油菜粒重基因的图位克隆和功能分析

The advance of seed yield improvement depends on the understanding of the genetics of yield components. Rapeseed is the most important oil crop in China and the seed weight is one of the yield components with wide variation. Therefore, studies on the genetic control of the seed weight variation are of significance in both science and practical breeding. However, there is no report yet about the cloned gene for rapeseed seed weight control and the genetic and molecular mechanism for the variation of seed weight is still not completely understood. In the current project, we will construct a near isogenic line (NIL) for a major quantitative locus for 1000-seed weight, TSWA7a that was mapped in Brassica napus previously. We will clone the gene by utilizing map-based cloning strategy with the NIL and next-generation sequencing technology. Comprehensive functional characterization will be conducted for the cloned gene. The study will provide insights on the gene in aspects of gene expression, cytological and molecular bases of seed weight variation. The cloned gene will be useful for the improvement of rapeseed yield breeding. The study on the other hand will also be beneficial for understanding the evolutional change of crop seed weight.

作物产量的遗传改良进程取决于对其构成因子遗传基础的认识程度。油菜是我国最重要的油料作物，粒重是油菜单株产量的主要构成因素之一，其大小存在广泛变异。研究种子大小/粒重的遗传控制和分子机理具有重要的科学意义和应用价值。目前还没有关于控制油菜千粒重基因克隆的报道，对油菜粒重遗传差异的遗传和分子基础也不清楚。本项目将在前期基因定位的基础上，通过构建近等基因系、精细定位和图位克隆，结合新一代测序技术，分离甘蓝型油菜中控制千粒重变异的一个主效数量性状位点（QTL） TSWA7a，并对该基因进行基因表达及其调控网络、细胞学和表型效应等全面的功能分析，阐明该QTL对应的等位基因变异导致粒重增加的分子机理,以及大小粒差异形成的发育生物学基础。本研究可为揭示油菜种子大小和发育的遗传机制和分子调控机理提供新知识，为油菜产量性状的分子育种提供有重要价值的新基因资源，并有助于进一步深入了解作物种子进化的分子机制。

作物产量的遗传改良进程取决于对其构成因子遗传基础的认识程度。油菜是我国最重要的油料作物，粒重是油菜单株产量的主要构成因素之一，其大小存在广泛变异。研究种子大小/粒重的遗传控制和分子机理具有重要的科学意义和应用价值。目前仅有一例关于控制油菜千粒重基因克隆的报道（ARF18），对油菜粒重遗传差异的遗传和分子基础仍然不清楚。本项目在前期基因定位的基础上，通过构建近等基因系、精细定位和图位克隆，结合新一代测序技术，分离甘蓝型油菜中控制千粒重变异的一个主效数量性状位点（QTL）TSWA7a，并对该基因进行基因表达及其调控网络、细胞学和表型效应等全面的功能分析，阐明该QTL对应的等位基因变异导致粒重增加的分子机理,以及大小粒差异形成的发育生物学基础。通过利用高世代定位群体（BC5F2，BC7F2）开展二轮的精细定位，将TSWA7a位点锁定在一个135kb的区段内。通过利用该位点NILs 的14个发育时期的子房/角果的转录组数据，以及双亲的重测序数据和区段内目标基因在拟南芥中的同源基因的突变体千粒重表型分析，最终确定了该QTL的目标候选基因（gene11），并在拟南芥和油菜近等基因系中进行了初步的功能分析。通过对该位点NILs的不同发育时期的子房/角果的细胞学分析发现，大粒材料各个时期的胚珠面积均显著大于小粒材料，平均差异为20.39%；大粒材料的胚外子叶细胞平均大小是小粒材料的1.05倍，差异显著，表明两材料胚的差异可能是由细胞变大引起的。大粒材料最外层珠被平均细胞数目是小粒材料的1.25倍，而细胞大小是小粒材料的0.9倍，差异极显著，表明大粒材料珠被的差异主要由最外层珠被细胞数目增多造成的。本研究为揭示油菜种子大小和发育的遗传机制和分子调控机理提供新知识，为油菜产量性状的分子育种提供有重要价值的新基因资源，并有助于进一步深入了解作物种子进化的分子机制。课题实施期间发表SCI论文6篇，中文核心期刊1篇，申请国家发明专利1项，培养博士后2名，博士研究生5名，硕士研究生3名。