马铃薯野生种S. commersonii的抗寒基因精细定位、克隆与功能分析

Potato planting area will increase substantially as the promotion of the potato staple food strategy, which is mainly by utilizing the winter fallow fields in south China, nevertheless, low temperature and frost are two principle factor that restrains the potato industry development in this region. This study constructed a BC1 population based on the cold resistant species S. commersonii which is the most resistant one in potato germplasm, natural frost and electrolyte leakage assay will be used to discriminate the phenotype of the progenies. Constructing extreme pool by mixing the DNA of resistant, acclimating resistant and susceptible progenies, respectively, and subjected to BSA-DNAseq. Analyzing the SNPs among those pools, mapping noacclimating and cold-acclimating resistance QTLs, and then use CAPs markers and other markers based on PCR amplification to confirm the results. Subsequently, fine map and clone the major QTLs responsible for noacclimating or cold-acclimating resistance, verify the function of the candidates by silencing them in resistant parent. The outcome of this study will provide genetic resources and markers assisting for selection, and aid deciphering molecular basis of noacclimation and cold-acclimation freezing tolerance.

随着马铃薯主粮化国家战略推进，马铃薯的种植面积将有较大幅度增长，面积增长的主要来源是南方冬闲田的开发利用，而低温霜冻是限制该地区马铃薯发展的最主要因素。本研究基于马铃薯最抗寒野生种S. commersonii构建了BC1抗寒分离群体，采用田间自然霜冻结合电解质渗漏法可明确区分单株后代的抗性表现。分别选取极端表型的直接抗寒、驯化抗寒和低温敏感植株组成极端池，利用BSA-DNAseq技术，比较分析直接抗寒池和敏感池、驯化抗寒池和敏感池的SNPs差异，定位直接抗寒和驯化抗寒基因的QTLs，利用CAPs标记或其他扩增标记验证初定位的QTLs。在此基础上，精细定位并克隆直接抗寒和驯化抗寒的主效基因，构建抑制表达载体转化抗寒亲本，验证候选基因的功能。研究结果为马铃薯抗寒育种提供基因资源和辅助选择标记，为解析马铃薯直接抗寒和驯化抗寒的分子机理奠定基础。

随着马铃薯主粮化国家战略推进，马铃薯的种植面积将有较大幅度增长，面积增长的主要来源是南方冬闲田的开发利用，而低温霜冻是限制该地区马铃薯发展的最主要因素。马铃薯作为全球第三大主食作物，在解决粮食安全方面发挥着重要作用，然而马铃薯栽培种均不耐低温霜冻，低温冻害严重影响马铃薯生长发育及产量，开展抗寒遗传研究，挖掘和利用马铃薯抗寒基因是提升马铃薯抗寒能力的有效方式。本研究基于马铃薯最抗寒野生种S. commersonii构建了BC1抗寒分离群体，采用田间自然霜冻结合电解质渗漏法可明确区分单株后代的抗性表现。通过四年田间自然霜冻鉴定材料抗寒能力，分别选取极端表型的直接抗寒、驯化抗寒和低温敏感植株组成极端池，利用BSA-DNAseq技术和传统QTL定位的方式，将马铃薯抗寒相关的QTL位点分别定位到Chr02和Chr11号染色体上的2个不同位点。在此基础上，对Chr02的QTL位点进行了精细定位，共开发了34对SSR多态性标记和28个Indel多态性标记，结合4年田间环境下表型数据在Chr02上定位到2个主效QTL位点。QTL1位于标记SSR31-5和SSR33-10之间，物理距离889 Kb（30554431-31443801），3个环境下QTL位点表型平均贡献率分别为11.3%，7.1%和16.6%。QTL2位于标记SSR41-12和SSR42-30之间，物理距离为1.27 Mb（39317920-40589039），表型贡献率为21.4%。对QTL1和QTL2定位区段内与抗寒性状相关的转录因子和关键基因进行冷诱导表达分析，发现有4个候选基因可能参与马铃薯抗寒调控。建立了抗寒亲本S. commersonii的遗传转化体系，候选基因的编辑植株表型尚待进一步鉴定。本研究结果为马铃薯抗寒育种提供基因资源和辅助选择标记，为马铃薯抗寒基因定位与克隆、抗寒机理解析及抗寒性状遗传改良奠定了基础。