甘蔗及其近缘属叶绿体基因组测序及应用研究

Since 1920s, controversy over origin and evolution of modern sugarcane (Saccharum hybrids spp.) has been a controversial issue. Sugarcane breeders' work has been solely on the nuclear genes, while the potential role of cytoplasmic genes has been overlooked. As a result, the cytoplasm of all sugarcane varieties worldwide is derived from a few S. officinarum clones and the improvement of some traits controlled by either cytoplasmic gene alone or nuclear/cytoplasmic gene interaction has been stagnant. Unlike the complex polyploid nuclear genome, the cytoplasmic genomes of mitochondria and chloroplast are relatively stable with highly conserved gene number, order and composition. Sequencing of the cytoplasmic genome can provide the most direct genetic information for studying cytoplasmic heredity and the origin and evolution of sugarcane. This proposed project aims to conduct sequencing, annotation, and structure analysis of whole chloroplast genome in sugarcane and its related genera by using second generation sequencing platforms and to assess the phylogenetic relationships among sugarcane and its related genera based on their chloroplast genomic sequences. Data mining will also be conducted to excavate superior chloroplast genes through association mapping between heredity of chloroplast genes and major traits between reciprocal crosses designed from interspecies (Saccharum hybrids spp. and S. spontaneum) or intergenera (S. spontaneum and Erianthus arundinacius). This project could lay a good foundation for further study and utilization of cytoplasmic gene in sugarcane.

近百年来，有关甘蔗（Saccharum hybrids spp.）的起源与进化一直存在着不少争议。同时，在甘蔗育种实践中，由于只考虑细胞核基因的作用而导致世界范围内甘蔗栽培品种的细胞质单一化，影响了一些主要由细胞质基因控制或存在核质互作效应的性状的改良。相对于甘蔗核基因组来说，细胞质基因组在进化过程中更为保守。甘蔗细胞质基因组测序可以为细胞质基因遗传研究提供最直接的遗传背景数据，同时也可以为甘蔗起源与进化研究提供最直接的分子依据。本项目拟利用在技术上已经成熟的第二代测序平台进行甘蔗及其近缘属叶绿体基因组测序、注释和结构图绘制，并从叶绿体进化层次解析其系统进化关系；利用甘蔗种间（甘蔗和割手密）或属间（割手密和斑茅）不同正反交杂交组合进行叶绿体遗传与重要性状遗传的关联分析，筛选鉴定优良的甘蔗不同种属细胞质基因源，为甘蔗育种进一步挖掘利用优异细胞质基因奠定良好基础。

近百年来，有关甘蔗（Saccharum hybrids spp.）的起源与进化一直存在着不少争议。同时，在甘蔗育种实践中，由于只考虑细胞核基因的作用而导致世界范围内甘蔗栽培品种的细胞质单一化，影响了一些主要由细胞质基因控制或存在核质互作效应的性状的改良。相对于甘蔗核基因组来说，细胞质基因组在进化过程中更为保守。甘蔗细胞质基因组测序可以为细胞质基因遗传研究提供最直接的遗传背景数据，同时也可以为甘蔗起源与进化研究提供最直接的分子依据。本项目共计完成了14个甘蔗及其近缘属材料的叶绿体基因组和1个线粒体基因组测序、拼接、注释和结构图绘制工作。在14个材料间共搜索到2951个SNP位点。SNP和Indel密度为LSC>SSC>IR区域，且以LSC区域为主。在甘蔗品种ROC22叶绿体基因组检测到18个RNA编辑位点。系统进化分析结果表明，甘蔗属内热带种、栽培种亲缘关系较近，然后是印度种和中国种，再到割手密，到近缘属河八王、芒、斑茅和象草。在割手密材料中，来自广西和海南的割手密亲缘关系较近，而来自云南的割手密则较远，这表明云南独特的生态条件对割手密叶绿体基因组的进化有一定的影响。斑茅在进化树中位于象草和芒之间，与甘蔗属亲缘关系较芒和河八王更远，这个结果很好的支持了将斑茅从原来的甘蔗属中调整到蔗茅属的合理性。基于全长序列分析得到的系统进化关系与基于LSC区域分析得到结果一致。而基于SSC区域和IR区域分析的进化关系则有所不同，特别是IR区域显示的进化关系不能正确反应甘蔗属内的种间进化关系。在叶绿体基因组结构域中LSC区域在系统进化中其决定性作用。叶绿体遗传分析结果表明虽然甘蔗主要农艺性状的细胞核遗传占主导地位,但是不同细胞质源仍可能在花粉育性和抗病性等方面发挥作用。