基于连锁作图与关联分析的莲株型QTL定位与相关基因挖掘

The Nelumbo nucifera is a famous aquatic flower with a very long history of cultivation in China. The germplasm resources are abundant including many cultivars with different variations of important ornamental traits-such as plant size, flower color and flower shape. Thus it is a perfect material for studying on molecular genetic mechanism of ornamental traits. The quantitative trait-plant size of lotus will be studied in this project. We have previously obtained "two-way pseudo-testcross" F1 population by crossing between a large plant size of cultivar- - 'Baozhu Guanyin' and a small plant size of cultivar- - 'Lian Xia'. In the present project, using different molecular markers to detect polymorphism of F1 population the genetic linkage map can be constructed and then the QTLs encoding plant size will be preliminarily located in the linkage map. Furthermore through construction of the "two-way pseudo-testcross" F2 population and application of BSA, a precise linkage map will be constructed with the precise location of QTLs. Besides, association mapping will be carried out on 400 lotus germplasms with molecular markers analysis as well as phenotypes measuring. Based on the comparison of linkage mapping and association analysis, the QTLs or candidate genes related with the plant size will be identified accurately and cloned. Finally the function of the candidate genes and their express in different time and organs will be studied so as to reveal the molecular mechanism of regulation and control mode to plant size. The present studies will lay a foundation for plant size improvement of lotus and the other ornamental plants.

莲（Nelumbo nucifera）为睡莲科的著名水生花卉，栽培历史悠久，种质资源丰富，重要的观赏性状包括植株大小、花色、花型均有丰富的变异，是研究观赏性状分子遗传规律的理想材料，本课题将围绕株型这一数量性状进行研究。课题组前期用大株重瓣莲品种'宝珠观音'及小株少瓣莲品种'恋夏'作为杂交亲本，构建了F1代拟测交群体，本项目在此基础上通过不同的分子标记分析，构建连锁遗传图谱，并初步定位株型QTL。然后进一步建立"拟F2"代作图群体以及运用BSA法进行精密作图和QTL精细定位。对收集的400个莲种质群体，结合表型与分子标记研究进行株型性状的关联分析。然后将株型QTL定位和关联分析结果进行比较验证，高效精确的获取与株型相关的QTL或候选基因，最后对其开展基因功能互补试验和时空表达分析，明确候选基因的功能与调控方式，初步探寻莲株型调控的分子机制，为最终进行莲花及其它花卉植物株型改良奠定基础。

项目围绕荷花株型进行研究，以大株型和小株型极端性状的群体，分别进行基因组重测序，通过比对参考基因组，从两群体筛选出相关候选基因430个；通过对两群体间SNP基因频率的差异进行检测，获得175个候选基因；结合 ZFst 和ZHp 分析及卡方检测，最后获得61个候选基因，有功能注释的共36个。对两个群体间的SSRs位点识别和引物进行了开发，根据MISA的搜索参数，在候选区段内共检索出3991个SSR位点。利用 Primer3设计引物，共对1383个SSR位点成功设计了引物。利用SSR标记对自然群体多样性进行了初步研究：使用筛选出的93对SSR多态性引物对319份供试材料进行PCR扩增，然后进行遗传多样性的分析。结果表明：观测到350个等位基因，平均每个位点3.76个；有效等位基因数、Shannon’s信息指数、观测杂合度、期望杂合度等指数均显示：SSR标记在供试的荷花品种中表现出丰富的多态性。对其进行用UPGMA进行聚类分析，结果显示，所有材料被分成3个组：第Ⅰ组包括了295个样品，约占所有样品的92.48%，绝大部分为中国莲；第Ⅱ组包括4个品种，均为少瓣品种；第Ⅲ组包括20个品种，其中16个是中美杂交莲；表明品种的起源及其形态差别均为品种间遗传差异的原因。.通过对319个荷花品种11个形态性状进行了连续3年的观测，分析其变异，结果显示：花瓣数是最容易变异的性状，而叶形、瓣形以及花性状最为稳定。对11个性状进行相关性分析，表明：叶柄高、花柄高、叶长、叶宽、花径、花瓣长、花瓣宽和心皮数8个性状之间都表现出极显著的正相关关系，株型越大，这些性状值也会相应增大，从而表现出了两两之间的正相关性；花瓣数与株型呈一定程度的负相关关系，可认为重台、重瓣的品种多出现在中小株系中。进一步对表型性状进行主成分分析表明，第一主成分中伴生叶柄高、叶长、叶宽、花柄高、花径、花瓣长和花瓣宽的系数都较大，由它们构成了株型的大小。目前正利用开发的1383个SSR位点标记对自然群体进行检测，结合形态进行关联分析与基因的更精确定位；对于由大株型和小株型构建的拟测交群体进行形态观测和SSR分析，构建株型相关的遗传连锁图谱与QTL定位；对于初步获得的株型相关的候选基因正在进行功能分析；通过上述研究有望解析荷花株型形成的分子机理。