西瓜果實長圓的遺傳及候選基因定位

豆峻嶺 趙勝杰 路緒強 何楠 張磊 匡漢暉 劉文革

目的與意義：果實形狀作為一個非常重要的農藝性狀，在許多作物中已經有了非常深入的研究，同時也獲得了許多控制果實形狀的候選基因。隨著2012年西瓜全基因組測序的完成，西瓜分子生物學的研究得到了快速發展，目前關于西瓜遺傳圖譜的報道有很多，根據遺傳圖譜也得到了許多性狀的QTLs，尤其是西瓜果實的長度、寬度、果形指數等。然而目前還沒有關于西瓜果實形狀候選基因定位的報道。因此筆者通過配制雜交組合，解析西瓜果實形狀的遺傳模式，同時利用現代分子生物學手段，希望能夠獲得控制西瓜果實形狀的候選基因。

材料與方法：以長果西瓜自交系‘短125（P1）和圓果西瓜自交系‘鄭州籽瓜（P2）為親本雜交配制F1，F1自交配制F2分離群體，F1分別和P1、P2回交配制回交群體BC1P1、BC1P2。采用BSA（混合群體分離分析）測序法從F2分離群體中分別選取長瓜30株、圓瓜30株，分別采取葉片提取DNA，然后分別將長瓜和圓瓜DNA等量混合，送公司進行全基因組重測序。結合GWAS（全基因組關聯分析）分析得到控制西瓜果實形狀的候選區間。之后通過分析候選區間內的SNPs，開發出298個CAPS標記，根據這些標記對430株F2分離群體進行酶切檢測，篩選重組單株，從而縮小候選區間。最終通過實時熒光定量PCR技術對候選基因在不同發育時期不同組織器官中進行實時熒光定量PCR分析。

結果與分析：（1）通過對西瓜果實形狀六世代群體的遺傳分析，西瓜果實長圓為單基因不完全顯性遺傳，其中果實長為顯性純合（OO），果實圓為隱性純合（oo），而果實橢圓為雜合（Oo）。同時對兩親本發育過程果形指數進行測定，結果發現，授粉當天果形指數最大，長瓜達到3.15，圓瓜達到1.43。而隨著果實的發育，長瓜最終維持在1.83左右，而圓瓜維持在1.02左右。（2）通過BSA和GWAS相結合的方法，西瓜果實形狀被定位在3號染色體23.52～28.83 Mb的區間內。進一步通過CAPS標記進行精細定位，最終候選基因被定位到3號染色體26.817～26.863 Mb的區間內（原圖4）。比對參考基因組中該區間內的功能基因，最終發現在該區間只有4個功能基因，分別擴增這4個基因，最終發現Cla011257在長瓜中有1個159 bp缺失，而該缺失造成了53個氨基酸缺失。繼續比對2個參考基因組中該基因的差異，也發現在‘Charleston Gray（長瓜）參考基因組中有1個159 bp缺失，而在‘97103（圓瓜）參考基因組中則沒有該缺失。因此推測Cla011257為控制西瓜果實長圓的候選基因。根據該缺失片段，開發出一個indel標記，將該標記在100份西瓜種質資源中檢測發現該標記和西瓜果實形狀緊密連鎖（原圖5）。通過蛋白功能預測發現該基因編碼IQD蛋白。（3）將花期的根、莖、葉、花以及不同發育時期的子房、果皮、果肉進行候選基因的實時熒光定量分析，最終發現在授粉當天該基因有最高表達量，這也解釋了授粉當天果形指數有最大值的原因，子房的形狀也決定了成熟后果實的形狀。

結? ? 論：本研究首先明確了西瓜果實形狀的遺傳為單基因不完全顯性遺傳，即純合顯性（OO）為長果，雜合（Oo）為橢圓果，純合隱性（oo）為圓果。通過BSA測序和GWAS重測序相結合的方法將控制西瓜果實形狀的基因定位于3號染色體26.817～26.863 Mb的區域內，通過深入研究，最終確定Cla011257基因在長果西瓜中有1個159 bp缺失，造成了53個氨基酸缺失;而在圓瓜中無該缺失。進一步分析發現該基因為IQD蛋白家族成員。