甘蔗双侧芽创新种质的遗传特征和相关基因的转录组测序分析

Sugarcane is asexual reproduction crop using cane axillary buds as seeds for propagation. The amount of buds is important base for ensuring to obtain high and stable yields, but also causes large dosage of cane seeds and high costs in planting. It is hard to break through the problem in sugarcane production. The sugarcane innovated germplasm with Dual-axillary buds at a cane-node, were generated from the crosses combination between wild species with cultivars. It brings a new way for possible to reduce the cane-seeds while in a same amount of buds. This Dual-axillary buds Sugarcane presents genetic stability valuable to be explored as soon as possible. In this study, we intend to research on analyzing the genetic characteristics of Dual-axillary buds Sugarcane by RNA-Seq, to detect the differentially expressed genes between Single/Dual axillary buds; the genes will be verified by QRT-PCR. Meanwhile, combining with the investigation of field performance and chromosome identification by GISH, the genetic characteristics of Dual-axillary buds Sugarcane and its relevant genes will be illustrate to provide the scientific data supporting and foundation for breeding in future. It is of great significance for creating a new potential economy growth point in sugar industry.

甘蔗是以侧芽为种苗进行无性繁殖的作物。充足的下芽量是保障高产稳产的基础，但也造成用种量大、生产成本高，是产业上一直难以突破的问题。甘蔗双侧芽创新种质，为解决这一困境带来了新的思路，可保证下芽量而减少用种量，是难得的优异新资源，迫切需要尽快开发利用以培育新品种。但目前对双侧芽的形成机理、遗传特征不清楚，无法为育种提供相应的理论支持和科学依据。本项目拟利用双侧芽创新种质的表型和农艺性状田间调查数据，分析双侧芽性状在无性繁殖后其性状遗传和产量的变化情况，并利用基因组原位杂交（GISH）技术鉴定其染色体组分和传递行为，为双侧芽材料的后代筛选和杂交利用提供指导。同时，利用转录组测序分析技术，筛选双侧芽的相关基因并通过定量PCR进行验证，为下一步分离克隆相关基因及开发利用奠定基础，进而为培育双侧芽新品种、解决甘蔗生产高成本的问题拓展新的途径。预期成果具有可预见的科学意义和应用前景。

甘蔗以蔗茎及节上的侧芽为“种茎”进行无性繁殖，种茎用量大、生产成本高，是产业上难以突破的问题。甘蔗双侧芽创新种质，具有“一节双芽”的特性，在与单侧芽种茎同等下芽量时可减少种茎用量，为降低生产成本带来了新的思路，是值得开发利用的优异特性。但其遗传特征、对产量是否有影响、形成机理等不清楚。本项目以双侧芽创新种质云蔗07-86为研究材料，开展了田间表型鉴定、基因组原位杂交染色体鉴定及转录组测序相关基因分析。研究表明：（1）经过无性繁殖，在新植蔗群体中100%的单株均含双侧芽，双侧芽数占群体总芽数的39.71%；在宿根蔗群体中有97%的单株含双侧芽，双侧芽数占总芽数的24.80%。说明通过无性繁殖，双侧芽能稳定遗传；（2）以相同下芽量的单、双侧芽种茎分别播种，二者有效茎数、蔗茎产量均未达到显著水平，说明双侧芽对产量无显著影响，而种茎用量可减少一半；（3）利用云蔗07-86与甘蔗品种进行杂交，32个组合获得18个双侧芽材料，表明双侧芽特性通过杂交可遗传至后代；（4）细胞学鉴定和GISH分析表明，云蔗07-86染色体为2n=114，祖亲热带种与大茎野生种染色体以n+n、n+2n及n+n的方式传递，双侧芽材料组分中含大茎野生种血缘；（5）转录组测序分析表明，KEGG代谢通路差异表达基因中，类胡萝卜素途径富集程度最高，植物激素IAA、ABA和独脚金内酯生物合成及信号转导途径中的基因表达较活跃，F-box蛋白类、SCF蛋白复合体及α/β-折叠水解酶均下调表达，9-顺式-环氧类胡萝卜素加双氧酶蛋白上调表达，P450基因家族上下调表达均有。推测双侧芽特性可能与独脚金内酯激素生物合成与信号转导途径相关因子及植物分枝相关基因或转录因子显著表达有关。综合研究结果，项目研究阐明了双侧芽的优异特性和遗传特征，基本明确了相关基因，为其开发利用、育种研究及应用前景提供了理论支持和科学依据，对培育双侧芽新品种、解决甘蔗生产高成本问题拓展新的途径具有重要意义。