光皮树优树群体遗传变异分析及核心种质构建

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光皮树(Cornus wilsoniana Wanger)为山茱萸科梾木属植物,是我国重要的木本油料植物资源,具有较大的产业化开发前景。其一直处于野生或半人工栽培状态,有关全国分布区范围内种质资源收集及遗传多样性评价、分子水平上果实发育及脂肪酸积累等缺乏系统而深入研究,严重影响光皮树遗传改良和产业化进程。本研究从全国8个省区的60个县(区)调查收集了光皮树优树种质516份,并建立了种质资源库,并以此为材料,开展了光皮树优树群体果实和油脂性状的表型变异、优树无性系光合生理指标变异、果实不同发育时期油脂相关基因表达、EST-SSR分子标记开发以及群体遗传多样性等研究。在此基础上开展了光皮树核心种质构建及分子鉴别等,为我国光皮树种质资源评价和遗传育种提供理论依据。主要研究结果如下:(1)收集中国光皮树分布区内优树种质并建立了种质资源库。通过踏查和优树选择,分别从8个省(直辖市、自治区)的60个县(区)收集了光皮树种质资源共516份,其中湖南171份;重庆108份,广东60份,广西50份,湖北46份,江西42份,福建24份,贵州15份。在湖南林科院林场及湖南龙山县建立了种质资源库。(2)解析了光皮树优树群体果实性状表型变异特点。结果表明优树群体的鲜果千粒重、鲜果直径、种子千粒重、果实含油率等均呈现极显著差异,种子直径呈现显著差异。平均鲜果千粒重为143.89 g,变异系数为22.24%;平均鲜果直径为0.65 cm,变异系数为11.76%;平均种子千粒重为71.77 g,变异系数为37.16%;平均种子直径为0.48 cm,变异系数为11.38%;果实平均含油率为25.61%,变异系数为16.14%。(3)揭示了光皮树优树无性系叶片形态和光合生理存在显著差异。对22株优树无性系叶片形态指标的分析显示,不同优树间叶片长度、宽度、长/宽比、叶面积等指标存在差异,以叶面积变异最为显著。光合-光响应曲线拟合结果表明,不同优树间叶片最大净光合速率、表观量子效率和暗呼吸速率均有显著差异,最大净光合速率均值为10.61μmol·m-2s-1,变异系数10.60%;表观量子效率均值为0.034μmol·mol-1,变异系数18.00%;暗呼吸速率均值为1.32μmol·m-2s-1,变异系数21.50%。(4)证明了光皮树不同群体优树果实脂肪酸含量存在显著差异。研究表明,不同产地间的光皮树优树果实脂肪酸含量差异显著,亚油酸、油酸、花生酸均值含量平均分别为38.93%、33.55%、1.32%;不同产地间优树果实的亚麻酸含量差异较大,变异系数为73.09%,棕榈酸的含量相对差异较小,变异系数为13.76%。(5)剖析了光皮树果实发育过程中油脂合成相关基因及表达特征。基于RNA-Seq技术对光皮树果胚发育初期(T1)、果实油脂形成初期(T2)、果实生长高峰期(T3)和果实成熟期(T4)等不同发育阶段的果实进行了转录组分析。发现在果胚发育初期-果实油脂形成初期为果实生长发育阶段,油脂合成相关基因表达差异不明显;果实油脂形成初期至果实生长高峰期阶段为油脂开始合成阶段,油脂合成相关差异基因ACAA、KAS II、FAD2和AAD等全部上调表达;果实生长高峰期到成熟期为油脂大量积累阶段,脂肪酸合成、延长和去饱和途径有相关的MAT、KAR、HAD、EAR、KAS II、KCS、FATA、FAD2、ACSL、PP、PDAT1、MAGL及FAD2等基因显著上调。(6)基于EST-SSR分子标记构建了光皮树核心种质。利用光皮树果实转录组测序数据,开发了200对EST-SSR引物;从中筛选出29对多态性好、稳定性高的有效EST-SSR引物,用于224份光皮树优树扩增;共扩增出362个多态位点,平均等位变异数高达12.48,其中有133个特有多态位点,占36.74%,湖南群体特有多态位点数量最多。优树群体平均遗传杂合度为0.5395,群体遗传多样性水平相对较高;AMOVA分析解释群体间遗传变异占12%。依据种质资源种群遗传结构分类结果、亲缘关系聚类和特有EST-SSR多态位点及其比例等取样策略,按30%抽样比例,构建了光皮树63份核心种质,包括来自广东9株、广西3株、贵州4株、湖北5株、湖南25株、江西4株和重庆13株优树;其多样性参数与原优树群体无显著差异。(7)建立了63份光皮树核心种质的分子指纹图谱和二维码鉴别系统。基于29对EST-SSR引物可区分出63份种质。利用可区分的63份光皮树种质在29个EST-SSR位点上的指纹代码,建立了核心种质分子身份证,并在QR编码器中生成二维码。研究表明:光皮树种质资源丰富,在鲜果千粒重、鲜果直径、种子千粒重、果实含油率等性状上均呈现极显著差异;在种子直径、果实脂肪酸含量、叶片形态和光合生理等性状呈现显著差异;光皮树优树群体遗传多样性水平相对较高,遗传变异丰富;利用光皮树果实转录组测序数据开发的EST-SSR引物,扩增出的多态位点丰富,并且特有多态位点占比高,以其为基础建立的光皮树核心种质,其多样性参数与原优树群体无显著差异,能较好保留原有种质资源多样性。本研究为今后光皮树种质资源的收集、鉴定、保存和研究利用提供了基础和科学依据。
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