梅花遗传连锁图谱构建和表型性状QTLs分析

梅花(Prunus mume Sieb.et Zucc.,2n=2x=16)为蔷薇科(Rosaceae)李属(Prunus)植物。因其花期早、花型丰富、花色繁多和花香独特等特点被广泛应用于园林绿化。目前,梅花新品种的选育多采用杂交育种的方式,花费时间较长,而且在基因组水平上缺少对梅花与近缘种属间的比较基因组学分析,造成梅花起源问题仍未解决。本研究以梅花品种‘粉瓣’和‘扣子玉蝶’杂交得到的F1代作图群体为材料,利用简单重复序列(Simple Sequence Repeat, SSR)和单核苷酸多态性(Single Nucleotide Polymorphism, SNP)分子标记构建梅花高密度遗传图谱并锚定其基因组组装序列,在此基础上不仅与李属T×E参考图谱(基于扁桃'Texas'X桃'Earlygold'杂交得到Fz群体构建的遗传图谱)进行共线性分析,也进行主要表型性状的数量性状定位(Quantitative trait loci, QTLs)分析。主要结论如下： 1.在梅花全基因组序列的基础上,分析1～8bp核苷酸重复单元基序长度的SSR分布情况,其结果显示：在梅花基因组中,利用MISA (MIcroSAtellites identification tool)计算机程序,共鉴定188,149个SSRs标记,平均密度为793.9SSR/Mb。单核苷酸重复单元数量最多有67,183个SSRs标记。 2.在梅花、苹果和草莓基因组和基因组的不同区域分析SSR分布情况,结果显示：在蔷薇科三个物种中随着核苷酸重复单元基序长度的增加,SSR标记数量逐渐下降,富含AT核苷酸重复单元基序类型的SSR数量较多而富含GC核苷酸重复单元基序类型的SSR数量较少,且基因间区中分布的SSR数量显著地高于编码区中分布的SSR数量。 3.以梅花品种‘粉瓣’和‘扣子玉蝶’组合获得F1群体中的190棵子代为试验材料,从梅花基因组序列开发的SSR标记中随机选取670个,设计引物对其进行标记分离检测,结果显示：根据拟测交作图原理,利用144个多态性SSRs标记构建含有8条连锁群的梅花SSR框架遗传图谱,总遗传图距为668.7cM,共锚定71条梅花基因组组装序列,大小为66.5Mb,覆盖基因组28.1%。 4.按照与限制性内切位点相关DNA标签(Restriction-site Associated DNA-tag, RAD-tag)测序策略,通过生物信息学分析,在亲本与190棵杂交子代中共检测到2,166个多态性SNPs位点。根据拟测交作图原理,以P<0.05为阈值,经过卡方检验检测,有1,484个SNPs标记位点符合孟德尔分离比例(1：1或1：2：1),共产生3,229个多态性位点,平均每个SNP标记产生大约2个多态性位点。 5.利用1,484个SNPs标记对所构建的SSR框架遗传图谱进行加密,构建含有1,613个标记的梅花高密度遗传连锁图谱,共有8条连锁群,总遗传图距为780.9cM,标记间平均距离为0.5cM,锚定513条梅花基因组组装序列,大小为199.0Mb,覆盖基因组84.0%。 6.利用梅花遗传连锁图谱所锚定的199.0Mb基因组序列与李属参考图谱所锚定的613条蔷薇科保守同源序列(Rosaceae Conserved Ortholog Set, RosCOS)间进行共线性分析,结果显示：在梅花基因组进化过程中,仅有PM3和PM4染色体发生染色体重排事件,即PM3染色体来源于李属的PG1、PG6和PG7染色体,PM4染色体来源于李属的PG2和PG5染色体。 7.对梅花F1代作图群体的株高、地径、叶长、叶宽、叶面积和叶脉数目等6个表型性状的遗传变异进行统计和分析,并利用复合区间作图法检测与这些性状相关QTLs位点,其结果显示：共检测到控制这些表型性状的84个QTLs,其中控制叶面积和叶脉数目性状的QTLs最多均为35个,控制地径的QTL最少为1个。 总之,本研究结果为梅花基因组结构和功能研究、分子标记定向辅助育种和近缘物种间比较基因组学研究奠定重要的理论基础,对进一步开展梅花分子标记聚合育种提供重要借鉴和参考,为今后揭示梅花重要观赏性状的遗传机制和探索梅花起源具有重要意义。