基于茎秆解剖学性状GWAS分析的大豆倒伏相关基因的克隆与功能解析

Lodging not only influences yield and quality but also increases the difficulty of field production management and harvesting. Serious lodging may result much more loss of production during harvesting, especially harvesting by combine. So mapping or cloning of lodging related genes and using them in lodging resistant breeding program is very important. After correlation analyzing between stem bending-resistant and anatomical characters, stem bark width, xylem width and stem cross-sectional area were chose for GWAS analyzing. Three candidate genes related to three stem cross-sectional area QTLs have selected by preliminary GWAS analyzing. Several genes will be gained from GWAS of stem bark width and xylem width. Finally, one or two valuable lodging related genes will be confirmed after transgenic testing. In this proposed study, by using the approaches of cell biology, biochemistry and bioinformatics, we would propose to elucidate the biological function of these lodging related genes and reveal the regulation of molecular mechanism for stem development, also propose to identify elite alleles and development function markers for soybean lodging resistance breeding by MAS. This study provide great theoretical significance for understanding the molecular mechanism of lodging resistance and also practical significance for breeding excellent varieties with high yield, good quality and strong lodging resistance.

倒伏不仅会直接影响大豆的产量和品质，还会加大管理和收获难度，同时还会造成收获过程中更多的产量损失（特别是机械化收获），因此挖掘大豆倒伏相关基因对大豆品种改良具有重要意义。申请人所在课题组前期基于茎秆解剖学性状与倒伏的相关性分析，发现皮宽、木质部宽度和茎秆横切面积等三个性状与大豆倒伏（极）显著相关。通过GWAS分析，进一步发现3个可能与茎秆横切面积相关联的位点，并确定了各自的候选基因。本研究将在此基础上，继续鉴定与皮宽和木质部宽度相关联的位点，预测其候选基因并完成其候选基因的转基因确认。在此基础上，将结合细胞学、分子生物学及生物信息学等分析，阐明倒伏基因的生物学功能，揭示其调控大豆茎秆发育的分子机理，鉴定该基因位点的优良等位基因并开发功能标记应用于大豆的抗倒性改良。本研究对大豆倒伏性状的遗传解析与抗倒高产优质品种的选育具有较好的理论与实践指导意义。

倒伏严重影响大豆的产量和品质，且不利于田间管理与机械化收获，倒伏也是一个受多基因控制的极其复杂的农艺性状，传统的以茎秆抗折力或田间倒伏指数为表型开展的大豆抗倒伏的遗传分析与基因克隆进展并不多。本项目以便于准确定量考察的大豆茎秆皮宽、木质部宽度、茎秆横切面积、髓面积等解剖学表型性状为媒介，通过分别与茎秆抗折力和田间倒伏指数的相关性分析，确定了茎秆面积与传统的倒伏指标茎秆弯折力最相关，而髓面积与田间倒伏指数最相关。利用500份大豆核心种质群体在湖北省武汉市和河北省石家庄市2016-2018年种植并取样收集的三年两点解剖学表型，结合该群体全基因组400多万个SNP标记基因型的全基因组关联分析（GWAS），在6 号，10 号，11 号以及19 号染色体上关联到4个茎秆面积的主效QTL位点，在7号染色体关联到1个髓面积主效QTL位点。进一步结合单倍型分析、表达分析、基因序列及模式植物同源基因功能注释分析确定了其中三个主效关联位点的候选基因。Gm10.SAmL.1A为茎秆面积Gm10.SAmL.1位点候选基因，进一步的大豆稳定超量表达和CRISPR转基因确定了该基因的功能，Gm10.SAmL.1A在核心种质群体中存在两种单倍型HTL 和HTQ，优良单倍型HTL的比率随品种改良显著提高。Gm19.SAmL.2A为茎秆面积Gm19.SAmL.2位点的候选基因，进一步的大豆CRISPR转基因确定了该基因的功能，Gm19.SAmL.2A在核心种质群体中存在两种主要单倍型HTCG 和HTAA，优良单倍型HTCG 在改良品种中的比率是农家品种的4倍。Gm07.PA.1为7号染色体髓面积主效QTL位点的候选基因，该基因在核心种质群体中存在两种单倍型HTF和HTS。针对已克隆的三个基因均开发了分子标记，通过对育种材料的分析确认了其可用性，并针对一个易倒伏品系提出了改良的可行性。本项目确定的倒伏相关解剖学性状为研究作物抗倒伏提供了新思路，关联的多个倒伏相关位点和克隆的三个倒伏相关基因为进一步解析大豆倒伏性状的调控网络和分子机理奠定了很好的基础，也为改良大豆品种的抗倒性提供了理论指导。