瓠瓜互补致苦基因的遗传定位及其比较基因组学分析

Bottle gourd is one of the important cucurbitaceous vegetable crops in south China. Fruit bitterness affects industry development seriously. Bitterness in bottle gourd fruit is caused by the presence of cucurbitacins and genetically controlled by two complementary genes with independent inheritance. In this study, short insertion/deletion length polymorphisms (InDels) in bottle gourd will be identified by comparing RAD-Seq data from two accessions, i.e. ‘Hangzhou Gourd’ and ‘Little Gourd’ to develop new markers. The length variation, genome distribution and polymorphism rate of the InDels will be investigated. A special BSA method will be used to map the complementary genes causing bitterness in two different F2 populations of ‘Nanxiu x Ningbo Gourd’ and ‘Hangzhou Gourd x Puxian Gourd’, respectively, with InDel and SSR markers. By mapping the linked markers further onto the SNP-based reference genetic map of bottle gourd, the relationship of the two pairs of complementary genes in the two F2 populations will be elucidated. Furthermore，comparative genomics analysis of the gene-residing regions between bottle gourd and its relatives i.e. cucumber and melon based on the established cross-species synteny will provide us with deeper insights into the conservation/diversification of bitterness genes. This study that employs a special BSA method to map complementary genes will add to the number of cases mapping interactive genes. The results gained will facilitate map-based cloning of the bitterness genes and the molecular breeding against bottle gourd fruit bitterness.

瓠瓜是我国南方重要的瓜类蔬菜，生产上果实变苦时有发生，严重影响了产业发展。研究表明瓠瓜苦味由果实中的葫芦素造成，受一对互补基因控制。本研究首先利用已有的‘杭州长瓜’和‘小葫芦’RAD-Seq序列发掘插入/缺失位点(InDel)并开发标记，分析瓠瓜InDel标记的特点。然后针对互补基因遗传的特点(9:7分离)，采用特殊混池的集团分离分析(BSA)方法，利用InDel标记及已有的SSR标记定位‘南秀x宁波夜开花’和‘杭州长瓜x蒲县瓠瓜’两个F2群体中各自控制苦味的互补基因。进一步将苦味连锁标记整合到已构建的瓠瓜参考SNPs遗传图谱上，确定两群体中互补基因的异同。同时借助比较基因组学方法分析瓠瓜、黄瓜、甜瓜苦味相关基因之间的位置关系。本研究采用特殊混池的BSA法定位互补基因，将为互作基因的定位提供新的范例，预期结果将促进瓠瓜苦味基因的克隆及防苦味育种。

瓠瓜是我国南方重要的瓜类蔬菜，生产上果实变苦时有发生，严重影响了产业发展。研究表明瓠瓜苦味由果实中的葫芦素造成，受一对互补基因控制。为了定位控制瓠瓜苦味的基因，本项目首先利用已有的“杭州长瓜”和“小葫芦”RAD-Seq序列，从中鉴定出892个插入/缺失位点(InDel)，这些InDel的长度变异从1bp到167bp不等，其中单核苷酸InDel所占的比例最多。通过对162对InDel标记的实验验证，发现这批InDel的成功率为69.1%。项目组根据“杭州长瓜”x“蒲县瓠瓜”F2群体后代的果实苦味表型，构建了苦味纯合池，使用本项目开发的InDel及后续开发的SNP标记进行特殊BSA筛选，鉴定出11个InDel标记和2个SNP标记可能与苦味基因连锁。项目组进一步利用QTL扫描的方法，同时在一个“杭州长瓜”x“蒲县瓠瓜”的F2群体和F2：3群体中定位出2个控制苦味的QTL（QBt.1和QBt.2）。QBt.1位于第2连锁群的BGReSe_09031-BGReSe_09068之间，遗传距离为17.62 cM，对应第6染色体上5541222 bp到7333375 bp之间的基因组区段，含111个候选基因。QBt.2位于第9连锁群的BGReSe_11107-BGReSe_11032之间，遗传距离为8.44 cM，对应第7染色体上11497318 bp 到12737297 bp之间的基因组区段，含61个候选基因。利用比较基因组学分析发现，瓠瓜基因组上存在与黄瓜、西瓜、甜瓜苦味基因高度同源的基因，但这些同源基因并不在QBt.1和QBt.2对应的基因组区段内，说明瓠瓜苦味的形成过程有异于黄瓜、西瓜、甜瓜的苦味形成。本研究为瓠瓜苦味基因的图位克隆、防苦味分子育种奠定了坚实的基础，所开发的InDel标记为瓠瓜遗传和育种研究提供了丰富的遗传资源。