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西瓜叶色后绿和植株短蔓性状的遗传与分子机制研究

【摘要】:西瓜(Citrullus lanatus)作为重要的葫芦科作物,其植株形态和果实特征一直是育种家们关注的目标。西瓜植株性状具有丰富的遗传多样性,如不同的叶片颜色、形态和株型结构等。目前对于西瓜植株形态相关性状的认识还不够深入,遗传及分子机理方面的研究相对较少。因此,本论文研究西瓜叶色后绿和植株节间长度两个性状,通过分离群体和分子标记定位相关基因,并解析它们的分子遗传机制,为西瓜品种选育及简约化栽培提供科学依据。本论文主要做了以下3方面工作:1.以正常叶色的西瓜自交系“查尔斯顿”和叶色后绿的自交系“后绿”做亲本配制F_2、BC_1群体,通过分离比的统计,发现西瓜叶色后绿性状受单个隐性基因(dg)控制;通过F_2群体的BSA-seq分析将dg基因定位到了3号染色体7.48 Mb区间内。之后开发大量的CAPS标记对765株F2植株进行重组单株筛选,最终将候选基因进行精细定位到3号染色体一个53.54 Kb的区域内。该区域有3个候选基因,通过在两亲本中的序列比对我们发现仅有ClCG03G010030在亲本中存在一个SNP的差异,导致了精氨酸到赖氨酸的突变。根据基因功能注释ClCG03G010030编码一种FtsH细胞外蛋白酶家族蛋白,其参与早期叶绿体的发育。基因表达分析表明该基因在绿色叶片中高表达,且随着叶片发育而降低。结果表明ClCG03G010030可能是控制西瓜叶色后绿的候选基因。该结果对研究西瓜叶片颜色、叶绿体发育、分子标记辅助育种等具有重要意义。2.为了深入研究“后绿”植株叶绿体发育相关的分子机制,我们对“查尔斯顿”和“后绿”材料做了转录组分析。结果发现,在“后绿”植株中与叶绿素生物合成途径相关的基因发生了差异表达,番茄红素合成代谢通路的基因发生了下调表达。此外,与光系统II(PSII)相关的基因也发生了不同程度的差异表达。与正常绿色植株相比,“后绿”植株中与光系统I(PSI)相关的ClCG02G010780(PsaA)和ClCG01G009360(PsaB)表达量降低,且编码光吸收蛋白复合体I和II(LCHI和LHCII)的大量基因下调表达。该结果从与光合作用相关的代谢通路进行分析,从叶绿体发育、光合色素、叶绿体蛋白组分和光合电子传递等路径揭示了西瓜叶色“后绿”的分子机制。3.以“郑州籽瓜”(正常节间)和“Duan125”(短蔓)西瓜种质资源材料为亲本配制F_2、BC_1群体,通过分离比的统计,发现西瓜短蔓为单基因控制的隐性性状。通过F_2群体的BSA-seq分析将候选区间定位于9号染色体。利用F_2分离群体进行精细定位,将候选基因定位于8.525 Kb的区间范围内,该区间内只有一个候选基因Cla015407,编码赤霉素3β-羟化酶。通过对该基因的序列比对发现在短蔓亲本的编码区存在13bp的缺失,导致了其编码提前终止。Cla015407在短蔓植株茎中的表达量比正常植株低3倍。综上,这些结果表明Cla015407可能是控制西瓜节间长度的候选基因,并且该性状对外源GA_3敏感。

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