胡萝卜根和叶中类胡萝卜素含量QTL定位及候选基因表达研究

发布时间：2020-07-27 10:14

【摘要】：类胡萝卜素是人体生长发育所必需的维生素A源,胡萝卜是类胡萝卜素积累最为丰富的蔬菜作物之一,特别是桔色类型富含α和β-胡萝卜素。桔色胡萝卜如何演化而来的一直没有直接的遗传学证据。胡萝卜根色与其类胡萝卜素组分和含量密切相关,研究不同根色类胡萝卜素合成积累机制是寻找胡萝卜演化证据的重要途径。胡萝卜根中类胡萝卜素合成基因表达水平与类胡萝卜素含量积累密切相关,而且可直接影响其组分及组成,但从遗传上并没有建立类胡萝卜素合成酶基因与根色、类胡萝卜素含量之间的连锁关系。前期研究发现桔色类型胡萝卜叶片中α-类胡萝卜素含量显著高于其它类型,说明桔色胡萝卜中类胡萝卜素合成途径调控机制发生了本质变化,但是叶片与根中的类胡萝卜素遗传调控是否存在关联性,尚未见报道。本研究以白色野生胡萝卜“松滋野生”(Ws)与欧洲桔色栽培种“Amsterdam”(Af)为亲本构建的回交重组自交系(Backcross inbred lines,BILs),首先采用全基因组低倍重测序技术开发SNP标记,构建高密度遗传图谱;由于群体根色呈现渐变多样性变异,采用色差仪对根色进行量化分析,研究与类胡萝卜素含量之间关系;对根色、根及叶片中的类胡萝卜素含量进行QTL定位,并分析其遗传调控的关联性;根据定位结果,挖掘候选基因,分析其功能。主要取得以下进展:1.采用低倍重测序技术开发SNP标记3 223 651个,采用滑动窗口策略确定基因分型,共获得13 124个重组位点,平均每个BIL子代包含119.31个重组位点;最终有1 745个bin标记分配到9条染色体上,包含SNP标记2 021 700个,平均每个bin标记包含1 158.57个SNP标记;图谱总遗传距离为323.95 cM,平均图距0.19 cM。2.色差仪测定的根色参数与根类胡萝卜素含量密切相关,除h*值,其余各参数均与各类胡萝卜素组分含量呈显著相关;其中a*值与根中α、β、ζ-胡萝卜素和总类胡萝卜素含量相关性最高,分别为0.75、0.72、0.66和0.76。根中各类胡萝卜素组分含量之间呈极显著正相关,α-胡萝卜素与β-胡萝卜素和总类胡萝卜素含量的相关性分别为0.91和0.96,β-胡萝卜素与总类胡萝卜素含量的相关性为0.99,说明根中总类胡萝卜素含量主要由α-胡萝卜素和β-胡萝卜素决定。叶片中叶黄素含量与总类胡萝卜素含量的相关性为0.98,说明叶片中总类胡萝卜素含量由叶黄素含量决定。叶片中类胡萝卜素含量与根中类胡萝卜素含量相关性低。3.采用复合区间作图法(CIM)检测到与韧皮部a*值(Ph-a*)、木质部a*值(Xy-a*)、以及两部位a*均值(Ave-a*)、h*均值(Ave-h*)、a*/b*均值(Ave-a*/b*)和(a*/b*)~2均值(Ave-(a*/b*)~2)相关的QTL分别为2、6、3、2、4和2个,表型贡献率分别为13.38%~18.05%、8.74%~17.22%、10.48%~17.84%、9.15%~10.15%、9.30%~18.90%和8.83%~13.30%。与根中α、β、ζ-胡萝卜素、叶黄素、玉米黄质和总类胡萝卜素含量相关的QTL分别为1、3、3、2、3和3个,表型贡献率分别为12.06%、9.3%~11.21%、8.85%~16.23%、23.33%~24.50%、17.15%~26.34%和11.61%~18.07%。与叶片α、β-胡萝卜素、叶黄素和总类胡萝卜素含量相关的QTL各1个,表型贡献率分别为10.64%、10.80%、16.68%和17.53%。在第5号染色体的13.4~14.5cM和24.7~26.1 cM,第7号染色体20.7~22.0 cM处共聚集了21个QTL,其中Xy-a*、根β-胡萝卜素、根ζ-胡萝卜素和根总类胡萝卜素含量均受到共同的QTL控制,说明这些性状可能受相同基因作用。叶片和根中各胡萝卜素组分含量分别受不同的QTL影响,说明叶片中类胡萝卜素的合成调控机制独立于根中。4.根据QTL所在基因组上的物理位置,结合转录组数据,筛选出玉米黄素环化酶(ZEP)、9-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶1(NCED1)和乙烯响应转录因子026(ERF026)作为胡萝卜肉质根中类胡萝卜素合成调控的候选基因,分别参与β-胡萝卜素、ζ-胡萝卜素、叶黄素、玉米黄质和总类胡萝卜素的合成调控;ZEP和ERF026在Af中的表达水平显著高于Ws。ZEP在Ws和Af中存在氨基酸变异,其表达水平与β-胡萝卜素含量显著相关,推测ZEP是控制胡萝卜根中β-胡萝卜素合成的关键候选基因。
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S631.2
【图文】：

类胡萝卜素,类胡萝卜素类,双加氧酶,裂解酶

被称为“叶黄质循环”（Rodriguez-Concepcion & Stange，2013）。类胡萝卜素产物通过类胡萝卜素裂解酶（carotenoid cleavage dioxygenases，CCD）和9-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶（9-cis-图1.1 类胡萝卜素的生物合成路径（Hirschberg，2001）Figure 1.1 The carotenoid biosynthesis pathway叶黄质类胡萝卜素类MEP路径Chx-bChx-bChx-e

示意图,类胡萝卜素,叶绿体,拓扑结构

同组织器官中质体类型和生物功能不同，类胡萝卜素在质体中的密度也不尽相同，如参与光保护的类囊体与参与光合反应的质体囊膜中的类胡萝卜素含量不同，这也说明类胡萝卜素合成酶在质体中的定位也是不一样的（Shumskaya & Wurtzel，2013；图1.2）。在拟南芥叶绿体中，多数类胡萝卜素合成酶在质体囊膜上，还有一些在类囊体上，如PSY就定位在质体粒附着的类囊体上，与路径上其它酶不在同一个位置（Ruiz-Solaa & Rodríguez-Concepción，2012；Shumskaya et al.，2012）。图1.2 叶绿体中类胡萝卜素合成路径的拓扑结构示意图（Shumskaya & Wurtzel，2013）Figure 1.2 Hypothetical topology of carotenoid biosynthetic pathway in chloroplasts1.3 类胡萝卜素的合成调控在自然进化和人工选择驯化的双重作用下，类胡萝卜素存在于植物的光合器官和非光合器官中

路径图,有色体,路径,桔色

色体（Leucoplasts）或淀粉体（Amyloplasts）也可以直接转变为有色体，使花瓣由白色转变为黄色或桔色，使根也从白色转变为桔色（Vishnevetsky et al.，1999；Alba et al.，2000；Gautier et al.，2008；Kim et al.，2009；Li & Yuan，2013；图1.3）。图1.3 有色体发育路径（Li & Yuan，2013）Figure 1.3 The development of chromoplast

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