专题——黄瓜分子生物学
【目的】挖掘与黄瓜幼苗下胚轴长度显著相关的SNP位点及候选基因,为揭示下胚轴长度的遗传基础和分子机制提供理论依据,为短下胚轴分子标记辅助选择育种奠定基础。【方法】以95份黄瓜核心种质为试验材料,分别于2016年春季、2017年春季、2017年秋季和2018年春季在中国农业科学院南口试验基地塑料大棚进行种植,在两叶一心期调查黄瓜幼苗的下胚轴长度;利用Structure 2.3.4软件分析群体结构,Haploview 软件分析连锁不平衡的衰减;基于最优模型对下胚轴长度进行全基因组关联分析（GWAS）,依据关联SNP位点的LD区间序列,预测与下胚轴长度相关的重要关联候选基因,并利用荧光定量PCR对预测基因进行表达模式分析。【结果】共检测到8个显著关联的位点（Hl1.1、Hl1.2、Hl2.1、Hl3.1、Hl3.2、Hl4.1、Hl5.1、Hl6.1）,分别位于1、2、3、4、5、6号染色体,其中,Hl2.1、Hl3.1、Hl3.2、Hl5.1、Hl6.1等5个位点被重复检测到两次以上。通过分析关联SNP位点的LD区间序列,获得Csa1G074930、Csa1G475980、Csa2G381650、Csa3G141820、Csa4G051570、Csa3G627150、Csa5G174640、Csa6G362970 8个与黄瓜下胚轴长度有关的候选基因,其中既有光形态建成、泛素化、激素信号通路等调控基因,也有调控网络下游参与细胞生长发育,调节细胞大小,直接调控黄瓜下胚轴长度的基因。多基因在不同黄瓜材料中的有机分布,形成了具有不同下胚轴长度的黄瓜种质。基因表达分析显示Csa1G074930、Csa1G475980、Csa2G381650、Csa4G051570、Csa5G174640在短下胚轴材料中高表达。Csa3G141820、Csa3G627150在长下胚轴材料中高表达。【结论】检测到Hl1.1、Hl1.2、Hl2.1、Hl3.1、Hl3.2、Hl4.1、Hl5.1、Hl6.1等8个与黄瓜下胚轴长度密切关联的SNP位点,挖掘到Csa1G074930、Csa1G475980、Csa2G381650、Csa3G141820、Csa4G051570、Csa3G627150、Csa5G174640、Csa6G362970等8个调控下胚轴长度的候选基因。
【目的】通过以黄瓜9930_V2版本基因组为参照进行生物信息学分析,对ERF基因家族在基因组中的数量、结构以及表达特征进行分析,为研究ERF转录因子在黄瓜雌花分化与发育中的作用提供数据支持。【方法】根据已报道的拟南芥ERF,利用黄瓜基因组数据库中9930_V2版本基因组进行BLAST比对,通过MEGA、MEME、TBtools、ExPASy等工具进行生物信息学分析。采用qRT-PCR方法检测不同性型黄瓜材料、雌花发育初期不同阶段中ERF基因家族成员的表达水平。采用酵母单杂交方法验证家族成员与乙烯响应元件GCC-box的互作。【结果】从黄瓜材料9930基因组中鉴定得到138个ERF基因家族成员,共分为10个亚族,编码氨基酸长度介于126—745。按照基因家族成员在染色体上的位置分布,将其命名为CsERF1-CsERF138。多序列比对和motif分析结果表明,黄瓜ERF基因家族均具有AP2/ERF结构域,其中4个成员具有B3结构域。表达分析结果显示,在不同性型材料中共有19个ERF家族成员差异表达,其中9个在FFMMAA基因型中高表达,10个在ffMMAA基因型中高表达。通过雌花芽发育初期ERF家族成员的表达趋势分析,发现31个ERF随子房发育表达上调,30个表达下调。初步证明CsERF9和CsERF31具有结合GCC-box元件的功能。【结论】从黄瓜基因组中鉴定出138个ERF基因家族成员,均拥有1个或多个AP2/ERF结构域;其中部分成员在不同性型材料中差异表达,并可能参与雌花分化初期的基因表达调控;部分成员具有结合保守元件GCC-box调控下游基因表达的功能。
【目的】AtRPL是拟南芥果实发育调控网络中的重要基因,参与胎座框的形成。同源克隆黄瓜的RPL,进行表达模式分析,在拟南芥中异源过表达CsRPL,探究CsRPL的生物学功能。【方法】根据拟南芥AtRPL信息在黄瓜基因组数据库中比对,克隆得到黄瓜CsRPL;利用MEGA5.2对CsRPL与其他物种同源蛋白进行氨基酸序列比对;利用实时荧光定量PCR（qRT-PCR）及原位杂交技术检测CsRPL在黄瓜中的表达模式;在拟南芥中异源表达CsRPL,并对转基因植株进行表达和表型分析。【结果】在黄瓜中存在两个RPL,分别命名为CsRPL1和CsRPL2,均含有BELL-Domain、Homeodomain保守域和两个EAR-Motif。CsRPL1在黄瓜各个部位均有表达,在开放的雄花中表达量最高,且在果实生长前期,其表达量随着果实的发育逐渐降低;CsRPL2在黄瓜各部位表达量均显著低于CsRPL1。原位杂交显示CsRPL1/2在黄瓜果实的胎座框中表达,且杂交信号在茎尖分生组织（SAM）的Central zone（CZ）区域富集。拟南芥异源过表达CsRPL1/2转基因植株的果荚变短,花粉育性降低,且种子发育受到抑制。【结论】CsRPL1/2参与生殖器官的发育,且可能存在功能冗余,在正常生长条件下,CsRPL1优先发挥功能。相比于AtRPL,CsRPL1/2的功能并不完全保守。
【目的】单性结实性是影响设施黄瓜产量和品质的重要性状。深入解析黄瓜单性结实性状遗传规律并对其进行QTL定位,有助于提高设施专用黄瓜品种育种效率。【方法】以强单性结实自交系‘6457’和弱单性结实自交系‘6426’构建的重组自交系F2:8为材料,基于3年表型数据,采用黄瓜基因组测序SSR分子标记构建黄瓜遗传连锁图谱,结合QTL-Seq分析,对黄瓜单性结实性进行QTL定位。【结果】黄瓜单性结实性状符合数量遗传特征。利用SSR标记构建了1张包含11个连锁群的遗传图谱,覆盖基因组555.0 cM,平均图距为6.8 cM。2016—2018年春季在3号染色体上均检测到1个与黄瓜单性结实性相关的QTL位点,位于标记SSR19430和SSR15419之间（3.33—5.57 Mb）,遗传距离6.6 cM,贡献率分别为11%、12.5%和6.3%。进一步进行QTL-Seq分析,发现4个与黄瓜单性结实性相关的QTL,分别位于1号（4.38—11.00 Mb）、3号（2.24—10.66 Mb）、6号（15.67—17.93 Mb,26.33—27.49 Mb）染色体上。其中在3号染色体上检测到的QTL与Map QTL所得的QTL区间重叠。推测Csa3G047740、Csa3G073810、Csa3G043910和Csa6G362930为与黄瓜单性结实性状相关的候选基因。【结论】分别在1、3、6号染色体上检测到4个与黄瓜单性结实性相关的QTL位点,其中3号染色体上的QTL年度间稳定,贡献率较高。
【目的】白粉病是危害黄瓜产量、品质的最严重的病害之一,抗白粉病材料的发掘与研究,可以实现从根本上解决病害问题。对获得的‘长春密刺’突变体材料进行分析,旨在筛选出黄瓜抗白粉病突变体材料,丰富育种群体。【方法】对400份‘长春密刺’突变体材料进行苗期接种白粉病菌试验,通过叶片病斑观察结合病情指数分析,初步筛选出抗病材料,将筛选出的抗病材料在大田环境下自然发病进一步观察表型。对初步筛选出的抗病材料进行苗期生理鉴定,测定并分析超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶活性以及叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素、可溶性蛋白含量等生理指标,通过田间自然发病进一步筛选抗病材料,并测定其蒸腾速率、胞间二氧化碳浓度、气孔导度、净光合速率等光合作用指标及乙烯、茉莉酸、水杨酸激素含量,并通过荧光定量PCR分析叶片中乙烯、茉莉酸、水杨酸、木质素、病程相关蛋白等防御信号途径中相关基因的表达。【结果】与感病材料相比,抗病材料的表面菌斑少,净光合速率、气孔导度都优于对照‘长春密刺’,胞间CO2浓度低于‘长春密刺’。在防御激素方面,抗病材料的乙烯、茉莉酸、水杨酸含量同样优于感病材料,而在成熟期叶片的防御信号途径相关基因表达上,抗病材料的表达高于感病材料。通过苗期接种白粉病菌和田间自然发病综合筛选出了两份抗白粉病突变体材料：Mu-86-2、Mu-58-9。【结论】通过对突变体库的筛选可以获得抗白粉病新材料,这些材料的获得对黄瓜抗白粉病的遗传研究和新品种培育具有重要价值。
