基于简化基因组技术的银杏性别决定机制与早期鉴定研究

Ginkgo biloba L. is known as the “living fossil”, which originated in the Permian. This species with important scientific and economic value is not only a key material to study the evolutionary relationship of plants, but it can be also used for fruits, leaves, wood and greening. The application value of female Ginkgo trees are significant different from those of male trees. The problems of pollution caused by Ginkgo fruits in urban greening are causing more and more trouble to human beings. It will take 20 to 30 years for Ginkgo seedlings to bloom, so that a method is needed to early sexing, which is fast, accurate and not limited by test time. In theory, the sex determination mechanism of Ginkgo is always one of the hot topics. Although a large number of studies have been carried out, it has not been solved fundamentally, which makes it very difficult to establish early identification methods. In such a background, we attempt to select ancient Ginkgo trees with a wide range of distribution as main materials. To further confirm the SNPs related to sex determination, which were preliminarily obtained using reduced-representation genome technology, male samples will be added. On the one hand, based on these SNP loci, the probe will be designed and the chromosome locations of the SNP will be identified by fluorescence in situ hybridization. On the other hand, the linkage loci will be verified and annotated to analyze sex determination mechanism of Ginkgo, and molecular markers for early sex identification will be developed. All these results will provide a technical reference for the studies of sex determination mechanism of other dioecious species.

银杏是起源于早二叠纪的“活化石”，是研究植物进化关系的关键材料，同时又可用作果用、叶用、材用和绿化之用，具有重要经济价值和科研价值。银杏雌雄株具有明显不同的应用价值，城市绿化中银杏果造成的污染问题，引起人们越来越大的困扰，而银杏的实生苗需20-30年才可开花，缺少一种快速、准确且不受时间影响的性别早期鉴定手段。而在理论上，银杏的性别决定机制一直是热点问题之一，虽已进行了大量研究，但却未能从根本上得到解决，为性别早期鉴定手段的建立造成了很大困难。鉴于此，本项目以来源广泛的古银杏为主要材料，利用简化基因组技术初步获得的与性别决定相关的SNPs，通过补充雄株样本，进行进一步确认。根据获得的SNP，设计探针并利用荧光原位杂交技术进行染色体定位，同时对连锁位点进行验证和注释，探究银杏性别决定机制，并开发银杏性别早期鉴定的分子标记，也为其他雌雄异株植物性别决定机制的研究提供技术参考。

银杏是起源于早二叠纪的“活化石”，可用作果用、叶用、材用和绿化之用，具有重要经济价值和科研价值。银杏雌雄株具有明显不同的应用价值，城市绿化中银杏果造成的污染问题，引起人们越来越大的困扰，而银杏的实生苗需20-30年才可开花，缺少一种快速、准确且不受时间影响的性别早期鉴定手段。在理论上，银杏的性别决定机制一直是热点问题之一，虽已进行了大量研究，但却未能从根本上得到解决，为性别早期鉴定手段的建立造成了很大困难。为探究银杏性别决定机制和构建性别早期鉴定技术，本研究对银杏古树群体进行了调查与资源收集，并对来自11个古树群体的154份银杏样本进行了性别性状全基因组关联分析。根据获得的性别相关SNP位点，随机挑选已知性别的银杏实生苗进行验证，并构建银杏性别早期鉴定手段。此外，为初步探究银杏性别调控，本研究分析了性别与代谢物、叶形间的关联，以及MADS-box基因与性别决定的关系。结果表明，154份古树样本共获得409.656 Gb的clean data。剔除InDel位点且仅保留二态型SNP位点，最终共检测到14,238,535个候选SNP位点。进一步对SNP位点的基因分型质量值（GQ）、mapping质量值（MQ）、个体测序深度、最小等位基因频率（MAF）、样本间缺失率和Hardy-Weinberg平衡进行了过滤，最终获得176,182个高质量SNP位点。全基因组关联分析检测到22个性别相关SNP位点，其中18个SNP位点位于2号染色体。22个性别相关SNP位点上，雄株样本绝大多数为杂合子，而雌株绝大多数为纯合子。随机挑选已知性别的银杏个体10个，利用PCR扩增和产物测序方法对22个位点进行验证。6个SNP位点的基因分型信息具有明显的雌雄株特异性，即雄株样本的基因型均为杂合子，而雌株样本的基因型均为纯合子。因此，推测银杏存在性染色体（2号染色体），其性别决定类型为XY型。对性别相关SNP位点周围基因和MADS-box基因分析表明，3个性别候选基因和Ⅱ型MADS基因可能参与银杏性别决定。此外，银杏性别可能受代谢物的调控，但与叶形无直接关系。基于上述结果，成果构建了银杏性别早期鉴定手段。本研究结果不仅为银杏性别决定机制研究和性别早期鉴定技术构建奠定理论基础，更为其他雌雄异株植物性别决定研究提供技术参考，具有重要的科学价值和良好的应用前景。