优质牧草鸭茅开花关键基因挖掘及功能解析

Orchardgrass, a world-renowned high quality grass species, plays a significant role in planting grass and rearing livestock, rocky desertification ecosystem management, exploring and utilizing southern grasslands in China. Flowering time is one of the most important agronomic traits, which affects characters of economic importance such as forage and seed yield, quality and utility value of mixture pasture.However, little information is known about the molecular regulating mechanism and the key function gene associated with flowering time in perennial grass. Based on the previous evaluation of orchardgrass germplasm resources, this study is designed to 1) research on different vernalization stages by orchardgrass morphology and anatomy; 2) investigate molecular mechanisms of vernalization and flowering through transcriptome sequencing and microRNA sequencing; 3) explore the target key genes and verify the functional roles by combing the flowering time QTLs and different expressed genes and miRNA target genes from transcriptome sequencing. The results of this study will provide valuable basis materials and technical support for the utilization of gene resource and contributing to mixture pasture cultivars breeding of different maturity periods.

鸭茅是世界知名禾本科优质牧草，在混播草地建植、种草养畜、石漠化生态治理及草地改良等工程中发挥了重要作用。开花是牧草重要农艺性状，对牧草产量、种子产量、品质及混播草地利用价值有重要影响。然而，禾本科牧草上开花调控的分子机制研究极少，调控开花的关键基因尚不清楚。本项目拟在前期系统评价鸭茅基因资源基础上，利用筛选获得的早、晚熟材料用于：1）鸭茅不同春化阶段形态解剖学研究；2）基于RNA-seq和miRNA-seq技术研究鸭茅春化及开花的分子响应机制；3）结合开花基因的QTL精细定位结果、转录分析的差异表达基因及差异miRNA的靶基因，对目的关键基因进行挖掘及功能解析。研究成果将为特异基因发掘，混播草地不同开花期鸭茅品种培育，提高鸭茅分子育种水平和效率奠定重要理论基础。

鸭茅是世界知名禾本科优质牧草，在混播草地建植、种草养畜、石漠化生态治理及草地改良等工程中发挥了重要作用。开花是牧草重要农艺性状，对牧草产量、种子产量、品质及混播草地利用价值有重要影响。尤其是在混播草地中，早花鸭茅适合于黑麦草、三叶草混播，而晚花鸭茅则更适合于紫花苜蓿混播建植高质量的人工草地。然而，禾本科牧草上开花调控的分子机制研究极少，调控开花的关键基因尚不清楚。本研究通过转录组和小RNA测序，并结合鸭茅全基因组和QTL分析，发掘了一批调控鸭茅开花的候选基因，并对关键候选基因进行克隆和功能鉴定。本研究结果可为鸭茅及其他冷季型禾本科牧草的开花调控研究以及通过分子技术创制适宜花期的新品种提供基础。本研究主要结果如下：. 1.公布了二倍体鸭茅高质量基因组，约为1.84Gb, contig N50为 0.93Mb，包括40088个蛋白编码基因，其中69%的基因组序列为转座子，并公布了14个鸭茅亚种的叶绿体基因组，长度介于134376-134993bp之间。. 2.通过对不同春化阶段的鸭茅转录组分析，共鉴定到3864个差异表达基因，如BRI1、BZR1、VRN1、VIN3和FT，以及一些参与调控鸭茅开花的转录因子家族，如NAC、MADS-box、AP2/ERF、SPL等。在鸭茅全基因组信息的基础上，对发掘的转录因子进行全基因组鉴定和表达分析，解析其在鸭茅开花调控中的潜在作用。. 3.通过对不同春化阶段的鸭茅进行小RNA测序分析，共鉴定到69个差异表达的差miRNA，包括miR395，miR530，miR167，miR396，miR528，novel_42，novel_72，novel_107和novel_123，其靶基因参与了植物激素、跨膜转运和植物形态建成等过程，可能参与春化的转录后调控。并发现BRI1，BZR1，VRN1，VIN3和开花关键基因FT可能在鸭茅春化响应中起核心作用。. 4.联合转录组、小RNA测序和QTL数据分析，进一步挖掘定位了4个开花调控关键基因DgSPL3，DgAGL，DgMAD-box和DgFT，并进行了克隆和功能验证，为分子育种选育适宜花期的鸭茅新品种提供了基因资源。