La cartographie dynamique des QTL a révélé principalement la structure génétique des traits photosynthétiques du ricin (Ricinus communis L.)

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 14071 (2023) Citer cet article

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Une efficacité photosynthétique élevée est à la base d'une biomasse élevée et d'un indice de récolte élevé chez le ricin (Ricinus communis L.). Comprendre la loi génétique des caractères photosynthétiques facilitera la sélection pour une efficacité photosynthétique élevée. Dans cette étude, la cartographie dynamique des QTL a été réalisée avec les populations F2 et BC1 issues de 2 parents présentant une différence significative de taux photosynthétique net (Pn) à 3 stades, afin de révéler la structure génétique des traits photosynthétiques. Dans la population F2, 26 QTL à locus unique ont été identifiés, dont 3/3/1 (le numéro de QTL au stade I/II/III, le même ci-dessous), 1/2/0, 1/2/2, 1/3 /1, 0/1/1 et 1/1/2 QTL conférant Pn, l'efficacité d'utilisation de l'eau (Wue), le taux de transpiration (Tr), la conductance stomatique (Gs), la concentration de CO2 intercellulaire (Ci) et la teneur en chlorophylle (Cc) , avec une variation phénotypique expliquée (PVE) de 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%/ 0,70% et 2,77%/3,96%/6,50% respectivement. Et 53 QTL épistatiques (31 paires) ont été identifiés, dont 2/2/5, 5/6/3, 4/4/2, 6/3/2, 3/2/0 et 4/0/0 conférant la au-dessus de 6 traits, avec un PVE de 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 et 7,84%/0/0 respectivement. Les résultats de cartographie des QTL dans la population BC1 étaient cohérents avec ceux de la population F2, à l'exception d'un nombre inférieur de QTL détectés. La plupart des QTL identifiés étaient des QTL à effet mineur, seuls quelques-uns étaient à effet principal (PVE > 10 %), axés sur 2 traits, Wue et Tr, tels que qWue1.1, qWue1.2, FqTr1.1, FqTr6, BqWue1. .1 et BqTr3 ; Les effets épistatiques, en particulier ceux liés aux effets de dominance, constituaient la principale composante génétique des traits photosynthétiques, et tous les QTL épistatiques n'avaient aucun effet à locus unique, à l'exception de qPn1.2, FqGs1.2, FqCi1.2 et qCc3.2 ; Les QTL détectés sous-jacents à chaque trait variaient à différents stades, à l'exception des QTL stables qGs1.1, détectés à 3 stades, qWue2, qTr1.2 et qCc3.2, détectés à 2 stades ; 6 QTL colocalisés ont été identifiés, chacun conférant 2 à 5 traits différents, démontrant la pléiotropie génétique entre les traits photosynthétiques ; 2 clusters de QTL, situés dans les intervalles de marqueurs RCM1842-RCM1335 et RCM523-RCM83, contenaient 15/5 (F2/BC1) et 4/4 (F2/BC1) QTL conférant plusieurs traits, y compris des QTL colocalisés et des QTL à effet principal . Les résultats ci-dessus ont fourni de nouvelles informations sur la structure génétique des caractères photosynthétiques et des références importantes pour la sélection à haute efficacité photosynthétique du ricin.

Le ricin est une culture oléagineuse industrielle importante, avec une teneur en huile de graines de 46 à 55 %1. L'huile de ricin est largement utilisée dans les domaines médicinal, du biodiesel et des produits chimiques spécialisés en raison de sa grande quantité d'acide ricinoléique, qui possède des propriétés physiques et chimiques exceptionnellement distinctives2. L'huile de ricin est rare en raison de la croissance économique, car sa production est bien inférieure au niveau de la demande mondiale3. La culture du ricin est la seule source commerciale d'huile de ricin, mais avec de faibles rendements et des coûts de main-d'œuvre élevés, la superficie cultivée diminue d'année en année. Il est donc urgent de cultiver des variétés à haut rendement pour promouvoir la croissance de l’industrie du ricin au stade actuel.

L'amélioration de la photosynthèse des cultures peut augmenter considérablement le rendement et la biomasse4, 5. Cependant, moins de recherches ont été rapportées sur les caractères photosynthétiques que sur d'autres caractères tels que le rendement et le type de plante, principalement en raison de la difficulté de collecte de données et des effets environnementaux du processus de mesure6. L'amélioration des instruments et des méthodes de mesure a favorisé l'étude des caractères photosynthétiques, en particulier dans les plantes modèles. Un certain nombre de gènes contrôlant les caractères photosynthétiques ont été découverts, par exemple les gènes médiateurs de l'efficacité de l'utilisation de l'eau (Wue)7,8,9,10. ,11, le taux de transpiration (Tr)12,13,14 et la densité stomatique15,16 chez Arabidopsis, ainsi que les gènes régulant la capacité photosynthétique et Wue chez le riz17,18,19,20. De plus, certains QTL sous-jacents aux traits photosynthétiques ont été détectés avec succès dans d'autres cultures, mais avec un faible taux de contribution (la plupart d'entre eux avec un taux de contribution inférieur à 10 %)21,22,23,24. Une telle situation pourrait être provoquée par l’effet épistatique masquant partiellement l’effet de locus unique et par le contrôle conjoint des traits photosynthétiques par de nombreux gènes à effet mineur22. Néanmoins, l’insertion supplémentaire d’OsDREB1C a entraîné une amélioration de la capacité photosynthétique, ce qui a augmenté le rendement de plus de 40 % du riz18. Cela a fortement démontré l’énorme potentiel de régulation de l’expression des principaux gènes contrôlant les caractères photosynthétiques par le génie génétique afin d’augmenter les rendements des cultures.