花生高油酸性状遗传特征与表达调控网络研究

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花生(Arachis hypogaea L.)是我国重要油料与经济作物之一,为人们提供丰富的植物油和蛋白质。随着人民生活水平的不断提高,消费需求的多元化发展,高油酸花生已经成为世界花生产业发展的新趋势。然而,当前国内高油酸花生资源匮乏,优良品系较少,认识不足。因此,研究花生籽粒中油酸性状的遗传规律和油酸含量调控的分子机制,对选育高油酸花生优良新品种,大力发展高油酸花生产业,促进农业产业结构调整均具有十分重要的意义。本研究组配两种不同类型的杂交组合(1701组合:低油酸×高油酸;1702组合:高油酸×高油酸),对F2:3群体中油酸等品质性状进行遗传及相关分析;选取两个高油酸材料和两个低油酸材料分别进行转录组测序,研究油酸代谢相关的分子调控机制;初步建立基于发根农杆菌侵染转化毛状根的花生遗传转化体系。主要研究结果如下:1、3个油酸含量不同花生品种基因型检测。本研究对两个高油酸材料(豫花37、HY963)和1个低油酸材料白沙1016分别进行Ah FAD2A、Ah FAD2B基因型检测。结果显示,两个高油酸品系在Ah FAD2A基因448bp处发生G>A颠换,同时Ah FAD2B基因442bp存在碱基A(ins A)插入,而低油酸材料白沙1016均无上述序列变化。2、两类杂交组合构建及后代F2:3群体品质性状遗传变异和相关性分析。本研究用3个油酸不同花生品系组配2种杂交组合,分别为1701(白沙1016×HY963)组合,为低油酸×高油酸,1702(豫花37×HY963)组合则属于高油酸×高油酸。分析发现,在两个杂交组合F2:3群体中,油酸含量等品质性状变异幅度都比较大,其中以亚油酸变异系数最大。遗传分析表明,各品质性状均呈现连续变异,表现为数量性状,可能受微效多基因或主基因+微效多基因控制。进一步相关性分析发现,两个组合中油酸与亚油酸间相关性最强,均呈极显著负相关,相关系数分别为r=-0.996或r=-0.987。油酸与棕榈酸间呈极显著负相关,相关系数分别为r=-0.983或r=-0.816。此外发现,两个F2:3群体中品质性状出现超亲分离现象。如,在1702两个高油酸材料组合的F2:3群体中筛选出普通油酸表型个体,表明除Ah FAD2A和Ah FAD2B外可能还存在其它基因调控花生油酸含量。研究结果为挖掘其它油酸代谢调控基因奠定基础。3、对两个高油酸和两个普通油酸材料花后50天的种子进行转录组测序分析,共获得97.70Gb Clean Data,各样品Clean Data均达到6.94Gb,Q30碱基百分比在93.85%及以上。分别将各样品的Clean Reads与栽培种花生的参考基因组进行序列比对。通过进一步的分析,共得到636个差异表达基因。对所有的差异表达基因进行GO和KEGG富集分析,结果表明:在GO功能注释中,差异表达基因主要富集在生物学过程中的代谢过程,说明不同油酸含量的花生品系间籽粒物质代谢存在着较大的差异。KEGG代谢通路分析发现,多数基因富集在淀粉和蔗糖代谢、苯丙烷生物合成、氰基氨基酸代谢途径中;此外,与脂肪酸代谢直接相关通路,如不饱和脂肪酸的生物合成、α-亚麻酸代谢、脂肪酸降解和脂肪酸延长等通路也富集到较多基因,说明这些差异表达基因直接或间接的参与花生油酸的形成和代谢机制。进一步随机挑选13个基因进行了q RT-PCR验证,其基因表达与转录组数据分析结果一致。4、根据Ah FAD2A和Ah FAD2B基因高相似性的特点,设计了三个可以同时靶向Ah FAD2A和Ah FAD2B基因的sg RNA引物,通过酶切和同源重组的方法将sg RNA表达盒和Cas9基因连接在Ri质粒p GWB405上,成功构建了一个同时靶向三个位点的CRISPR/Cas9载体。将CRISPR/Cas9载体转化发根农杆菌K599后,侵染花生外植体并诱导毛状根的生长。通过GFP基因的PCR检测,鉴定到转基因阳性的毛状根,表明可通过毛状根进行花生的遗传转化。
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