高丹草低氢氰酸含量主效QTL PA7-1的精细定位及候选基因的发掘与分析

Sorghum-sudangrass hybrid is the progeny derived from a wide cross between sorghum and sudangrass, which shows strong heterosis, high output, good quality, high tillering ability, strong regeneration, and wide adaptability. It can be planted in North and South China, and used for more than one time, which is an important annual and excellent forage grass for developing livestock. However, some young sorghum-sudangrass hybrids contain high hydrocyanic acid, which is susceptible to cause intoxication of livestock if eating too much. In recent years, to breed new sorghum-sudangrass hybrid varieties with low hydrocyanic acid content, we hybridized loose spike sorghum with red hull sorghum sudanense, and obtained the F1 hybrids and the F2 hybrids. Then, using the F2 hybrids as a mapping population, we constructed a high density molecular linkage genetic map of sorghum-sudangrass hybrid based on AFLP and SSR markers, and located a major QTL PA7-1 for low hydrocyanic acid content, which explained the variation of 36.7%. In this project, we plan to screen QIRs individuals of PA7-1 from F2 segregation population, develop the SSR markers closely linked to PA7-1, make fine mapping for the major QTL PA7-1, explore the candidate genes in the PA7-1 fine mapping region and analyze sequences and expression characters, which will provide the basis for separating and cloning functional genes of low hydrocyanic acid content, illustrating its action mechanism, and accurate molecular breeding.

高粱与苏丹草种间杂交产生的杂种类型称高丹草。其结合了双亲的优良特性，杂种优势很强，产草量高、草质好、再生性和分蘖性强、适应性广，在我国北方和南方均能种植，可多次刈割利用，是发展畜牧业的一年生重要饲草。其不足点是茎叶鲜草含氢氰酸，家畜过量采食会引起中毒。为培育超低氢氰酸含量新品种，我们将散穗高粱与红壳苏丹草相组配杂交，获得杂种F1及其自交F2。进而以杂种F2分离群体为材料，利用SSR、AFLP标记构建了高丹草高密度分子遗传连锁图谱，并在第4连锁群上检测到控制低氢氰酸含量性状的主效QTL PA7-1，遗传贡献率36.7%。本项目拟从F2分离群体中筛选 PA7-1 的QIRs单株构建精细定位群体，开发与PA7-1紧密连锁的SSR标记，精细定位主效QTL PA7-1，发掘PA7-1精细定位区间的候选基因并分析其序列和表达特征，为分离克隆低氢氰酸含量的功能基因、阐明其作用机理及精准分子育种奠定基础。

高丹草（Sorghum-sudangrass hybrid）杂种优势强、营养价值高、适口性好、可多次刈割利用，是重要的一年生饲用作物。但因其幼嫩茎叶中含有一定量的氢氰酸，家畜采食过量易产生中毒现象。因而培育低氢氰酸含量的高丹草是重要育种目标。在课题组前期对高丹草低氢氰酸含量性状相关主效QTL PA7‒1定位研究基础上，采用BSA‒SSR方法和低氢氰酸含量目标性状QTL侧翼的SSR标记，从高丹草群体1200个分离单株中筛选建立了QIRs群体，经套袋自交得到F3分离群体，并从中筛选出130个F3重组株构建了精细定位群体。本试验重点对PA7‒1主效QTL进行了精细定位及其候选基因挖掘和功能分析。主要结果如下：.1. 从1200个F2群体单株中各选10个低氰与高氰植株的DNA等量混合建立了基因池，并以亲本为对照筛选得到SSR适宜引物11对。用这11对引物对F2分离群体1200个单株及其双亲的基因组DNA进行PCR扩增，共得到多态性条带位点253个。.2. 利用这253个多态性标记构建了一个基于高丹草F2群体的连锁群图谱，在此基础上进行QTL定位，检测到4个与低氢氰酸含量性状相关的QTLs。.3. 采用QTL侧翼SSR标记对1200个F2单株进行筛选，建立了PA7‒1的 QIRs群体，各包含379重组株。利用单粒传法分别获得了F2:3群体，基于该群体再次进行QTL定位，验证了PA7‒1的稳定性。.4. 为缩短PA7‒1的精细定位区间，利用高丹草130个F3重组单株的精细定位群体分别进行了精细定位。最终将PA7‒1确定在标记SORBI4G4‒120和SORBI4G4‒680之间，包含8个SSR标记。.5. 对PA7‒1的8个SSR标记片段进行回收、纯化、测序及与已知的高粱基因组比对分析，首次建立了PA7‒1高分辨率的物理图谱，并将PA7‒1确定在高粱第4号染色体的203.6 kb基因组区域内，该区间包含了18个候选基因。.6. 通过RT‒PCR表达水平验证发现，PA7‒1有2个基因XM_021458168.1和XP_021313843.1，这2个基因在低氰的父本红壳苏丹草和F2植株的苗期、分蘖期和拔节期中均有显著表达，表明它们是调控高丹草低氢氰酸含量性状的重要候选基因。.以上重要研究结果，对阐明高丹草低氢氰酸含量遗传机理及低氢氰酸高丹草的分子辅助育种具有重要作用和应用价值。