/2, 6/3/2, 3/2/0 e 4/0/0 che conferiscono il sopra 6 tratti, con un PVE di 6,52%/6,47%/19,04%, 16,72%/15,67%/14,12%, 18,57%/15,58%/7,34%, 21,72%/8,52%/7,13%, 13,33%/4,94%/ 0 e 7,84%/0/0 rispettivamente. I risultati della mappatura dei QTL nella popolazione BC1 erano coerenti con quelli della popolazione F2, ad eccezione del minor numero di QTL rilevati. La maggior parte dei QTL identificati erano quelli con effetto minore, solo pochi erano quelli con effetto principale (PVE > 10%), focalizzati su 2 tratti, Wue e Tr, come qWue1.1, qWue1.2, FqTr1.1, FqTr6, BqWue1 .1 e BqTr3; Gli effetti epistatici, in particolare quelli relativi agli effetti di dominanza, erano la principale componente genetica dei tratti fotosintetici e tutti i QTL epistatici non avevano effetti a locus singolo tranne qPn1.2, FqGs1.2, FqCi1.2 e qCc3.2; I QTL rilevati sottostanti ciascun tratto variavano in fasi diverse ad eccezione dei QTL stabili qGs1.1, rilevati in 3 fasi, qWue2, qTr1.2 e qCc3.2, rilevati in 2 fasi; Sono stati identificati 6 QTL co-localizzati, ciascuno dei quali conferendo 2-5 tratti diversi, hanno dimostrato la pleiotropia genetica tra i tratti fotosintetici; 2 cluster QTL, situati all'interno degli intervalli dei marcatori RCM1842-RCM1335 e RCM523-RCM83, contenevano 15/5 (F2/BC1) e 4/4 (F2/BC1) QTL che conferiscono più tratti, inclusi QTL co-localizzati e QTL con effetto principale . I risultati di cui sopra hanno fornito nuove informazioni sulla struttura genetica dei tratti fotosintetici e importanti riferimenti per la selezione ad alta efficienza fotosintetica nella pianta di ricino.

La pianta di ricino è un'importante coltura oleosa industriale, con un contenuto di olio di semi pari al 46–55%1. L'olio di ricino è ampiamente utilizzato nei campi medicinali, biodiesel e specialità chimiche grazie alla sua elevata quantità di acido ricinoleico, che ha proprietà fisiche e chimiche eccezionalmente distintive2. L’olio di ricino scarseggia a causa della crescita economica poiché la sua produzione è ben al di sotto del livello della domanda globale3. La coltivazione del ricino è l'unica fonte commerciale di olio di ricino, ma con scarsi rendimenti e alti costi di manodopera, l'area di coltivazione diminuisce di anno in anno. Pertanto, è urgentemente necessario coltivare varietà ad alto rendimento per promuovere la crescita dell’industria del ricino nella fase attuale.

Migliorare la fotosintesi delle colture può aumentare significativamente la resa e la biomassa4, 5. Tuttavia, sono state riportate meno ricerche sui tratti fotosintetici rispetto ad altri tratti come la resa e il tipo di pianta, principalmente a causa della difficoltà di raccolta dei dati e degli effetti ambientali del processo di misurazione6. Il miglioramento degli strumenti e dei metodi di misurazione ha promosso lo studio dei tratti fotosintetici, soprattutto nelle piante modello, sono stati trovati numerosi geni che controllano i tratti fotosintetici, ad esempio i geni che mediano l'efficienza dell'uso dell'acqua (Wue)7,8,9,10 ,11, velocità di traspirazione (Tr)12,13,14 e densità stomatica15, 16 in Arabidopsis, e i geni che regolano la capacità fotosintetica e Wue nel riso17,18,19,20. Inoltre, alcuni QTL alla base dei tratti fotosintetici sono stati rilevati con successo in altre colture, ma con un basso tasso di contributo (la maggior parte con un tasso di contributo inferiore al 10%)21,22,23,24. Tale situazione potrebbe essere causata dall’effetto epistatico che maschera parzialmente l’effetto del singolo locus e dal controllo congiunto dei tratti fotosintetici da parte di molti geni con effetto minore22. Tuttavia, l’inserimento aggiuntivo di OsDREB1C ha comportato un miglioramento della capacità fotosintetica, che ha aumentato la resa di oltre il 40% nel riso18. Ha dimostrato fortemente l'enorme potenziale della regolazione dell'espressione dei principali geni che controllano i tratti fotosintetici mediante l'ingegneria genetica per aumentare i raccolti.