基于全基因组和候选基因关联分析发掘芝麻枯萎病抗性基因及其功能验证

Sesame Fusarium wilt was a common and hardly controlled fungus disease all over the world, which could cause economic losses seriously on sesame. Due to the complex network system between the resistant traits and genes involved in disease resistance, it is difficult to discovery the resistance genes. Fortunately, the development of association analysis method based on linkage disequilibrium (LD) and application of vast molecular markers in sesame genetic analysis, offer a new tool for the association analysis between specific loci and this trait. In this study, it is the first time to study the resistance of sesame Fusarium Wilt by genome-wide and candidate gene association analysis. A systematic resistant identification would be performed in 250 sesame germplasm resources. Then the genome-wide scan, genetic diversity, population structure and the LD analysis of 250 sesame germplasm resources would be assessed by a mass of genic-SSR markers from a fine sesame genetic mapping and 18 candidate resistant gene SNP markers from transcriptome analysis. Finally, the Fusarium wilt resistant association analysis and qRT-PCR methods would be chosen to verify the candidate resistant gene. Based on the above research, we will not only get the resistant gene recourses for sesame resistant breeding using molecular methods, but also accelerate the fundamental research progress on sesame.

芝麻枯萎病是一种分布广、防治困难的世界性真菌病害，严重威胁和阻碍着芝麻的生产与发展。由于抗病过程较为复杂且往往涉及复杂的网络系统，这给抗性基因的挖掘带来困难。以连锁不平衡为基础的关联分析方法的完善以及大量芝麻分子标记的成功开发，为芝麻枯萎病抗性与基因的关联分析研究提供了前提条件。本项目拟首次用全基因和候选基因关联分析法研究芝麻枯萎病抗性：拟构建250份用于关联分析的自然群体，并对其进行枯萎病抗性鉴定。利用基于高密度芝麻遗传图谱上的大量genic-SSR标记以及转录组分析获得的18个抗性候选基因SNP标记，对该群体进行全基因组扫描和群体结构分析；随后利用关联分析方法对表型性状和分子数据进行关联，获得与抗病相关的优异等位基因，并在表达水平方面对其进行进一步的功能验证。该究将为抢占芝麻抗性基因资源、提升芝麻基础研究水平和利用分子手段培育高抗芝麻新品种奠定基础。

芝麻枯萎病是一种分布广、防治困难的世界性真菌病害，严重威胁和阻碍着芝麻的生产与发展。本项目利用三种分子标记对国内外250份芝麻材料开展了遗传多样性、群体结构以及枯萎病抗性关联分析研究。330对多态性性分子标记（80对SSR标记、205对SNP标记和45对InDel标记）共检测到736个等位位点，平均多态信息含量（PIC）为0.289，其中SSR标记平均PIC值最高（0.349）；SNP的PIC值最低（0.262）。聚类分析将供试芝麻材料划分为三大亚群：第一亚群包含国内的绝大部分(80/82)育成芝麻品种以及大部分（121/144）的地方资源；第二亚群包含国内的部分地方资源；国外的大部分(16/24)芝麻材料被划分为第三亚群。进一步分析显示：我国育成的芝麻品种与国外的芝麻资源遗传距离最远（0.202）；我国育成的芝麻品种与地方收集的芝麻资源遗传距离最近（0.034）。群体结构分析显示供试芝麻材料由3个亚群组成，该结果与聚类分析以及主坐标分析结果一致。另外，供试材料中绝大多数(>90.5%)材料亲缘关系较远(亲缘关系值<0.15)，且存在一定程度的连锁不平衡(LD)：成对位点组合的D'平均值为0.294，其统计概率（P＜0.01）支持的 LD 成对位点(14704)占总位点组合(54285)的27.09%。芝麻枯萎病抗性关联分析共检测到32个标记与供试群体至少两个环境的枯萎病病情指数（DI）显著关联，表型解释率为2.91-16.24%；对上述标记所在的基因进行分析，发现过氧化物酶（peroxidase PODn1）和糖基转移酶（glycosyltransferase，GT）基因标记均参与木质素合成途径，并可能通过调节次生代谢产物增强芝麻抗性。对参与木质素合成过程的6个关键基因的表达模式分析发现：抗性芝麻材料在响应病菌侵染的应急反应速度和基因表达强度方面均优于感病材料。为此，推测芝麻材料枯萎病抗性的不同可能与其能否及时、高效的激活相关防御调控网络有关。本研究发掘的32个枯萎病抗性标记，确定的6个枯萎病抗病相关基因，以及筛选出的高抗枯萎病芝麻种质，将为后续芝麻抗病分子标记的开发以及分子标记辅助育种提供依据。研究共获得国家技术发明二等奖1项，发表论文4篇，授权国家发明专利3项，培养研究生1名。