干旱条件下苹果高水分利用效率的分子机制及其遗传分析

It is necessary for sustainable apple production in arid regions to understand the mechanism for maintaining high water use efficiency (WUE) in apple plants under drought condition, and to discovery related genes and germplasm to use to improve apple plants. In this project, to understand the biological mechanism that 'Qinguan' apple has higher WUE than other cultivars under drought conditions, we will use RNA-seq technology to systematically investigate and compare the molecular regulation network for the photosynthetic system, photoelectron electronic transmission system, stomatal regulation characteristics, leaf structure, carbon metabolism and other aspects, and then select key genes will be transformed into tobacco to confirm their function in WUE and resisting drought stress. The key genes selected above will be transferred into apple to get new resources. In addition, we will construct the genetic mapping of hybrid offsprings from 'Qin Guan' and 'Honeycrisp' apple using genotyping-by sequencing makers, evaluate WUE and drought resistance in this group, and then analyze genetic characteristic of related traits to get key OTL on controlling WUE in apple. The aim of this study is to verify the molecular mechanism for maintaining higher WUE apple under drought condition and discovery related genes, to know WUE genetic characteristics in apple and its associated QTL, to create and select new apple germplasm resources with high WUE under drought. It will provide the basic theory and method of WUE breeding and improvement of crops in China WUE high and apple sustainable development in dry regions.

干旱条件下高水分利用效率（WUE）苹果种质和品种的利用对我国旱区苹果的高效生产有重要意义。项目组前期研究发现‘秦冠’苹果在干旱条件下具有高的WUE，并以其为亲本创制了一批杂交后代。在此基础上，本项目拟结合RNA-seq技术，从光合系统、光电子传递系统、气孔调控特性、叶片结构、碳素代谢等方面系统分析‘秦冠’苹果在干旱条件下高WUE的生物学机制，筛选关键基因，转化烟草进行功能验证，并将关键基因转入主栽品种，获得苹果新种质；采用GBS技术构建‘秦冠’和‘蜜脆’苹果杂交后代的遗传图谱，评价该群体WUE和抗旱性，分析相关性状的遗传特性，并进行精确QTL定位，获得WUE关键QTL。其目的在于探明苹果干旱条件下高WUE的分子机制，挖掘相关基因，摸清苹果WUE遗传特性及其相关的QTL，创建或筛选出干旱下高WUE的苹果新种质资源，为高WUE品种选育及旱区苹果可持续发展提供理论基础与方法。

干旱条件下水分的高效利用对我国旱区苹果的高效生产具有重要意义。为探明干旱条件下‘秦冠’苹果高水分利用效率（WUE）的分子与遗传机制，项目结合生理生化、表型数据，利用蛋白质组、转录组、甲基化组等组学技术研究发现，在长期干旱胁迫条件下，‘秦冠’苹果叶片可通过DNA修饰、转录和蛋白质翻译后等多个层次的调控途径影响相关基因的表达水平，提高光合电子的传递能力，增加热耗散能力和光系统的保护和活性氧清除能力，维持高的光合能力；同时，通过ABA等激素信号、气孔开张度、气孔密度、表皮毛密度等的调控，降低水分的耗散，提高水的利用能力，以维持干旱条件下的WUE，其中YTP、PYL9、HB7等基因通过调控ABA信号的敏感度，以调控气孔开张度，自噬相关基因ATG18等可通过蛋白质降解调控抗旱相关蛋白的表达或活性，而MYB88、VQ、bHLH等转录因子通过调控水分运输或抗旱相关基因的表达影响抗旱性，上述基因的过量表达均可增加转基因植物的WUE和抗旱性。在苹果WUE的遗传水平上，项目利用RAD技术构建了‘蜜脆’ב秦冠’F1代352个群体的高密度遗传图谱，建立了SNP数据库，进行了干旱条件下WUE的遗传特性评价和QTL定位，并对苹果WUE关键决定因子δ13C等进行QTL精确定位，发掘出δ13C有效SNP分子标记3个，筛选候选基因18个，对其中的DnaJ、HB7、YTP等基因通过转基因进行了抗旱和WUE调控的功能验证。通过项目的研究，探明了干旱条件下‘秦冠’苹果高效用水的生理与分子途径，建立了苹果干旱响应相关组学的数据库和高密度遗传图谱，获得了WUE有效分子标记，筛选或创制了一批高WUE苹果新种质，为高WUE苹果的分子辅助或设计育种奠定了方法与材料基础。同时，通过项目研究，培养了6名青年教师和6名博士研究生，发表相关SCI论文19篇，选育审定苹果新品种1个。