黄瓜果重QTL精细定位及主效基因克隆

Fruit weight (or size) is complex agronomical trait controlled by QTLs, which is closely related to the crop economic benefits. Dramatic, relatively rapid evolution of fruit weight has accompanied the domestication of virtually all cucubitas crop species due to the high artificial selection pressure during evolutionary process (cucumber from a few grams to several kilograms). Dissection and cloning of gene loci controlling fruit weight based on this system has important theoretical and practical value. In our previous researches, we constructed two advanced backcross populations from interspecific and intraspecific crosses by using significantly different fruit weight lines as parents. Also we got several candidate QTL near-isogenic lines (QTL-NIL). Combined with genome resequencing,the researches for fruit weight QTL of cucumber could be effectively carried out. In this research, the QTLs causing changes in fruit weight during evolutionary process will be investigated based on the two advanced backcross populations. Then the QTL-NILs related to fruit weight will be screened using molecular markers. The F2 population of QTL-NIL will be constructed and used for fine positioning of major QTL. The QTL-NILs with different fruit weight will be re-sequenced, and the genomic information will be used for map-based cloning of fruit weight major genes. Finally qPCR and transgenic technologies will be employed for the the function validation of candidate genes. The expected results can reveal the molecular mechanisms of the fruit weight change in the evolutionary process of the cucubita crop, as well as provide direct access to the selection of target fruit weight gene weight in cucumber breeding.

果实重量是与作物经济效益密切相关的复杂QTL性状，是受到人为选择压力最大的性状之一。瓜类作物以果实为产品器官，从野生到栽培的进化过程中，其果实重量发生了巨大的变化（黄瓜从几克到几千克），利用这个系统研究分析果重基因位点的进化，克隆决定果重的主效基因，具有重要的理论和实践价值。课题组在黄瓜种间杂交基础上，构建了果型差异显著的种间和种内2个高代回交群体，包括多个候选的QTL近等基因系（QTL-NIL），结合基因组重测序，可以有效开展瓜类作物果重基因的解析研究。项目将全面检测和定位从野生种到栽培黄瓜进化过程中引起果重变化的QTL位点；基于QTL-NIL大群体精细定位主效基因；随后结合基因组重测序，图位克隆果重主效基因，并采用qPCR和转基因验证功能。预期结果能够揭示瓜类作物进化过程中果重变化的分子机制，同时为黄瓜育种中果实重量性状调控提供可直接利用的目标基因。

本项目利用黄瓜属野生种酸黄瓜(Cucumis hystrix Chakr.)、半野生变种西双版纳黄瓜(Cucumis sativus L. var. xishuangbannanesis)、华北密刺型黄瓜‘北京截头’和美国加工短果型黄瓜NC76为亲本，构建了多个QTL定位分离群体，利用传统的QTL-mapping方法，以及结合AB-QTL策略和最新的高通量测序SLAF-seq和QTL-seq技术，开展了果实大小相关性状的QTL定位，并利用QTL-NIL群体开展了果实大小QTL精细定位。以86份酸黄瓜染色体片段导入系为研究对象，共找到与瓜长和瓜横径QTL相关的导入片段分别为9个和5个；其中位于1号连锁群上的SSR05723-SSR00713片段与位于4号连锁群上的SSR19565-SSR13021片段，同时与两个性状相关，是控制瓜形的关键位点。以西双版纳黄瓜为亲本的124个重组自交系在四个不同的环境进行QTL定位研究，共检测到10个QTLs，其中5个果实长度的QTL（fl1.1、fl3.1、fl4.1、fl6.1和fl7.1），3个果实横径的QTL（fd1.1，fd4.1和fd6.1）和2个果实重量的QTL（fw4.1和fw6.1）。以黄瓜种内分离群体进行QTL定位研究，共计发现8个与商品瓜和成熟瓜长度相关的一致性QTLs，分布在1、3、4、6号染色体上，结合QTL-seq技术，发现了6个与子房长度相关的QTLs。利用番茄和拟南芥中已经发现的与果实大小相关的基因序列信息，通过BLAST比对分析，发现了黄瓜基因组中87个果实大小同源基因；根据对子房长度、商品瓜长度和成熟瓜长度的QTL定位分析结果，总结得出与黄瓜果实长度相关的主效一致性QTL位点FL3.2；有6个果实大小同源基因分布在FL3.2内，定量分析和基因功能注释推测基因Csa3M812740.1是控制果实长度的候选基因。本项目研究成果解析了控制果实大小的主效QTL位点和候选基因功能特点，是实现目标果形高效分子育种的必要前提，具有重要的育种实践价值；同时将有助于揭示黄瓜果实大小进化的分子生物学机制，为目标果形的分子设计育种奠定了理论基础并提供了可直接利用的标记及目标基因。