基于重测序的全基因组关联分析发掘油菜种子耐热等位基因

Along with the rise of global temperatures and the frequent appearance of extreme high temperatures, it is becoming more and more important for heat tolerance breeding in crops. Temperature is one of the main factors affecting seed aging, and high temperature decreases seed vigor and germination rate, influences seed germination and seedling normal growth, ultimately reduces the yield and quality of seed. At present, the studies of heat tolerance are mainly focused on the seedling, flowering and mature stage of the plant. In our previous study, we constructed the genotype data library by the SNP chip and whole genome resequencing analysis of 400 accessions of Brassica napus. In this project, we are planning to identify the seed vigor of 400 accessions of Brassica napus after high temperature and ultra-temperature stress and to construct the phenotype data library of seed heat tolerance. Molecular markers responsible for seed heat tolerance are expected to be obtained by genome-wide association analysis utilizing the results of genotype data library. In the next step, integration of bioinformatics analysis and knowledge of heat tolerance will be adopted to identify candidate genes and to uncover the mechanism of seed heat tolerance in rapeseed. The research results of this project are expected to provide theoretical guidance for studying the mechanism and molecular breeding of seed heat tolerance.

随着全球气候逐渐变暖以及极端高温持续频繁出现，作物抗高温育种工作显得越来越重要。温度是影响种子衰老的主要因素之一，高温导致种子活力和萌发率降低，影响种子的正常发芽、成苗以及幼苗的正常生长，最终影响种子的产量和品质。目前，耐热性相关的研究工作主要集中在植物的苗期、花期和成熟期等各个生长阶段，对种子耐热性的研究较少。本项目前期对遗传背景丰富的400份甘蓝型油菜进行了SNP芯片和全基因组重测序分析，建立了SNP数据库。本项目拟在前期SNP分析的基础上，对400份甘蓝型油菜种子在高温和超高温下的种子活力进行鉴定，构建种子耐热性的表型数据库。然后通过全基因组关联分析，获得种子耐热性的分子标记，再通过生物信息学分析，并结合植物耐热性的研究基础，推测候选基因，解析油菜种子耐热性分子机制，为种子耐热机理的研究和分子育种提供理论指导。

高温影响油菜种子的贮藏和萌发，导致种子活力下降甚至丧失。提高种子耐热性对保持种子完整性以及提高种子质量具有重要意义，直接影响着农业生产。但油菜种子耐热性研究报道较少，耐热品种的培育也比较欠缺。在本研究中，建立了油菜种子耐热性的鉴定方法，通过鉴定发现甘蓝型油菜种子耐热性存在丰富的遗传变异，并从生态类型、地理分布和育成年代阐明了甘蓝型油菜种子耐热性的变异规律,筛选到极端耐热的优异种质。对种子耐热性指标与农艺和品质性状进行了相关性分析，热胁迫后种子的发芽率和发芽指数均与千粒重、单株产量、全株干重、小区产量和含油量呈极显著正相关。对热胁迫后的种子进行了生理生化分析，发现SOD、POD和CAT的酶活性在40℃处理后均显著提高，有助于种子提高耐热能力，保持活力不变。为了进一步解析种子耐热性的分子机制，本研究还开展了全基因组关联分析，挖掘到种子耐热性关联的候选基因39个。对极端耐热材料进行了转录组分析，发现种子热胁迫后的差异表达基因主要参与翻译后修饰、蛋白质折叠、分子伴侣和碳水化合物的运输和代谢，其中转录因子和小分子热激蛋白（sHSP）等基因在种子响应热胁迫反应中起着重要作用。通过蛋白组分析发现，一些与糖酵解、丙酮酸代谢、磷酸戊糖途径、核糖体以及应激和防御有关的蛋白质在增强油菜种子耐热性中发挥关键作用。对挖掘的种子耐热候选基因-BnGLYI在酵母细胞中进行了验证，该基因的过量表达可以增加酵母的耐热性，后续还将进一步验证其功能。本研究为油菜种子耐热性的分子机制研究和耐热性分子育种提供理论基础和参考依据。