菊花主要园艺性状的关联分析及候选基因功能鉴定
菊花主要园艺性状的关联分析及候选基因功能鉴定
【摘要】： 菊花(Chrysanthemum morifolium Ramat.)是我国十大传统名花和世界四大切花之一,具有很高的观赏和经济价值,在花卉生产和园林应用中占有重要的地位。菊花种质资源丰富,蕴含着丰富的遗传变异信息。经过1600多年的栽培育种历史,形成了丰富多样的菊花栽培类型,然而这些栽培类型与野生近缘种的亲缘关系尚不清晰。菊花的许多重要育种目标性状为多基因控制的数量性状,遗传机制十分复杂。尽管关于这些性状的遗传基础已有相关报道,但至今仍不十分明确。鉴于此,本研究拟通过简化基因组测序技术开发菊花SNP分子标记,研究不同类型菊花种质资源的系统发生关系、群体结构和群体遗传分化,通过全基因组关联分析挖掘菊花主要园艺性状(花型、花色、舌状花类型、栽培类型、花径、舌状花数和开花时间)紧密关联的SNP位点和候选基因,开发便于分子标记辅助选择的dCAPS标记;另外,通过遗传转化等手段进一步鉴定部分候选基因功能。研究结果将有助于进一步解析菊花主要园艺性状的遗传机制,为菊花分子育种提供重要分子标记辅助选择技术和基因储备。主要内容与结果如下:1.对来源广泛、性状类型丰富的199份菊花资源进行SLAF简化基因组测序,获得了 92,830个高质量SNP。系统发生关系分析表明,五种不同类型菊花资源可以很明显的区分开。基于群体遗传分化FST、进化距离以及系统发生关系分析,结果表明:相比大菊类菊花品种,小菊类菊花品种与野生近缘种亲缘关系更近,且盆栽及地被菊与之关系最近。此外,通过对盆栽及地被菊与切花大菊和盆栽及地被菊与传统秋菊的这两对群体间进行选择清除分析,鉴定出571个受选择的分化区域。全基因组关联分析结果显示188个SNP位点与花型、舌状花类型和栽培类型3个重要园艺性状显著相关,在此基础上挖掘了 6个相关的候选基因,未检测到与花色显著关联的SNP位点。2.以107个切花菊品种群体为材料,基于测序获得的SNP,并结合3个重要的花部性状(花径、舌状花数、开花时间)连续两年的表型观测值,进行全基因组关联分析,来解析3个花部性状的遗传机制。共检测到81个SNP位点与3个目标性状显著相关,单个SNP位点的表型变异解释率范围为22.72%～38.67%,其中有44个显著关联的SNP位点在两年中均检测到。通过计算两年均检测到的稳定关联的SNP表型效应值,鉴定出15个与目标性状关联的优异SNP等位变异位点。进一步分析发现,这些优异SNP等位位点存在聚合效应,且与花径、舌状花数和开花时间的表型值之间存在极显著(P<0.01)相关性,相关系数分别为0.39、0.42和0.28。与开花时间显著关联的SNP位点Marker7840-50和与花径显著关联的SNP位点Marker7810-165被选择用来开发dCAPS标记,其辅助选择效率分别为82.7%和87.2%。此外,挖掘了 6个与目标性状相关的候选基因。本研究不仅为深入解析菊花花部性状的遗传机制奠定了基础,还为今后分子聚合育种以及分子标记辅助育种奠定了基础。3.对GWAS挖掘的候选基因CmTPL1-1进行基因克隆和功能分析。根据转录组注释的TPL/TPR基因序列,从切花菊‘神马’中克隆得到Cm TPL1-1基因。组织定量显示CmTPL1-1基因在茎中的表达量最高,其次是叶和花。亚细胞定位发现CmTPL1-1蛋白定位在细胞核。转录激活活性验证结果显示,CmTPL1-1无转录激活活性。构建了 CmTPL1-1的植物遗传转化载体pMDC43-CmTPL1-1,并异源转化野生型拟南芥。结果发现,拟南芥中,超表达CmTPL1-1后,转基因植株和叶片均变小,呈丛生状,分生组织数目增多,莲座叶数目增多、花型发生改变和雄蕊数目减少。为了进一步研究CmTPL1-1参与生长发育尤其是花发育的调控机制,以CmTPL1-1为诱饵蛋白,利用酵母双杂交技术筛选出CmWOX4、CmLBD38及CmLBD36互作蛋白。CmWOX4和CmLBD38无转录激活活性,而CmLBD36具有转录激活活性。通过酵母双杂交和双分子荧光互补实验(BiFC)验证,CmTPL1-1与CmWOX4、CmLBD38及CmLBD36均互作。以上结果表明,CmTPL1-1可能与CmWOX4、CmLBD38及CmLBD36蛋白相互作用来调控目标基因的表达,从而调控植物的生长发育。4.对GWAS挖掘的候选基因CmPUB43进行基因克隆和功能初步分析。根据转录组注释的PUB基因序列克隆得到了一个编码U-box蛋白的基因,命名为CmPUB43。序列分析发现CmPUB43含有一个U-box保守结构域,C端含有3个ARM重复结构,属于第二类U-box E3泛素连接酶。系统发生关系分析表明CmPUB43与青蒿的AaPUB43亲缘关系最近,且同源性达到95.74%。通过多种蛋白质定位预测软件分析发现,CmPUB43蛋白定位于细胞核和细胞质中。构建pMDC43-CmPUB43植物表达载体并转化拟南芥,与野生型拟南芥相比,转基因株系表现为植株和叶片均变小,分生组织数目增多,花瓣呈不对称分布,表明该基因也参与调控植物的生长发育。
【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
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