番茄风味相关主效QTL——ssc11.1的精细定位及候选基因功能分析

Tomato is one of the most widely cultured vegetables in China. Flavor quality is an important goal of tomato breeding, soluble sugar is the key material basis for forming the taste of tomato flavor. However, the molecular mechanism of hexose accumulation in tomato fruit is not complete yet. In our previous work, genome-wide association analysis was employed to locate the major QTL ssc11.1 which controls the accumulation of soluble solid content (SSC) and hexoses in tomato fruit. Based on genotype and phenotype data, the F2 segregation population was constructed, traditional QTL mapping assisted with bioinformatics analysis was employed to preliminarily study the major gene of ssc11.1 locus. Fine mapping of the major gene will be carried out after screening progeny of recombinant plants. Candidate genes will be assigned based on genomic variome analysis and gene expression pattern, and validated by over-expression, RNA interference and CRISPR/Cas9 genome editing methods. Functional molecular markers will be developed and verified in our germplasm resources to assist molecular breeding. This study aimed to provide an important theoretical basis for revealing the molecular mechanism of hexose accumulation in tomato fruit, and provide a reference for variety selection and molecular design breeding for improving tomato flavor.

番茄是我国栽培面积最广的蔬菜作物之一。风味品质是番茄育种的重要目标，其中可溶性糖是形成番茄风味口感的关键物质基础。然而，番茄果实中己糖积累的分子机制尚不完善。课题组前期利用全基因组关联分析挖掘到调控番茄果实可溶性固形物（SSC）和己糖积累的主效QTL位点ssc11.1。项目申请人根据该位点基因型和表型数据选配亲本，成功构建F2代分离群体，运用生物信息学分析辅助传统QTL定位方法，已完成ssc11.1主效基因的初步定位。本项目拟筛选鉴定重组单株后代，完成主效基因精细定位。并结合基因组变异组分析和基因表达谱，确定候选基因，利用超量表达、RNA干扰和CRISPR/Cas9基因编辑方法，对候选基因进行功能验证，开发功能型分子标记辅助育种。本项目的开展，将为揭示番茄果实中己糖积累的分子机理提供重要理论依据，并为番茄风味改良的品种选育及分子设计育种工作提供参考。

风味品质是番茄育种的重要目标，其中可溶性糖是形成番茄风味口感的关键物质基础。然而，番茄果实中己糖积累的分子机制尚不完善。课题组前期利用全基因组关联分析，挖掘到调控番茄果实可溶性固形物（SSC）和己糖积累的主效QTL位点ssc11.1。本研究根据课题组种质资源选配亲本，成功构建后代自交分离群体，运用生物信息学分析辅助传统QTL定位的方法，完成ssc11.1位点主效基因的初步定位和精细定位。根据基因组变异组分析和基因表达谱，并结合基因注释信息，初步确定了候选基因，命名为Honey1。以番茄大果自交系Money Maker为背景，利用CRISPR/Cas9基因编辑方法，对Honey1进行功能验证。获得基因发生移码突变和保守功能域缺失两个氨基酸的编辑类型，自交筛选获得纯合突变的T2代，进行表型调查。结果显示，Honey1的突变会导致番茄红熟期果实SSC含量、葡萄糖和果糖含量显著增加，而平均单果重无显著变化。对honey1突变体与野生型红熟期果实进行转录组测序，差异基因的GO注释结果显示主要在离子结构等途径富集，此外，honey1突变体中蔗糖合酶SUS3下调表达。Honey1亚细胞定位结果显示，Honey1定位于细胞质膜。通过酵母双杂交和双荧光素酶互补实验，验证了Honey1与SUS3的蛋白互作性，暗示Honey1是通过调控蔗糖合酶介导番茄果实中蔗糖向己糖转化的途径。此外，根据honey1L突变体中同家族成员Honey1L的上调表达，以及二者果实发育成熟进程中相反的表达模式推测，Honey1与Honey1L存在功能冗余。并基于以上结果，探讨编码蛋白质保守结构域的氨基酸缺失、及同家族基因冗余对基因行使调控作用的影响。