芒属植物异源多倍体表型变异与基因差异表达的相关性研究

Miscanthus Andersson (Poaceae) has attracted considerable attention as one of the most promising cellulosic bioenergy crops. 1150 wild germplasm had been collected in mainland of China by Research Institute of Miscanthus. Among those wild germplasm, M. sinensis、M. floridulus、M. sacchariflorus and M. lutarioriparius are the four species with development value. A series of allopolyploids have been inducted from hybrids crossbred by the four species or sexual hybridization from autopolyploid. There are abundant phenotypic variations among the allopolyploid plants. Stable expression of the gene associated with good variation traits becomes the key to allopolyploid breeding. This project will 1) determine the relationship between phenotype and genotype variations in parents and their allopolyploid hybrids, 2) reveal the expression features in the process of polyploidization. The approaches will use statistical analysis of phenotypic traits with cytological characteristics, cDNA-AFLP markers and differentially expressed of some homologous sequences (NAC, trnL-F and rpl16), the association analysis on the polymorphism of related genes different expression and allopolyploid phenotypic variation using the TASSEL software. The functional molecular markers closely related to the energy use of Miscanthus qualities will be screened, the laws of evolution of gene expression during the process of Miscanthus polyploidization will be discovered, a foundation will be established for excellent genetic resources mining and using of Miscanthus wild germplasm, and the important example of polyploid evolution theory will be provided.

芒属植物是国内外高度关注的纤维能源植物。多倍体水平的杂种优势利用是培育芒属植物新品种的有效途径。本课题组利用1150份活体野生种质资源，从4个开发价值最大的种-芒、五节芒、荻、南荻中筛选出优良亲本，创制出一批产生丰富表型变异的异源多倍体，优良变异性状的相关基因稳定表达成为异源多倍体育种的关键。为确定多倍体优良变异性状的相关基因，并了解其在多倍化过程中的表达特性，本项目拟利用这些异源多倍体及其亲本为研究对象，采用表型性状和细胞学特征比对、cDNA-AFLP分子标记及部分同源序列（NAC、trnL-F和rpl16）差异表达比对，运用TASSEL软件对相关基因差异表达的多态性与异源多倍体在形成早期的表型变异进行关联分析，开发与优良能源利用品质密切相关的功能标记，了解芒属植物多倍化进程中基因表达变化规律，为芒属植物优异基因资源的深入挖掘和高效利用奠定基础，同时为丰富多倍体物种进化理论提供重要例证。

芒属植物为禾本科的C4类高大草本植物，是可用于生物基材料和平台化合物生产、保持水土、湿地和矿区生态修复的资源植物，芒、五节芒、荻和南荻是芒属可开发利用的四个种，南荻是我国特有种。多倍体植物经常会出现一些新的表型，如产生非生物和生物胁迫的耐受性、营养器官体积巨大化和高生物产量等，研究这些表型变异与基因差异表达之间的相关性是项目需解决的科学问题。针对该问题，本项目主要研究内容包括：（1）芒属植物多倍体变异表型的选择与测量（2）芒属植物多倍体部分同源序列差异表达的研究（3）芒属植物多倍体的优良表型与相关基因表达的关联分析。.重要结果如下：（1）筛选获得优质芒属植物多倍体新材料：从获得的153份南荻三倍体群体材料中，筛选获得了干物质产量高，纤维素含量高的南荻三倍体材料10份。通过NaCl 胁迫试验和盐碱地实地种植，筛选获得了耐盐南荻三倍体材料5份。（2）芒属多倍体的表型变异与基因表达差异相关性分析：以筛选出的干物质产量高，纤维素含量高的南荻三倍体材料10份为试验材料，测定了幼苗期的试验材料在0.2%, 0.5%, 0.8% NaCl 胁迫诱导后18天内MINAC2基因表达量，结果表明MINAC2的表达量和试验材料的耐盐性正相关；试验材料在NaCl 胁迫下的各项生理指标里，净光合速率、气孔导度和叶绿素含量这些与光合作用相关联的生理响应与MINAC2基因的表达高度相关，丙二醛和脯氨酸含量与MINAC2基因的表达次相关。（3）挖掘芒属植物优良表型的相关基因：对8个南荻三倍体试验材料，共64个样本进行了转录组测序分析，共获得508.24Gb Clean Data；组装后共获得175,058条Unigene，其中长度在1kb以上的Unigene有30,822条；进行基于Unigene库的基因结构分析，共获得11,597 个SSR标记，由于数据量巨大，基因的功能注释和差异表达筛选工作还在进行中。.通过本项目的研究可开发出与芒属植物高产抗逆品质密切相关的功能标记，获得一批优良多倍体新种质，为芒属植物多倍体品种的快速选育提供理论依据，为芒属植物优异基因资源的深入挖掘和高效利用提供基础。