本文關(guān)鍵詞：西瓜果實含糖量QTL定位及糖轉(zhuǎn)運蛋白基因功能初析

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【摘要】：西瓜作為一種以鮮食為主的水果,果實含糖量是評價西瓜品質(zhì)的最核心指標,一直是西瓜品種改良與栽培中最為重要的目標性狀。然而,西瓜含糖量是由多基因控制的復雜數(shù)量性狀,并存在明顯的環(huán)境互作效應(yīng),傳統(tǒng)的生理與遺傳學研究方法很難分析其遺傳本質(zhì)與調(diào)控機制,進一步明確在復雜的糖代謝和糖轉(zhuǎn)運基因網(wǎng)絡(luò)中哪些節(jié)點是影響和決定西瓜果實糖積累的關(guān)鍵基因,不僅可為西瓜品質(zhì)改良提供理論與技術(shù)指導,而且也為探索作物光合產(chǎn)物積累與轉(zhuǎn)運的分子機制奠定堅實基礎(chǔ),因此本項目研究具有重要理論意義與實用價值。本文通過構(gòu)建高密度SNP遺傳圖譜與全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)方法,完成含糖量性狀QTL精細定位,試圖明確西瓜含糖量遺傳控制位點。在此基礎(chǔ)上,對QTL區(qū)域的糖轉(zhuǎn)運蛋白基因的結(jié)構(gòu)變異、表達模式、亞細胞定位、功能驗證和調(diào)控機制進行了初步分析,取得的主要研究結(jié)果如下。1.西瓜整合圖譜構(gòu)建及含糖量QTL初定位。利用4個獨立的遺傳群體構(gòu)建了一張整合圖譜。4個獨立的遺傳群體分別為:東亞栽培種97103和野生種PI 296341-FR雜交單粒傳構(gòu)建的103株系重組自交系(RILs);北美栽培種ZWRM50×野生種PI 244019(ZWRM×citron)雜交構(gòu)建的182單株的F2群體;164株系的栽培種×栽培種[Klondike Black Seeded×New Hampshire Midget(KBS×NHM)]RIL群體;187單株的栽培種×半野生種[Strain II×PI 560023(SII×egusi)]F2群體。該整合圖共計包含標記1339個,遺傳距離798cM,平均標記間距0.6cM。整合圖譜共計包含58個已經(jīng)發(fā)表的QTL和12個新發(fā)現(xiàn)的QTL,其中新發(fā)現(xiàn)的QTL包括西瓜折光糖含量(Brix)、果糖(Fru)、蔗糖(Suc)和葡萄糖(Glu)含量QTL。通過整合圖譜將西瓜折光糖含量主效QTL(Brix)定位于chr2(QBRIX2-1、QBRIX2-2及QBRIX2-3),該3個主效QTL均與果糖含量QTL(QFRU2-1、QFRU2-2和QFRU2-3)重合。其中2個QTL(QBRIX2-1和QBRIX2-3)與蔗糖含量QTL(QSUC2-1和QSUC2-2)重合。通過整合比較分析不同群體下定位的含糖類QTL發(fā)現(xiàn)QBRIX2-1,QBRIX2-2及QBRIX2-3均能在不同遺傳背景下被檢測到,且位于整合圖譜同一區(qū)間,表明這些QTL能夠解釋廣泛背景下的遺傳變異。2.RIL重測序SNP圖譜構(gòu)建與含糖量QTL精細定位。對栽培西瓜97103與野生西瓜PI296341-FR為親本構(gòu)建的RIL群體96個單系進行了重測序。從94.7萬個SNP位點選取高質(zhì)量的SNP構(gòu)建2777 Bin,利用2777 Bin構(gòu)建RIL SNP Bin遺傳圖,SNP遺傳圖共計包含SNP Bin 2539個,遺傳距離總1565.0cM。利用超高密度RIL SNP Bin遺傳圖,將97103基因組386個scaffolds大約344 Mb(占組裝基因組355.2Mb的96.9%)錨定到西瓜11條染色體,共計有314 scaffolds(332.6 Mb)大約占93.6%組裝序列確定方向,較西瓜基因組發(fā)表版本僅65%的scaffold確定方向有明顯提高。通過超高密度RIL SNP Bin圖將西瓜含糖量QBRIX2-1和QBRIX2-2分別精細定位在125 Kb(16 genes)和797 Kb(20 genes)之間。利用和高糖親本97103遺傳相似度高達84.3%的RIL-G35與97103構(gòu)建BC2F2近等基因系群體將QBRIX2-3進一步定位到Indel標記WMI251和WMI233之間,包含87個基因,其中有6個轉(zhuǎn)錄因子,其中bHLH家族轉(zhuǎn)錄因子998在親本97103和PI296341中存在蛋白差異且判斷為有害突變,可能會影響基因功能。3.QBRIX2-1區(qū)間轉(zhuǎn)運蛋白基因835轉(zhuǎn)錄水平、結(jié)構(gòu)變異、組織特異性表達及其與QBRIX2-3的互作模式解析。含糖量QBRIX2-1精細定位在125 Kb之間,涉及到16個候選基因。轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)僅一個msf家族轉(zhuǎn)運蛋白基因835在高糖材料97103果實成熟4個關(guān)鍵時期高量上調(diào)表達,而在低糖材料pi296341果實成熟4個關(guān)鍵時期無表達,在97103果皮、根和葉部也呈低表達,q-pcr檢測約50份典型重測序材料835表達發(fā)現(xiàn)其表達量與含糖量正相關(guān),確定為qbrix2-1的候選基因。race擴增835在高糖材料和低糖材料中全長cds及5’和3’端序列發(fā)現(xiàn)835在高糖材料5’utr區(qū)up37bp存在一個snp(a/c),可導致高糖材料和低糖材料翻譯框架改變:高糖材料減少45個氨基酸。檢測該snp在130份重測序材料中發(fā)現(xiàn)brix大于4的材料均為a,而低于4的材料均為c,不僅可區(qū)分栽培和野生種之間糖分差異,還能有效區(qū)分半野生資源內(nèi)部高糖和低糖材料,因此該snp可作為自然群體糖分檢測的分子標記互助選擇。45氨基酸短肽為信號肽,亞細胞定位發(fā)現(xiàn)其可影響97103-835和pi296341-835蛋白定位:97103-835蛋白表達在質(zhì)膜,而pi296341-835蛋白主要表達在內(nèi)膜系統(tǒng)。rna原位雜交顯示97103-835特異性在高糖品種果實維管束系統(tǒng)表達,這表明97103-835可能是參與果實韌皮部糖分卸載,而非果肉細胞糖分裝載。為明確高糖材料97103和低糖材料pi296341中835數(shù)千倍差異表達的機制,分析啟動子發(fā)現(xiàn)上游1187bp存在一個myc(bhlh)e-box(canntg)識別位點差異:caaatg-caaagg。以此e-box位點為誘餌序列,篩選97103cdna酵母單雜交文庫,發(fā)現(xiàn)位于qbrix2-3的轉(zhuǎn)錄因子998可結(jié)合該e-box元件。以煙草瞬時表達系統(tǒng)共表達998和835啟動子1700bp啟動的luc熒光素蛋白,結(jié)果顯示998能有效激活97103-835啟動子1700bp,而不能激活pi296341-835啟動子1700bp區(qū)域。充分證明該基因啟動子區(qū)域e-boxmotif的snp改變導致了轉(zhuǎn)錄活性差異,從而明確qbrix2-3對qbrix2-1的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制。4.qbrix2-2區(qū)間糖轉(zhuǎn)運蛋白基因cltst2的表達譜分析、功能初析及調(diào)控因子。qbrix2-2涉及20個候選基因,從蛋白功能注釋分析只有cltst2屬于tmt家族糖轉(zhuǎn)運蛋白;轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)cltst2在高糖材料97103果實成熟過程4個關(guān)鍵時期上調(diào)表達,而在低糖材料pi296341果實成熟4個關(guān)鍵時期下調(diào)表達,q-pcr檢測約50份典型重測序材料cltst2表達發(fā)現(xiàn)其表達量與含糖量正相關(guān),故將轉(zhuǎn)運蛋白基因cltst2確定為qbrix2-2的候選基因。將目標基因轉(zhuǎn)入帶yfp的植物表達載體,轉(zhuǎn)化西瓜果實原生質(zhì)體,結(jié)果表明轉(zhuǎn)運蛋白cltst2在西瓜液泡中表達。膜片鉗技術(shù)檢測表明cltst2具有單糖(葡萄糖、果糖)和二糖(蔗糖)轉(zhuǎn)運功能;將cltst2瞬時表達于草莓的白果期,表達3-4天后可以明顯觀察到cltst2過表達草莓能夠較表達空載體的草莓積累1.5倍的糖分。酵母單雜交和emsa結(jié)果表明waky家族clsusiba2能有效結(jié)合cltst2的wbox和糖響應(yīng)順式作用元件。煙草瞬時表達發(fā)現(xiàn)97103-pcltst2::luc和pi296341-fr-pcltst2::luc均被clsusiba2抑制表達。分析其表達模式發(fā)現(xiàn)cltst2在低糖材料(組織)中被clsusiba2抑制,而在高糖材料中,隨著果實成熟,不斷解除了其對cltst2的抑制,使cltst2表現(xiàn)出不斷升高的表達趨勢。5.gwas發(fā)現(xiàn)糖分積累相關(guān)基因clswt及其轉(zhuǎn)錄水平、功能解析。以130份重測序自然群體材料約100萬snp數(shù)據(jù)進行全基因組關(guān)聯(lián)分析,在chr1短臂末端378844附近獲得了西瓜糖分含量snp,該snp位于clswt,與130份重測序自然群體糖分含量吻合度達86%。轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn),clswt在高糖材料97103果實成熟4個關(guān)鍵時期高量上調(diào)表達,而在低糖材料pi296341果實成熟4個關(guān)鍵時期無表達,q-pcr檢測約50份典型重測序材料clswt表達發(fā)現(xiàn)其表達量與含糖量正相關(guān),確定為候選基因。clswt轉(zhuǎn)化己糖吸收缺陷酵母菌種ysl2-1后,能互補其果糖和葡萄糖吸收功能,證明其具有果糖和葡萄糖轉(zhuǎn)運能力。6.西瓜糖分積累機制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模式圖繪制。水蘇糖、棉籽糖是西瓜韌皮部運輸?shù)闹饕欠?主要由α-半乳糖苷酶(AGA)將水蘇糖、棉籽糖分解為蔗糖,此為糖分果實卸載第一關(guān)鍵節(jié)點。韌皮部維管束中蔗糖被酸性轉(zhuǎn)化酶分解成果糖和葡萄糖后從韌皮部卸載,此為糖分運輸?shù)诙P(guān)鍵節(jié)點,可能由QBRIX2-1 835參與協(xié)助,并由bHLH家族轉(zhuǎn)錄因子控制表達。糖分運輸?shù)谌P(guān)鍵節(jié)點為果肉細胞質(zhì)膜上糖分運輸,為本研究已證明功能ClSWT控制。第四個關(guān)鍵節(jié)點為果肉細胞液泡膜上質(zhì)子反向轉(zhuǎn)運體ClTST2,由WRKY家族轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控。本研究首次繪制了西瓜糖分運輸關(guān)鍵節(jié)點圖,并初步確定每個節(jié)點可能的控制基因,為西瓜果實糖分積累奠定了分子改良的理論基礎(chǔ),具有重要理論意義與商業(yè)實用價值。
【學位授予單位】：中國農(nóng)業(yè)科學院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：S651

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1 記者　張鵬毅;海南西瓜兩月賺回十億[N];海南日報;2006年

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4 冷永新;“_6農(nóng)”西瓜緣何受青睞[N];農(nóng)民日報;2009年

5 唐紅梅　周瑛 �，� 趙卿;西瓜價格 有圓有缺[N];農(nóng)民日報;2009年

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8 張廣臣;花甲老翁展雄志 西瓜爬到高原頂[N];畢節(jié)日報;2010年

9 新華;西瓜新品“愛耶一號”[N];山西科技報;2001年

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7 王芳;西瓜壓縮及蠕變特性的研究[D];內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學;2008年

8 劉景安;西瓜果實品質(zhì)形成的生理生化機制與基因表達譜研究[D];中國農(nóng)業(yè)科學院;2013年

9 李敏;AM真菌對西瓜抗枯萎病的效應(yīng)及其機制[D];中國農(nóng)業(yè)大學;2005年

10 易克;西瓜遺傳圖譜的構(gòu)建及其重要農(nóng)藝性狀的基因定位[D];湖南農(nóng)業(yè)大學;2002年

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1 魏巍;西瓜振動特性及振動對其品質(zhì)影響研究[D];內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學;2015年

2 李凱;連作與輪作對砂田西瓜土壤微生物學性狀及化學性狀的影響[D];寧夏大學;2015年

3 袁靜賢;生長素相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子家族基因在西瓜果實膨大過程中的調(diào)控作用分析[D];華中農(nóng)業(yè)大學;2015年

4 楊炳艷;低溫脅迫下不同倍性西瓜基因的差異表達及表觀遺傳研究[D];河北農(nóng)業(yè)大學;2015年

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6 程瑤;西瓜遺傳連鎖圖譜的構(gòu)建及果實相關(guān)性狀QTL分析[D];東北農(nóng)業(yè)大學;2015年

7 林葉;西瓜嫁接育苗砧木品種與關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化[D];上海交通大學;2015年

8 王碩碩;西瓜砧木篩選及其嫁接對西瓜幼苗鹽脅迫耐受性的影響[D];山東農(nóng)業(yè)大學;2015年

9 楊景杰;不同砧木對大棚西瓜連作障礙減緩作用的研究[D];西北農(nóng)林科技大學;2015年

10 吳萍;西瓜鉀高效品種的篩選及高效吸收機制研究[D];南京農(nóng)業(yè)大學;2014年

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本文編號：1307387