黄瓜果把长度关键基因的定位、克隆与功能分析

Fruit stalk length is one of important commodity traits in cucumber, but there is no report about fine mapping, cloning and mechanism analysis of fruit stalk length gene in cucumber. We built a high-density SNP genetic map of cucumber, and performed QTL analysis of the fruit stalk length. In this study, we plan to map and isolate the major gene of this trait, verified with cucumber transformation for complementation test, through map-based cloning the chromosome segment substitution lines (CSSL) and back-crossing populations for targeted locus, which will be constructed from back-crossing with marker-assisted selection. With the CSSLs, the gene expression and transcriptome analysis will be performed to uncover the molecular mechanism for the formation and development of fruit stalk in cucumber. Additionally, for the fruit stalk trait, easy-testing markers would be developed for molecular breeding. This study should be useful for cucumber genetics and breeding.

黄瓜（Cucumis sativus L.）是重要的蔬菜作物之一，与大众生活密切相关，具有很高的经济价值。黄瓜的果把长度是其重要的品质性状之一，目前国内外均未有黄瓜果把长度控制基因的精细定位、克隆及分子机制研究的报道。我们利用黄瓜高密度SNP遗传图谱，对黄瓜果把长度性状进行了QTL定位。在此基础上，本项目将通过多代回交，结合分子标记辅助选择，建立目标区域的染色体片段代换系（CSSL）及其回交分离群体，对黄瓜果把长度主效基因进行精细定位，通过图位克隆技术分离获得该基因，并进行黄瓜遗传转化互补验证。利用构建的CSSL，进行目标基因的表达模式分析，以及转录组测序分析，探索黄瓜果把形成和发育的分子调控机制。同时，通过连锁标记开发，实现果把性状的分子标记辅助育种，有效促进育种进程。本项目对黄瓜的遗传与育种研究有重要的理论与实践意义。

由于黄瓜果把苦味和涩味较重，口感较差，因此短果把或者无果把品种越来越受消费者的喜爱。分离和鉴定控制黄瓜果把长度的基因，对培育短果把黄瓜品种具有重要意义。本研究以短果把品种S1000和长果把品种S1002为亲本杂交获得F1以及F2分离群体，通过SLAF-seq(Specific-Locus Amplified Fragment Sequencing)的方法，对两个亲本和153个F2单株进行高通量测序，构建了高密度的黄瓜SNP遗传连锁图。该连锁图包含3,057个SLAF标记，4475个SNP标记，总长度为1,061.9cM，标记间平均图距为0.35cM。将这153个F2单株自交获得的153个F2:3家系分别于三季种植并调查果把长度。利用所构建的遗传连锁图和三个季节果把长度的数据，共定位到与果把长度相关的QTL6个，分别分布于3、4、5、6、7号染色体上。同时，通过BSA(Bulk segregation analysis)的方法在四号染色体(Chr4)上也检测到一个相同的主效QTL，将其命名为fsl4.1。通过构建fsl4.1位点的染色体片段代换系和高世代分离群体，对果把长度基因进行精细定位。最终将该基因定位在Chr4上分子标记SSR13021和SSR01839之间，该区间的物理距离为390kb，共有29个基因。通过对亲本重测序数据分析发现，有四个基因在两亲本间存在Indel或非同义SNP突变。对两亲本果实不同发育时期的果把石蜡切片分析发现，果实发育过程中细胞长度的迅速伸长和细胞体积的迅速增大可能是造成亲本果把长度明显差异的主要原因之一。对两亲本的果把进行转录组分析发现，有37个差异表达基因与生长素、细胞分裂素、赤霉素、脱落酸等代谢过程有关，其中与生长素有关的差异表达基因有12个。在目标区间内，Csa4G337340参与生长素运输。转录组数据表明该基因在短果把亲本中上调表达，该基因的突变会抑制生长素运输，进而影响果把长度。推测该基因是fsl4.1的候选基因，但是仍需进一步验证。另外，通过WD1和WD2杂交的F2群体定位到一个果把形状基因fsl2。fsl4.1和fsl2的定位为进一步克隆果把长度基因以及培育短果把或者无果把黄瓜品种奠定了良好的遗传学基础。