大豆耐铝相关基因的eQTL定位与功能分析

Aluminum (Al) toxicity is the primary constraint to crop productivity on acid soils that comprise over 50% of the world's arable land and approximately 21% of the total land area in China. QTL mapping of Al tolerance in soybean has been done in a previous study using the recombinant inbred lines (RIL) derived from a cross between KF-1 (Al tolerance) and NN1138-2 (Al sensitive). Further identification of Al tolerance genes would be useful to develop Al tolerance soybean cultivars. In this study, the transcriptome profiling in the root tips of Al tolerant and Al sensitive soybean will be compared, and the Al-responsive genes that show significant differential expression between Al tolerant and sensitive plants will be selected for further study. The expression levels of these genes from the root tips of Al treated plants (RIL) will be quantified by qRT-PCR. Association analysis between the expression levels of these genes and the phenotypic variation (Al tolerance) will be carried out to further select candidate genes for Al tolerance. Genome-wide high density markers will be used to map the loci (eQTL) controlling the expression levels of these genes. The cis and trans eQTL will be determined by comparing the genomic locations of the genes and its corresponding eQTL. Transgenic plants with either silencing or over-expressing the candidate gene will be evaluated for Al tolerance. The genes identified in this study will be useful in soybean breeding program to improve Al tolerance, and the mapped eQTL would help elucidate the genetic architecture and regulatory networks of Al tolerance in soybean.

酸性土壤约占世界可耕种土地的50%，占我国土地面积的21%。铝毒是酸性土壤地区限制作物产量的主要因素之一。前期研究利用KF-1（耐铝）和NN1138-2（铝敏感）构建的重组自交系（RIL）对大豆耐铝性进行了QTL定位。在此基础上进一步发掘耐铝基因对培育耐铝大豆品种意义重大。本项目拟通过转录组分析，筛选耐铝和铝敏感大豆间有显著差异表达的铝应答基因；通过qRT-PCR对这些耐铝相关基因在RIL群体中的表达水平进行定量，并与耐铝性进行关联分析，筛选出与耐铝性显著相关的基因。用高密度分子标记对耐铝候选基因进行eQTL定位，找出控制这些基因表达水平的位点；比较候选基因和eQTL在基因组上的位置鉴定 cis和trans eQTL。通过基因沉默和过表达来验证关键耐铝候选基因的功能。本项目的实施将为培育耐铝大豆品种、揭示大豆耐铝的遗传结构和调控网络提供材料基础和理论参考。

酸性土壤约占世界可耕种土地的50%，铝毒是酸性土壤地区限制作物产量的主要因素之一。大豆是重要的油料作物，是人类食用植物蛋白、油脂和动物饲料的主要来源，然而酸性土壤的铝毒害严重影响了这些地区大豆的产量。大豆耐铝性受多基因控制，但目前关于大豆耐铝基因及其调控机制的报道非常有限。因此，对大豆耐铝性进行遗传解析、挖掘大豆耐铝候选基因并分析其功能及表达调控方式，对通过分子育种培育耐铝大豆品种具有重要意义。. 本研究确定了两对耐铝性差异较大的大豆品种KF（耐铝）和GF（铝敏感）及M90-24（耐铝）和Pella（铝敏感），并分别通过表达谱芯片和转录组测序，对两对大豆品种在铝毒及对照条件下的根尖进行了差异表达基因分析，筛选出耐铝和铝敏感大豆间有显著差异表达的铝应答基因，其中包括已知耐铝基因MATE（multidrug and toxic compound extrusion）的同源基因GmMATE75。qRT-PCR分析表明耐铝大豆品种KF根尖中的GmMATE75在铝胁迫6、12、24 h时显著上调表达。在铝处理下过表达GmMATE75基因的大豆发根比转空载的大豆发根铝离子含量显著减少，说明过表达GmMATE75提高了大豆的耐铝性。. 对M90-24和Pella杂交衍生的重组自交系（recombinant inbred line, RIL）群体及亲本进行了简化基因组测序（RAD-seq），构建了由2796个bin标记组成的遗传图谱。应用WinQTLCart的多区间作图法（multiple interval mapping, MIM）对大豆耐铝性进行QTL分析，共定位到8个加性QTL，其中位于18号染色体上的主效QTL可解释17.5%的耐铝性表型变异。根据QTL定位和比较转录组分析，选择耐铝主效QTL附近的GmCYP71基因进行qRT-PCR，发现在RIL群体中该基因的相对表达量与RRG极显著正相关（r = 0.324, p < 0.01）。MIM方法共检测到11个控制GmCYP71基因表达量的eQTL，其中位于18号染色体的顺式作用QTL（cis-eQTL）和10个反式作用位点（trans-eQTL）分别可解释GmCYP71表达量变异的29.4%和48.3%。本研究为培育优异的耐铝毒大豆品种和解析大豆耐铝机制提供重要的基因资源和理论依据。