中国莲基因组遗传图谱的构建和连锁群染色体定位

Chinese lotus (Nelumbo nucifera Gaertn.) is one of the most important aquatic plants in our country. It features not only edible, medicinal and ornamental values, but also garden landscaping, water purification and other environmental and ecological values. It is also a surviving living fossil, as well as the base real dicotyledonous plants. Up until now, there is no study conducted in the area of lotus genome research. Both their genetic map and physical map are still lacking. It is known that construction of the genetic map is the basis for the systematic studies of genome and genetic breeding. For this purpose, we will resequence the genome of Thailand Chiang Mai lotus strain based on the completed "whole genome sequences of Chinese lotus" to develop more SSR, SNP and other markers. We will use these markers to construct the molecular genetic map in the lotus F2 segregating population built by our team. In the mean time, the standard chromosome karyotype will be built and the linkage markers will be selected to locate corresponding chromosomes using FISH technique on the karyotype in lotus. Finally, the mitochondrial genome of the lotus will also be sequencing to construct the physical map. The implementation of this project will not only be significant for breeding, yielding and drug resources development in lotus, but also help to understand the evolutionary relationship of monocotyledon and dicotyledon, as well as the origin and taxonomic status of lotus. Thus, it will further consolidate China's dominance around the world in the field of Chinese lotus research.

中国莲（Nelumbo nucifera Gaertn.）是我国最重要的一种水生蔬菜作物，有食用、药用和观赏价值，也具园林造景和水体净化等环境生态价值；还是幸存的活化石、基部真双子叶植物。迄今，莲的基因组研究还处于空白，既缺乏遗传图谱、也缺乏物理图谱。构建遗传图谱是对基因组进行系统性研究的基础,也是遗传育种的依据。为此，本项目拟在完成"中国莲基因组全序列测序"的基础上，对中国莲品系泰国清迈莲进行重测序，快速开发出大量的SSR等分子标记，用所构建的中国莲F2分离群体进行分子遗传学图谱的构建；构建莲的标准核型，选取各连锁群上有关连锁分子标记,经染色体荧光原位杂交，将各连锁群定位于相应的染色体上；同时，构建莲线粒体基因组物理图。本项目的实施不仅对莲的遗传育种、生产、药物资源开发意义重大，而且有助于了解单子叶植物与双子叶植物的进化关系以及莲的起源和分类地位，以巩固我国莲研究领域在世界上的优势地位。

莲（Nelumbo nucifera Gaertn.）是我国重要的一种水生蔬菜作物，也是地球上幸存的活化石植物之一。构建莲遗传图谱既有理论意义，也有应用价值。本项目研究结果表明，莲叶绿体基因组全长163,600bp，含113个基因，包括4个rRNA基因、30个tRNA基因和79个蛋白质编码基因。进化研究表明，莲属约有177百万年的历史，莲属两亚种的分化时间约在2百万年前；莲线粒体基因组总长524,797bp，共有63种基因，其中包括40种蛋白编码基因；3个rRNA基因各为两个拷贝；以及20个tRNA基因，其中13个为线粒体自身编码的tRNA，7个是叶绿体起源的tRNA。对莲线粒体基因组41个蛋白编码基因的选择压力的分析，鉴定出两个基因：cox1和sdh4，受到强烈的正选择。莲线粒体基因有700个RNA编辑位点。比较基因组序列，得到19条来自叶绿体基因组的插入片段（8,256bp），占莲线粒体基因组的1.6%，叶绿体基因组的5.0%。进化分析结果表明莲线粒体基因组具有进化上的保守性特征。对莲藕着丝粒蛋白NnCenH3及其DNA序列研究表明， NnCenH3-B基因是NnCenH3-A基因的可变剪接体。莲CBS的主要组成成分不是Ty3/gypsy而是Ty1/copia家族。用RAD-seq测序所获得的217,584个SNPs标记和198对SSRs引物分别对F2群体的181个单株进行分型，构建莲基因组遗传图。结果都得到8个连锁群，与莲基因组倍型（n=8）一致。SNPs标记所构图谱总图距791.56cM, 其中最长的一个连锁群为184.953cM, 最短为55.058cM。SSR标记所构图谱总图距为761cM，标记间平均图距为4.070cM。LG1上有65个SSR标记，是标记数量分布最多、图距最大(210.9cM)的一个连锁群，LG8是标记数量最少的连锁群仅包含3个SSR标记位点，图距仅为11.9cM。将SNP标记和SSR标记进行整合，得到包含2566个标记的整合图谱，总图距为1137.06 cM。我们所构建的莲基因组遗传图谱是目前分子标记最多、分辨率最高的莲遗传图谱。本项目的成果不仅对莲的遗传育种、生产、药物资源开发意义重大，而且有助于进一步确定莲的分类地位并为了解基部双子叶植物到真双子叶植物的演化过程提供了线索, 进而巩固我国莲研究领域在世界上的优势地位。