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

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B-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3223651个，采用滑动窗口策略确定基因分型，共获得13124个重组位点，平均每个BIL子代包含119.31个重组位点;最终有1745个bin标记分配到9条染色体上，包含SNP标记2021700个，平均每个bin标记包含1158.57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。

目录

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摘要

英文缩略表

第一章 引言

1．2 类胡萝卜素生物合成路径

1．3 类胡萝卜素的合成调控

1．3．1 类胡萝卜素合成路径基因的功能

1．3．2 质体发育在类胡萝卜素合成中的作用

1．3．3 转录因子在植物类胡萝卜素合成中的作用

1．4 胡萝卜中类胡萝卜素的合成调控研究

1．4．2 胡萝卜中类胡萝卜素的遗传研究

1．4．3 胡萝卜中类胡萝卜素合成路径基因的功能研究

1．5 本研究目的和意义

第二章 胡萝卜高密度遗传图谱构建

2．1 材料与方法

2．1．1 材料

2．1．2 实验方法

2．2 结果与分析

2．2．1 测序数据质量

2．2．2 SNP检测及基因分型

2．2．2 遗传图谱构建

2．3 讨论

第三章 胡萝卜中类胡萝卜素含量的QTL定位

3．1 材料与方法

3．1．1 材料

3．1．2 实验方法

3．2 结果与分析

3．2．1 肉质根颜色及类胡萝卜素含量变异

3．2．2 肉质根中类胡萝卜素含量与根色参数之间的相关性

3．2．3 叶片中类胡萝卜素含量的变异及与根类胡萝卜素含量相关性

3．2．4 各性状的QTL定位

3．3 讨论

第四章 类胡萝卜素合成调控候选基因的预测

4．1 材料与方法

4．1．1 数据来源

4．1．2 实验方法

4．2 结果与分析

4．2．1 候选基因筛选

4．2．2 系统进化树分析

4．2．3 ZEP序列分析

4．3 讨论

第五章 候选基因的表达分析

5．1 材料与方法

5．1．1 实验材料

5．1．2 实验方法

5．2 结果与分析

5．2．3 肉质根中类胡萝卜素合成路径基因的表达分析

5．2．4 基因表达水平与根中类胡萝卜素含量的相关性

5．3 讨论

第六章 全文结论

参考文献

附录

致谢

作者简历