簸箕柳性别基因精细定位及性别位点区域图谱比较

The genetic control of sex determination in animals, especially in higher vertebrates, has been relatively clear, but it remains largely unknown in plants. The determinants of sexual phenotype in plants are more diverse in comparison with that in animals. Sex determination systems in plants have evolved many times from hermaphroditic ancestors. While sex chromosomes in most mammals are ancient, sex chromosomes in some plants are evolutionarily young. Thus, the sex determination evolution progress which has done in mammals is something that can be traced in plants. The majority of plants are cosexuals, only about 4% of angiosperm species are dioecious. Dioecy were confirmed to be evolved from monoecy. Scientists proposed different hypotheses for the genetic mechanism triggering the evolution process from monoecy to dioecy. But there is no direct experimental proof due to the lacking of cloning the sex determining genes. Populus and Salix are members of Salicaceae, a family of dioecious catkin-bearing woody plants. Plant species in Salicaceae are desirable materials to study the sex determination system in plants. Previous studies described the genetic and genomic features in the peritelomeric region of chromosome XIX, which suggested this region in the Populus genome is in the process of developing characteristics of a sex chromosome. However, the discovery of sex determining genes remains unresolved. Willows and poplars are originated from the same ancestor. Experimental studies show that their genomes share high colinearity. Salix suchowensis is a native shrub willow that distribute in the north of China, which can reach sexual maturity for reproduction in one year. Comparing to poplar, S. suchowensis is a more desirable plant for discovering the sex determining genes for Salicaceae spp. In this study, we aim to fine-map the sex determining loci in S. suchowensis, which will provide essential information for cloning the underlying genes and for exploring the genetic mechanism triggering the evolution process from monoecy to dioecy.

植物性别决定系统十分复杂，既存在雌雄同株及雌雄异株，也存在多种中间过渡类型。目前对植物性别分化遗传机制的认识还不十分清楚。性染色体在植物中多次进化，且存在进化不同阶段的各种形式。在动物中已完成的性别分化过程可以在植物中进行追溯。大多数植物为雌雄同株，只有约4%的植物为雌雄异株。雌雄同株向同雌雄异株进化的遗传机制有多种假说，但由于成功克隆植物性别决定基因的实例较少，这些假说仍缺乏直接的实验证据。杨柳科植物是雌雄异株植物，是研究植物性别分化遗传机制的理想材料，以往的研究发现了杨树中正在形成的原始性染色体，但由于杨树幼龄期长、个体高大，难以开展大规模田间实验以实现性别决定基因位点的精细定位。本项目拟以当年开花的小灌木—簸箕柳为材料，通过家系连锁分析，在性别位点初步定位的基础上，开展性别决定基因位点局部区域精细作图，进而完成簸箕柳性别决定位点精细定位，为实现性别决基因克隆创造条件。

植物的性别决定一直是生物学领域的研究热点。杨柳科植物雌雄异株，是研究植物性别遗传分化机制的良好材料。以往的研究发现了杨树中正在形成的原始性染色体，但由于杨树幼龄期长、个体高大，难以开展大规模田间实验以实现性别决定基因位点的精细定位。簸箕柳和杨树有着相同的起源，相比杨树，簸箕柳个体小、世代周期短，更适于作为林木研究的模式树种。课题组前期收集了大量簸箕柳种质材料，完成了簸箕柳全基因组测序及测序序列沿染色体的组装，并将簸箕柳性别决定位点初步定位在母本第15号染色体上，在充分的材料基础和信息资源基础上，本项目利用性别基因区的序列信息开发分子标记，开展簸箕柳基因组性别位点局部区域精细作图，进而完成簸箕柳性别决定位点精细定位及性别决定候选基因的查找，为最终实现性别决基因克隆创造条件。.通过项目的实施，主要取得了以下成果：（1）完成了簸箕柳作图群体的性别调查及性别基因在染色体上的精细定位，将性别决定基因锁定在母本15号染色体一个长85kb的区间内；（2）发现了簸箕柳父本和母本中性染色体存在倒位现象；（3）完成了性别基因所在区间的序列分析，筛选到一个簸箕柳性别决定候选基因（FAR），该基因编码的蛋白含有导致雄性不育的结构域。（4）项目执行期间共发表项目资助标注论文9篇，其中SCI论文6篇；联合指导研究生2人，其中1人获“全国林科优秀毕业生”及第五届“梁希优秀学子”称号；项目负责人入选中国科协“青年人才托举工程”。.本项目取得的研究成果为最终克隆簸箕柳性别决定基因和进一步研究雌雄同株向雌雄异株进化的遗传机制提供了重要的研究基础。性别决定基因的定位与克隆，可以直接应用于造林苗木性别的早期鉴别及速生新品种的选育工作；同时，性别决定基因对利用基因工程手段培育不飞絮的杨柳新品系，对克服飞絮带来的环境问题有重要意义。因此，项目的研究成果不仅具有重要理论意义，也具有十分重要的应用价值。