不同基因型割手密种质资源的系统发育及逆境生态适应性

The wild sugarcane species Sacchrarum spontaneum L. germplasm resource is the important gene resource for drought resistance, cold tolerance, disease and pest resistance of cultivated sugarcane. To accelerate the use of S. spontaneum in sugarcane breeding and broaden the genetic base of sugarcane cultivars by using S. spontaneum germplasm for crossing, it’s essential to further study the relationship between different genotypes and the phylogenesis and evolution of S. spontaneum. So far, the study on the genetic relationship of different S. spontaneum clones is mainly focus on classic cytogenetics and molecular marker methods, it’s difficult to revel the relationship, phylogenesis and evolution between these germplasm plants by these methods, and the further use of these germplasm plants in sugarcane breeding program is limited because their ecological adaptability is still unidentified. In this project, the 5S and 45SrDNA genes, repeat sequences of centromene and telomere will be used as probes to hybridize with the different genotypic S. spontaneum clones by fluorescence in situ hybridization (FISH) to analysis the chromosomal evolution of S. spontaneum resource; the most parsimonious tree will be built and the origin and diverging time will be estimated based on the suquences of the conservative DNA fragments and genes of chloroplast and mitochondrion; at the same time, the drought resistance and cold tolerance of these clones will be analysed by physiological and biochemical mthods. The objective of this study is to provide sentific support for the collection, preservation and application of S. spontaneum germplasm in sugarcane breeding by further study the relationship between different genotypes and the phylogenesis, evolution and ecological adaptability to abiotic stress of different genotypes of S. spontaneum.

割手密资源是栽培甘蔗抗性基因的重要来源，加大其无性系的系统研究可提高其在甘蔗育种中的利用广度和深度。目前对割手密无性系间亲缘关系的研究多限于经典的细胞遗传学及分子标记水平，难以揭示这些资源植物间的亲缘关系、系统进化；同时，各基因型割手密的生态适应性也未明确，大大限制了其在甘蔗育种中的进一步利用。本项目拟对不同基因型割手密进行以下研究：（1）以5S及45SnrDNA、着丝粒DNA及端粒DNA重复序列荧光原位杂交(FISH)，分析割手密资源的染色体进化趋势；（2）对参试材料的各20个cpDNA和mtDNA基因保守序列进行扩增、测序及分析，构建这些材料的系统发育树并估测其起源和分化时间；（3）分析各材料的抗旱性、抗寒性等生理生化特性。通过以上研究探讨不同基因型割手密无性系间的亲缘关系、系统发生、进化及逆境生态适应性，为其采集、保存及在甘蔗育种中的进一步利用提供科学依据。

本项目以采自国内外的割手密资源为材料，采用荧光原位杂交（FISH）、SRAP标记、叶绿体基因及ITS片段的序列对不同倍性割手密间的遗传分化和演化进行系统研究，同时，对其低温及干旱胁迫后的形态性状、生理生化指标及转录组测序结果进行研究。FISH研究结果发现不同倍性割手密的染色体基数为x=8、9及10；SRAP标记的研究结果表明同种类型的割手密基因交流频繁，不同倍性割手密材料间也存在基因交流，倍性间的演化可能是网状式发展，并非单一方向；基于ITS序列和4个叶绿体基因间隔区序列的不同基因型割手密的系统进化表明不同倍性割手密无性系群体内及群体间均有显著遗传变异，但群体间的变异大于群体内的变异；中性检验结果表明割手密无性系群体间经历过瓶颈效应或群体扩张；单倍型网络图分析结果表明不同倍性割手密间的演化关系较为复杂；系统进化树构建结果显示割手密的聚类呈现出一定的地域性，但不同倍性割手密间并没有明显的单独聚类，暗示不同倍性割手密间存在着一定的基因交流；干旱及低温胁迫后各项指标的分析表明割手密的耐逆性与其倍性呈显著的负相关，表明高倍性割手密适应于高温、潮湿的生态环境，而低倍性的割手密适应于低温、干旱的逆境且倍性越低割手密的耐逆性越强；低温胁迫下的转录组测序结果表明割手密的糖和淀粉代谢通路以及植物激素信号传导通路是比较显著的两条通路，同时，低倍性割手密通过糖分积累和激素变化来维持一个更强健的渗透调节系统，从而具有更佳的耐低温能力；干旱胁迫下的转录组测序结果表明割手密对干旱胁迫响应是一个多基因参与、多个生物代谢过程反应协同调控的过程，基因表达量的变化可能是调控的主要方式。项目已发表论文6篇（SCI收录4篇），获授权发明专利2件、实用新型专利1件；培养博士生3名、硕士生1名。对照考核指标，项目已完成了各项计划内容，获得了预期研究成果，可以按期结题。