胡杨再生能力的QTL定位和转录组测序分析

Populus euphratica Oliv.is distributed mainly in semiarid areas of Northwest China. It is well known as "the hero tree" because of its high tolerance to coldness, drought, salinity and alkalinity as well as its function as a sand stabilizer. However, the propagation of P. euphratica is difficult by cuttings and the traits of offspring are segregating heavily with seed production. Therefore, the imporvement of regeneration and in vitro culture has become crucial for the selection of highly adaptive clones for P. euphratica. The goal of this project is to demonstrate the genetic mechanisms of the regeneration of P. euphratica. The study material is a set of open-pollinated progeny selected from the natural population of P. euphratica in which in vitro shoot regeneration system is established and measured. We will use a joint linkage and linkage disequilibrium analysis, with greater power for QTL mapping than linkage or linkage disequilibrium analysis alone, to map specififc QTLs that control regeneration rate, shoot number, and propagation coefficient and study the pattern of actions and interactions by these QTLs. By measuring gene expression profiles at different stages of regeneration, we will also characterize key genes related to regeneration capacity and reconstruct regulatory networks using these gene profiles. Through this project, we will gain new insight into the genetic and molecular mechanisms of the regeneration of P. euphratica, an extremely important species in environmental protection.

胡杨被称为"英雄树"，是分布在我国西北沙漠地区的耐寒、耐旱、耐盐碱、抗风沙的唯一乔木树种。然而，胡杨扦插繁殖困难，种子繁殖出的实生苗性状分离严重，所以解决胡杨离体培养和再生问题成为胡杨开发与研究的突出问题。本项目即是研究胡杨再生的机理问题。以胡杨自然群体的半同胞家系为研究对象，采用体外诱导不定芽的体系，利用QTL定位和转录组测序相结合的方法，阐述胡杨再生的遗传和分子机制。首先利用母株和子代信息挖掘分别控制胡杨再生率、不定芽数以及增殖系数的QTL，并判断是否存在显性、加性效应，数据采用连锁和连锁不平衡的方法加以分析。然后从再生不同阶段的基因表达变化入手，研究再生不同阶段再生组织的转录组变化规律，找出控制胡杨再生的基因，分析其功能并且构建调控网络，揭示胡杨再生的分子机理。本项目致力于从分子水平揭示胡杨再生的机制，对理论研究和应用都有意义和价值。

中文摘要：胡杨是分布在我国西北沙漠地区的耐寒、耐旱、耐盐碱、抗风沙的唯一乔木树种。然而，胡杨扦插繁殖困难，种子繁殖出的实生苗性状分离严重，所以解决胡杨离体培养和再生问题成为胡杨开发与研究的突出问题。本项目即是研究胡杨再生的机理问题。首先以采自新疆自然群体的胡杨个体为研究对象，取不同胡杨个体的叶片为外植体，做诱导分化的实验，统计胡杨自然群体离体叶片外植体再生不定芽的表型数据（再生芽数量、增殖系数和再生率），筛选出再生能力较强和再生能力较弱的胡杨植株。接着提取已经获得再生表型数据的胡杨DNA，送至测序公司进行SNP分子标记检测。通过检测和筛选，得到SNP标记数为684,263个，分别对再生芽数量、增殖系数和再生率进行了单点方差分析，结果表明胡杨自然群体SNP标记数的-log10 (P)呈均匀分布，其中一部分标记呈现显著水平。得到30天再生芽数量的-log10 (P)大于或等于22的有39个SNP标记，30天增殖系数的-log10 (P)大于或等于17的有6个SNP标记， 30天再生率的-log10 (P)大于或等于18的有39个SNP标记。第三，将第一步筛选出的再生不定芽能力强的代表性系号和再生不定芽能力弱的代表性系号送至测序公司进行转录组测序并进行差异表达分析，结果表明表达量上调倍数较高的基因的功能与吐脱水蛋白、膜内在蛋白、过氧化物酶和Chain A家族蛋白的合成相关；表达量下调倍数较高的基因的功能与病程相关蛋白、植物抗病响应蛋白、过氧化物酶家族蛋白的合成相关。通过KEGG数据库的对比，我们总共富集了3809个差异基因映射到125个不同的生物途径。本项目的研究得到了调控胡杨叶片外植体再生能力的SNP标记和基因，为进一步研究控制胡杨再生的基因功能揭示胡杨再生的分子机理奠定了基础。