新类型易脱壳苦荞薄壳特性的细胞学、转录组学及遗传定位研究

Almost all the tartary buckwheat has a thick and tough shell, which is extremely difficult to be dehulled, which greatly limits the development of tartary buckwheat processing industry. It is the key to solve this problem that the tartary buckwheat varieties with thin shell are developed. For this reason, we have carried out cross-breeding work of thin shell tartary buckwheat, and now we have developed some new thin shell tartary buckwheat varieties. In this project, on the base of new rice tartary buckwheat pure lines “Gui Miku 18” etc and 400 F8 RILs population from the cross "Small rice buckwheat (thin shell) x Jin Qiao 2 (thick shell)", the genetic analysis of tartary buckwheat shell rate and cytology structure of shell by means of paraffin section and light microscopy will be studied. By using high-throughput RNA-seq technique, the shells of thick shell tartary buckwheat and thin shell tartary buckwheat were studied comparatively by means of the transcriptome sequencing, and the candidate genes that might be related to thin shell were obtained. At the same time using the F8 RIL population the shell traits QTLs will be located. The above results will be important for cloning thin shell main genes and provide guide for further study of molecular mechanism of thin shell formation and molecular breeding.

几乎所有的苦荞都具有厚而坚韧的壳，脱壳极其困难，极大的限制了苦荞加工产业的发展。培育薄壳易脱壳苦荞是解决这一问题的关键。为此我们开展了薄壳苦荞的杂交育种工作，目前已培育出新型易脱壳薄壳苦荞“贵米18”等品系。本项目拟在前期获得的高代纯合新型易脱壳薄壳米苦荞、“小米荞（薄壳）×晋荞2号（厚壳）”F8 RIL群体及对米苦荞果壳率遗传分析等研究基础之上，拟通过石蜡切片结合光镜观察法对米苦荞薄壳性状形成的细胞学基础进行研究；利用高通量RNA-seq技术对厚壳苦荞和薄壳苦荞不同发育时期的果壳进行比较转录组测序，筛选出可能与薄壳苦荞薄壳形成相关的候选基因；同时利用F8 RIL群体对控制薄壳性状的QTL进行遗传定位研究，研究结果将为今后克隆控制薄壳苦荞薄壳性状形成的主效基因，深入研究薄壳苦荞薄壳形成的分子机制及通过分子手段培育易脱壳薄壳苦荞提供理论依据，具有重要理论意义和生产实践意义。

细胞学和化学分析显示厚壳苦荞的不同品种的纤维素、木质素和半纤维素平均含量均高于各品种薄壳苦荞果壳平均含量，特别是厚壳苦荞中的纤维素含量大幅度高于薄壳苦荞纤维素含量。果壳差异的主要位置在沟槽区，薄壳品种种子果壳沟槽处自然开裂，表面有明显的裂痕，不同于厚壳苦荞；薄壳苦荞种子果壳发育模式不同，即厚壳苦荞荞为双峰式，而薄壳苦荞为递增单峰模式发育，导致米苦荞的灌浆期的果壳呈现相当的柔性状态，随着果实灌浆充实，果壳变成圆形囊状，无沟槽，果壳与米粒之间有断层，从而形成了米苦荞的薄壳、无沟槽、易脱壳等特征。利用群体等分析，发现在第1染色体的37.097cM～39.374 cM区间内，有1个与产量、百粒重、薄壳特性都相关的QTL位点，表型贡献分别为13.74%、24.48%和41.07%，且有效等位基因均来自父本晋荞2号。该QTL区间对应物理图谱的6.4-6.5mb区段共有10个候选基因。基于该区段的基因序列，开发合成了46对Genomic-SSR引物，经亲本验证，对引物具有多态性。经过遗传图谱的重新构建，有2对成功添加到该目标区间。重测序得到的974个SNP标记对薄壳性状进行遗传定位，构建高密度遗传连锁图谱，获得与薄壳性状紧密连锁的SSR/SNP分子标记。遗传连锁图谱包含122185个snp、4151个bin标记构建。图谱由8个连锁群组成，覆盖面积1444.15 cM，相邻群间平均距离为0.35 cM 。 共检测到9个TGW qtl，分布在1号染色体和4号染色体的4个位点上。 试验中检测到的染色体定位在第1染色体上38.2-39.8 cM区域，LOD评分为18.1-37.0， 表型变异解释率为23.6-47.5%。 将控制壳型的基因定位到第1染色体位于标记Block330和Block331之间，紧随其后的是TGW的主要位点。 控制外壳类型的7个候选基因的表达水平出现在Block330之间的区域。比较转录组分析证明三个调控细胞次生壁合成的一级开关基因FtNST1/FtNAC16、FtNST2/FtNAC33和 FtSND1/FtNAC64可能是决定苦荞果壳细胞次生壁厚度及脱壳的关键调控基因，均位于第1染色体上。上述研究结果为未来克隆控制薄壳苦荞薄壳性状形成的主效基因，深入研究薄壳苦荞易脱壳形成的分子机制及通过分子手段培育易脱壳薄壳苦荞提供理论依据。