【摘 要】
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谷子是我国重要杂粮作物之一,具备抗旱耐瘠、营养丰富而均衡等优良特性。衰老是植物重要发育阶段,过早启动叶片衰老进程会导致作物的产量及品质下降。本研究利用人工黑暗诱导衰老系统对398份中国谷子核心种质资源进行处理,并对处理前后的叶片进行SPAD值测定,通过全基因组关联分析挖掘与叶片衰老调控相关的候选基因,并对候选基因进行筛选和功能初步验证;同时对田间自然衰老条件下的代表性资源的生理生化水平、产量与品质
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（32170397）； 国家自然科学基金项目（31771810）； 国家自然科学基金项目（32070366）； 国家自然科学基金项目（U21A20216）； 山西省应用基础研究计划项目（20210302124367）；
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谷子是我国重要杂粮作物之一,具备抗旱耐瘠、营养丰富而均衡等优良特性。衰老是植物重要发育阶段,过早启动叶片衰老进程会导致作物的产量及品质下降。本研究利用人工黑暗诱导衰老系统对398份中国谷子核心种质资源进行处理,并对处理前后的叶片进行SPAD值测定,通过全基因组关联分析挖掘与叶片衰老调控相关的候选基因,并对候选基因进行筛选和功能初步验证;同时对田间自然衰老条件下的代表性资源的生理生化水平、产量与品质变化特征进行了分析。主要研究结果如下:1、以398份谷子种质资源为材料,通过测定黑暗诱导处理前后叶片的SPAD值计算叶绿素降解速率,其数据基本符合正态分布。结合高质量全基因组重测序数据,对叶绿素降解速率进行全基因组关联分析（GWAS）,共检测到36个与谷子叶片叶绿素降解速率显著关联的SNP位点。通过xiaomi的全基因组注释文件在LD衰退有效距离上下游各50 kb区域内进行候选基因定位,初步筛选获得10个候选基因。对候选基因进行功能注释,发现1个可能参与叶片衰老的基因Si7g24960,并对其进行单倍型分析,发现该基因有不同单倍型且不同单倍型之间差异显著。2、为进一步验证候选基因Si7g24960的功能,对该基因在拟南芥中直系同源基因的T-DNA插入突变体Atfbk进行功能初步鉴定。首先通过PCR和q RT-PCR鉴定筛选得到纯合突变株系。对其进行表型分析发现,与野生型相比,突变体Atfbk植株莲座叶和花器官较小,老叶黄化明显,出现早衰现象;经过暗处理后突变体表现为叶片衰老加速,并导致部分衰老标志基因表达上调,光合作用相关基因表达下调。3、以苗期黑暗诱导衰老处理筛选得到的衰老程度不同的代表性谷子品种为材料,对其在田间自然衰老过程中的表型、旗叶的生理生化水平、产量及品质变化特征进行分析。结果发现,代表性品种在田间自然衰老过程的叶片衰老程度与苗期黑暗诱导处理下的表现基本一致;轻度衰老品种的旗叶中SOD、POD、CAT活性显著高于重度衰老的谷子品种,MDA含量显著低于重度衰老谷子品种;产量和品质相关性状分析发现,与重度衰老品种相比,轻度衰老谷子品种的出谷率显著升高,同时其小米籽粒的淀粉糊化特性更好,蒸煮品质较优,蛋白质、脂肪、直链淀粉、氨基酸含量均较高。4、Si7g24960基因编码一个含有kelch重复基序的F-box蛋白,将其命名为Si FBK14。对Si FBK14所属的FBK基因家族进行鉴定及生物信息学分析,结果表明:谷子中一共鉴定到20个FBK基因家族成员,分布在除3号染色体以外的所有染色体上;系统进化树分析表明谷子FBK基因家族与水稻FBK基因家族亲缘关系更近;谷子FBK基因家族成员的启动子序列中主要有光响应元件和激素类响应元件;通过基因表达模式分析发现FBK基因家族成员的表达具有组织特异性。综上所述,本研究分析了谷子核心种质资源在苗期黑暗处理下的叶片衰老程度变化特征,利用全基因组关联分析初步鉴定了一个与谷子叶片衰老调控相关的候选基因。对不同衰老程度的代表性谷子品种的产量及品质相关性状分析发现叶片早衰对于谷子的产量及小米品质具有重要影响。结合候选基因Si FBK14在拟南芥中同源基因突变体的表型分析及其所在基因家族的生物信息学分析,推测其可能参与谷子叶片衰老的负调控,但其具体功能和衰老调控机制还有待进一步研究。
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