Genetic analysis of tolerance to Boron toxicity in the legume Medicago truncatula

Medicago truncatula Gaertn. (barrel medic) is cultivated as a pasture legume for its high protein content and ability to improve soils through nitrogen fixation. Toxic concentrations of the micronutrient Boron (B) in agricultural soils hamper the production of cereal and leguminous crops. In cereals, the genetic analysis of B tolerance has led to the development of molecular selection tools to introgress and maintain the B tolerance trait in breeding lines. There is a comparable need for selection tools in legumes that grow on these toxic soils, often in rotation with cereals.

摘要: 背景Medicago truncatula Gaertn. (蒺藜苜蓿)具有高蛋白且可藉由固氮作用而改善土壤因此人們種植這項作物並拿它們作為豆科牧草。農業土壤中微量營養素硼(B)的毒性濃度會影響穀類及豆科作物的產量。就穀類而言已藉由硼耐受性的基因分析發展出分子篩選工具硼耐受性已?入及維持於育種品系。在這些有毒土壤中栽培豆科植物(通常與穀類輪作)也同樣需要篩選工具。\n 結果利用蒺藜苜蓿對對硼耐受性的不同以具硼耐受性以及不具耐受性的蒺藜苜蓿親代雜交繁衍出兩個F2族群。在硼壓力下顯示硼耐受性與作物產量之間有極大的相關性且分離率顯示出有單一個顯性基因座。我們找出蒺藜苜蓿與阿拉伯芥屬主要內在蛋白(MIP)基因AtNIP5;1以及輸出式轉運蛋白基因AtBOR1 (二者均已知與硼的轉運有關)同源的基因區域並利用基因附近的分子標誌對F2品系進行篩選以判斷與硼耐受性相關聯的基因。大多數的(95%)表現型變異與SSR標記h2_6e22a以及h2_21b19a (位於第4條染色體、5個預測的MIP基因叢集區的兩側)相關。我們發展出3個CAPS標誌(MtBtol-1、-2、-3)以進一步分析特定的染色體區域。5個預測的MIP基因在葉子與根部的表現分析指出僅MtNIP3有表現。在耐受性及非耐受性品系的根部中MtNIP3僅有低且一致的表現量不過在葉子中硼耐受性品種的MtNIP3表現量高了4倍。這樣的表現情形與耐受性及非耐受性植株之葉子及根部的硼濃度有極高的相關性。耐受性與非耐受性植株根部之間的硼濃度沒有顯著差異不過耐受性植株其葉子的硼濃度不到非耐受性植株葉子的一半這也進一步支持MtNIP3是蒺藜苜蓿硼耐受特性基因的最可能基因。\n 結論MtNIP3基因座與硼毒耐受性的高關聯性可作為牧草培育計畫中分子篩選工具的基礎。至於該基因座的經濟重要性還需要進一步研究其他牧草以及糧食豆類MIP基因叢中的各基因。