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揭秘调控杜鹃树皮粗糙、光滑的关键基因——基因组和GWAS分析带来新发现

花匠小妙招
2025-01-10 07:52

近日，中国科学院昆明植物研究所章成君研究员（现浙江农林大学林业与生物技术学院教授）团队与云南农科院王继华研究员团队合作在Horticulture Research发表了题为Genome and GWAS analysis identified genes significantly related to phenotypic state of Rhododendron bark的研究论文。该研究完成了包括马缨杜鹃（Rhododendron delavayi）（30个）、露珠杜鹃（30个）（Rhododendron irroratum）及其杂交后代（Rhododendron agastum）（200个）在内的260个野生杜鹃样本的建库测序。通过多层次、多步骤过滤，获得了高质量、高覆盖度的变异位点数据集。在此基础上，使用全基因组关联分析（Genome wide association study, GWAS）、选择性清除、转录组测序表达模式分析等方法鉴定到了多个与杜鹃树皮粗糙、光滑表型形成相关的基因。利用RT-qPCR对获得的与树皮表型形成相关的候选基因在不同类别杜鹃树皮中的表达量进行了测定，结果证实了其在不同杜鹃树皮表型中具有不同的表达模式。该研究为挖掘野生杜鹃种质资源重要性状关键功能基因做出了有益探索，为未来直接挖掘利用野生种质基因资源、构建高效精准育种体系奠定了重要基础。

杜鹃花泛指杜鹃花科(Ericaceae)杜鹃花属(Rhododendron L.)植物，该属下种质资源丰富，种类超过1000个。中国是野生杜鹃花种质资源最丰富的国家之一。马缨杜鹃、露珠杜鹃、及其杂交后代均为杜鹃花科杜鹃花属常绿杜鹃亚属下植物。它们的花朵花色丰富、树枝姿态各异，可用于营造出不同氛围的园林和庭院景观。本研究获得了260份野生杜鹃样本的重测序数据。选定组装质量较好的马缨杜鹃（662.80Mb）作为参考基因组，通过SNP calling获得了5,328,800个高质量的SNPs（图1）。

图1. (a) 杜鹃13条染色体上的SNPs密度分布。 (b) 不同类型变异位点及其在基因组上的位置统计。 (c) 不同类型的碱基替换数量。 (d) 马缨杜鹃、露珠杜鹃及其杂交种的LD衰减速率。

杂交现象在杜鹃种群间十分常见，许多分类群可以形成杂交后代。杂交后代中的同一表型相较于亲本而言有着更为丰富的变化。通过对野生马缨杜鹃、露珠杜鹃及其后代杂交群体（30个马缨杜鹃，30个露珠杜鹃，200个杂交个体）进行19种重要园艺性状的表型观察、测量和统计，我们发现不同群体杜鹃的树皮粗糙程度不受环境影响，亲本分别为粗糙和光滑，杂交群体则两种情况并存。之后，结合GWAS、选择性清除分析和转录组测序分析等方法我们鉴定到了4个与树皮粗糙程度显著相关的候选基因（Rhdel02G0243600，Rhdel04G0017100，Rhdel07G0079700，Rhdel08G0220700）（图2，图3）。最后，通过利用RT-qPCR，我们进一步验证了Rhdel02G0243600等4个基因在不同部位表达模式不同，功能注释与文献调研表明，这些基因是调控不同种类杜鹃树皮粗糙程度产生差异的潜在候选基因。

图2. GWAS鉴定得到的与杜鹃树皮粗糙程度显著相关的候选基因。

图3. (a) 马缨杜鹃老枝、嫩枝，露珠杜鹃老枝、嫩枝树皮取样及横切面解剖图。（c-d）马缨杜鹃老枝、嫩枝，露珠杜鹃老枝、嫩枝树皮转录组测序结果。（e）候选基因差异表达分析结果。

该研究鉴定到了与杜鹃树皮表型形成显著相关的目标基因，揭示了两种杜鹃及其杂交群体间的遗传进化关系。基于本研究使用的分析方法和结果，我们认为这是一套可用于挖掘野生物种重要基因资源的有效流程，能够为进一步提升新品种的选育效率，缩短育种时间提供有力支持（图4）。

图4. 本研究采用的分析方法和流程。

中国科学院昆明植物研究所章成君研究员（现浙江农林大学林业与生物技术学院教授）、云南省农业科学院院长王继华研究员和中国科学院昆明植物研究所马永鹏研究员为该论文共同通讯作者。中国科学院昆明植物研究所博士叶倩男、云南省农业科学院花卉研究所副研究员张露为论文共同第一作者。本研究得到了ZIAT-Special Project, Science and Technology Talent and Platform Program of Yunnan Province等多个项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/hr/uhae008