基于高分辨率叶绿体基因和单拷贝核基因标记的栽培百合品种溯源

Lily is not only an important cut-flower, pot plant and garden herb, but also used as a resource of food and medicine. Although China is the main distribution center of lily species, the breeding work started recently, and seriously delayed with great blindness and randomness. Besides, the bulbs are dependent on imports. The delayed lily breeding has seriously restricted the development of lily industry. Therefore, how to create new lily germplasm based on the use of resources and the introduction of cultivars from abroad is a realistic problem which must be resolved. And the origin of lily cultivars is an important basic wok in lily breeding. Based on the resources advantage, for the condition of the seriously delayed lily breeding, we develop high resolution chloroplast and single-copy nuclear gene markers based on comparative genetics and bio-information, and build reliable phylogenetic relationships on the basis of adequate and reasonable sampling for the origin of lily cultivars. On the one hand, parental selection according to reliable phylogenetic relationships and breeding objective, can greatly reduce the blindness and randomness of lily breeding, which thereby could improve the breeding efficiency and processes; On the other hand, how to develop and utilize wild resources reasonably and effectively on the basis of evaluation, which is an important goal of lily breeding. Hence, we explore the origin of lily cultivars and carry out the analysis of formation and evolution of species to provide reference for the sustainable use and conservation of wild resources.

百合不仅是一种重要的切花、盆栽和园林花卉，还广泛用于食用和药用。我国虽然是百合属植物的分布中心，但是百合育种起步较晚，且严重滞后，带有较大的盲目性和随机性，种球都是依赖进口，这已严重制约我国百合产业的发展。如何利用我国的资源优势和在引进基础上进行百合新种质创制是必须要解决的现实问题，而栽培百合品种的亲本溯源是百合育种首先要展开的一个基础性工作。本研究针对我国百合育种的严重滞后现状，立足我国资源优势，基于开发的高分辨率叶绿体基因和单拷贝核基因标记，在充分合理取样基础上构建可靠的系统发育关系，开展栽培百合品种的亲本溯源(以目前主栽的东方百合和亚洲百合系列为例)。一方面依据构建的可靠的亲缘关系和育种目标选配亲本，可大大降低育种的盲目性和随机性，从而提高育种效率和进程；另一方面，如何在评价基础上合理有效的开发利用野生资源是百合育种的重要目标，通过探究品种的亲本溯源，解析品种的形成和演化过程，为野生资源的可持续利用和保护提供指导和参考。

本项目针对我国百合育种的严重滞后现状，在叶绿体基因组测序基础上开发具有高分辨率的叶绿体基因标记，结合筛选单拷贝核基因，构建清晰的系统发育关系，开展栽培品种的亲本溯源研究，从而减少育种的盲目性，提高亲本选配效率。本研究在资源收集基础上，基于16个百合种的比较叶绿体基因组学研究，发现共编码113个不同的基因，包括79个蛋白编码基因、30个 tRNA 和4个 rRNA，基因内容和基因顺序完全一致，进一步完善了百合属叶绿体基因组的遗传信息，共鉴定出1043个 SSR 位点；通过核苷酸多态性，揭示百合属叶绿体基因组序列在不同区域以及不同物种中各不相同的进化速率；另外，基于基因片段分化程度，鉴定出 trnS-trnG，trnE-trnT-psbD，trnF-ndhJ，psbE-petL，trnP-psaJ-rpl33，psbB-psbH，petD-rpoA，ndhF-rpl32-trnL，ycf1a 和 ycf1b 共十个高变区域可用于百合属叶绿体基因组分子标记的开发；通过文献报道和实验验证，筛选了PHYA，PHYC，LACO1、TCP四个单拷贝核基因；此外，我们分别应用ITS和叶绿体基因序列，构建清晰的百合种/品种的系统发育发育关系，探讨哪些野生种目前参与了栽培品种的繁育，哪些野生种目前没有参与，可以进一步开发和研究，同时在母系亲缘关系上讨论野生种与不同系列栽培品种之间、野生种之间以及不同系列栽培品种之间的关系，为百合属植物构建亲缘关系图谱提供可靠的参考依据。本研究一方面提高了育种效率和进程，为百合育种工作者在栽培和育种中选配亲本、品种和杂种鉴定提供参考和指导，减少育种的盲目性和随机性；另一方面为野生资源的可持续利用和保护提供参考。