西瓜浅黄色果肉主效基因的精细定位与克隆

Xanthophyll is the main accumulated carotenoids in pale yellow watermelon flesh. The health functions of xanthophyll such as antioxidation, antitumor and vision protection have been recognized both in China and abroad. The research of the key gene(s) related with pale yellow flesh color watermelon was still relatively weak. Previously, a major QTL locus associated with pale yellow flesh color trait had been identified in the region of about 120kb in chromosome 4 of watermelon genome by genetic linkage analysis. Based on the research foundation, two F2 populations will be constructed on the genetic basis of red/pale yellow and pale yellow/white flesh color according to the target trait with the parental materials of LSW-177 (red flesh), COS (pale yellow flesh) and the PI186490 (white flesh). Take the forward genetic approaches, both QTL-seq and genetic linkage analysis technology will be applied to verify and improve the initial mapping locus for fine mapping and the key candidate gene(s) location. The molecular marker assisted selection system for the watermelon pale yellow flesh color trait will be constructed and verified using watermelon natural population with 300 germplasm resources. The candidate gene isolation and the biological function analysis of the candidate gene will be performed on DNA, RNA and protein levels, respectively. The results of this project will be helpful to elucidate the molecular mechanism for the formation of pale yellow flesh in watermelon and provide the theoretical basis on the molecular breeding of different flesh color in watermelon.

西瓜浅黄色果肉中的主要色素为叶黄素类物质，其抗氧化、抗肿瘤、保护视力等功效已被国内外广泛公认，目前对于西瓜浅黄色果肉主效基因的研究仍比较薄弱。在前期研究中，通过遗传连锁分析在西瓜基因组四号染色体上约120kb区间内获得了一个与浅黄色果肉性状紧密连锁的主效QTL位点。在此基础上，本研究以红色果肉西瓜品系LSW-177、浅黄色果肉品系COS及白色果肉品系PI186490为试验材料，构建具有红色-浅黄色和浅黄色-白色果肉遗传背景的两套F2群体。采用正向遗传学策略，通过遗传连锁分析与QTL-seq技术结合初定位结果，精细定位控制浅黄色果肉的主效基因，建立浅黄色果肉性状分子标记辅助选择技术体系，利用300份不同果肉颜色的西瓜自然群体进行验证。克隆候选基因，分别在DNA、RNA及蛋白质层面上分析其生物学功能。本研究将为解析西瓜浅黄色果肉形成的分子机理、选育不同果肉颜色西瓜新品种奠定理论与实践基础。

西瓜浅黄色果肉中的主要色素为叶黄素类物质，其抗氧化、抗肿瘤、保护视力等功效已被国内外广泛公认，但其色素组成、遗传规律和调控基因尚不明确，本项目以浅黄色果肉西瓜Cream of Saskatchewan（简称“COS”）和白色果肉西瓜品系PI186490为亲本材料构建遗传群体开展相关研究，利用LC-MS/MS内标法及18中类胡萝卜素标准品对成熟COS果肉中类胡萝卜素的种类和含量进分析。结果表明，叶黄素类物质（紫黄质和叶黄素）是导致COS呈现浅黄色的主要色素，此外还包微量的八氢番茄红素、玉米黄质、花药黄质、β-胡萝卜素、番茄红素和β-隐黄质。COS×PI186490群体遗传分析表明，白色果肉对浅黄色果肉表现为不完全显性，F2代中共出现三种分离类型，分别为浅黄色果肉、白色果肉和黄色-白色嵌合型果肉，三种类型的分离比例近似为1:1:12，说明存在主效基因调控该性状，利用BSA-seq策略及1260个F2代单株最终将该主效基因精细定位在西瓜基因组6号染色体上约66.8 kb范围内，该区间共包含9个候选基因，结合基因结构分析和转录组测序结果，发现Cla007528（编码Chlorophyllase）基因的外显子区在两亲本材料中共存在三个非同义突变，且在果实授粉后第26天，色素开始积累的转折时期，Cla007528在PI186490中的表达量显著高于COS。此外，对类胡萝卜素代谢通路上的关键基因进行基因表达模式分析后发现，ClPSY1、ClPDS和叶黄素循环中的ClNCED7、ClNCED1和ClCHYB、ClCHXE均在两亲本的不同发育时期表现出了显著的差异表达，说明这些基因可能与Cla007528共同参与调控COS形成浅黄色果肉。