西瓜果皮条纹基因的精细定位与克隆

Rind stripe pattern is an important agronomic characteristic, which can improve the commodity of watermelon (Citrullus lanatus L.). However, the research of key genes related with rind stripe pattern in watermelon is still relatively weak. Previously, using the inbred line W006 with dark green and medium stripes and C118 without stripes as parents, a single dominant gene associated with watermelon rind stripe pattern has been successfully mapped into a 1.48 Mb interval on chromosome 6. In this study, we are going to develop a series of markers in the primary mapping region, basing on SNPs identified from the genome re-sequencing data of two parents. Then, these markers will be used to screen a larger segregating population to fine map the stripe pattern related gene. Meanwhile, the molecular marker assisted selection system for watermelon rind stripe pattern will be constructed and verified using 330 watermelon germplasm resources with different stripe patterns. Bioinformatic and molecular approaches will be applied to identify candidate gene and to verify its function. The results of this project will provide gene resource and theoretical basis for elucidating the molecular mechanism of the formation of rind stripe pattern in watermelon. Furthermore, the molecular marker assisted selection system for watermelon rind stripe pattern will be helpful for the improvement of watermelon varieties, which has important scientific significance and application prospect.

果皮条纹是西瓜重要的外观性状，对提高其商品性具有重要作用，目前对西瓜果皮条纹调控基因的研究仍比较薄弱。本项目前期以果皮覆有深绿色、中宽条纹的种质W006和无条纹种质C118为亲本构建分离群体，通过BSR-seq技术，成功将控制西瓜果皮条纹的单显性基因初定位到6号染色体1.48Mb区域范围内。在此基础上，本项目拟对双亲本进行基因组重测序，鉴定SNPs并开发高密度分子标记扫描扩大的F2分离群体，完成基因的精细定位，同时利用330份不同果皮条纹性状的种质资源，建立西瓜条纹性状的分子标记辅助选择技术体系；最后，通过基因功能预测等方法确定候选基因，利用烟草瞬时表达系统、RT-PCR等技术分析其生物学功能。本项目的开展，一方面将为从分子水平阐明西瓜果皮条纹形成的复杂机理提供基因资源和理论依据，另一方面建立的果皮条纹分子标记辅助技术，可为西瓜品种的定向改良奠定基础，具有重要的科学意义和生产应用价值。

西瓜是葫芦科重要的经济作物，在世界范围广泛栽培。果皮条纹是西瓜外观品质之一，可影响消费者在市场中的购买选择。西瓜果皮条纹样式丰富，依据不同的标准可划分为不同类型，如：根据条纹的有无可划分成有条纹型和无条纹型；根据其宽度可分为细条纹、中等条纹和宽条纹等。项目主要研究内容是定位西瓜果皮条纹基因ClSP，并确定候选基因，进一步完成其表达、进化等功能初分析；同时，建立西瓜果皮条纹分子标记辅助育种体系。本研究为定位西瓜果皮条纹基因，构建了两个分离群体，遗传分析表明西瓜果皮条纹是由单显性基因ClSP调控。通过开发分子标记扫描群体，最终将基因ClSP定位到6号染色体611.78 Kb，该区间具有明显的重组抑制现象。根据多态性分析，该区间可被划分成至少4个单倍域，包含81个注释基因，其中7个为转录因子（命名为候选基因No1-7）。同时，黄瓜间断性条纹基因ist的直系同源基因也在该区间，命名为候选基因No8。根据RNA-seq数据，我们发现候选基因No1-No5的基因结构与参考基因组注释不同，因此重新注释了其基因结构。例如，原本被注释为独立基因的No2和No3是来自一个完整的转录本No2_3，同样基因No4和No5也来自完整转录本No4_5。进一步序列分析表明，候选基因No4_5编码序列的第三个SNP可造成该基因在非条纹植株中氨基酸翻译的提前终止。另外，表达分析表明只有基因No4_5的表达量在条纹果皮和非条纹果皮中存在差异。进化分析表明，该基因与拟南芥KNAT6为直系同源基因。通过转录组分析，在条纹果皮和非条纹果皮中共鉴定到356个差异基因（DEGs）。进一步，富集分析发现参与到光合作用和叶绿体发育的基因在非条纹果皮中均显著下调，而参与到钙信号的基因则均上调。基因注释表明38差异基因是转录因子，属于ERFs、WRKY等家族，其中大部分在非条纹果皮中显著上调。本研究不仅为后续西瓜果皮条纹基因的克隆提供候选基因，同时为果皮条纹形成的机理研究提供了参考。另外，建立的分子标记辅助育种体系，可加快西瓜果皮性状育种进程。