基于四個(gè)遺傳群體的西瓜整合圖譜 構(gòu)建及重要經(jīng)濟(jì)性狀QTL定位

任毅 張巖 宮國義 張海英 郭紹貴 孫宏賀 蔡萬濤 張潔 許勇

目的與意義：人們長期對于現(xiàn)代栽培西瓜優(yōu)良性狀的選育使得西瓜遺傳基礎(chǔ)變得狹隘。野生亞種是西瓜育種中優(yōu)異基因的重要來源，但將野生亞種中的優(yōu)良性狀基因轉(zhuǎn)入到現(xiàn)代栽培西瓜中的成功率很低。由于缺乏高質(zhì)量的遺傳圖譜致使分子標(biāo)記輔助選擇（MAS）在西瓜中的應(yīng)用尚未實(shí)現(xiàn)，難以在圖譜之間進(jìn)行整合和比較分析。本研究的目的是整合現(xiàn)有的利用單核苷酸多態(tài)性（SNP）和簡單重復(fù)序列（SSR）標(biāo)記構(gòu)建西瓜整合遺傳圖譜。

材料與方法：使用4種不同雜交組合的西瓜群體作為試驗(yàn)材料，其分別為栽培品種‘97103和野生種‘PI 296341-FR雜交產(chǎn)生的103株系重組自交系（RIL）F8群體，以及由北美栽培種‘ZWRM50和野生種‘244019（ZWRM × citron） 雜交產(chǎn)生182單株F2群體，164株系 [栽培種Klondike Black Seeded ×栽培種New Hampshire Midget（KBS × NHM）] RIL群體，還有187單株[栽培種Strain II ×半野生種PI 560023 （SII×egusi）] 的F2群體。通過將SNP標(biāo)記添加到bin來構(gòu)建整合圖譜。使用不同的計(jì)算機(jī)軟件來比較共線性數(shù)據(jù)、測量糖含量、計(jì)算遺傳力（h2）置信區(qū)間（CI）、分析性狀間的遺傳相關(guān)性、聯(lián)合分析單一環(huán)境和多環(huán)境互作效應(yīng)。

結(jié)果與分析：作者整合了SSR（簡單重復(fù)序列）標(biāo)記698個(gè)，InDel（插入缺失標(biāo)記）標(biāo)記219個(gè)， SV（結(jié)構(gòu)變異）標(biāo)記36個(gè)和SNP標(biāo)記386個(gè)來構(gòu)建整合圖譜。該圖譜包含1 339個(gè)標(biāo)記，跨越798 cM，平均標(biāo)記間隔為0.6 cM。西瓜基因組的大小為425 Mbp，此處的圖譜每個(gè)標(biāo)記有317 Kb的平均物理區(qū)間，使其成為迄今為止最飽和的西瓜數(shù)據(jù)圖譜。最大數(shù)量的標(biāo)記（159）位于第1號染色體上，其最長遺傳距離為115.4 cM，而第8號染色體僅有90個(gè)標(biāo)記，跨越29.2 cM，使其成為遺傳距離最小的染色體（圖1）。

在栽培種‘97103×野生種‘PI 296341-FR群體中總共繪制了386個(gè)SNP標(biāo)記。因?yàn)樵?個(gè)作圖群體中僅有45個(gè)共同的SNP標(biāo)記，作者選擇單獨(dú)的SNP圖譜與整合圖譜進(jìn)行共線性比較（圖2）。在KBS×NHM，SII×egusi和ZWRM50×citron中分別有216、203和200個(gè)共同標(biāo)記。對于與整合圖譜中共同的標(biāo)記，4個(gè)單獨(dú)的圖譜之間存在高度的標(biāo)記共線性。僅在第1號染色體上的50.7 cM至55.1 cM的區(qū)域中，栽培種‘97103×野生種‘PI 296341-FR圖譜和其他3個(gè)圖譜之間的標(biāo)記順序相反。然而，這 3個(gè)SNP圖譜在第1號染色體區(qū)域中具有高度的標(biāo)記共線性，因此，這可能是由于遺傳定位過程中計(jì)算方法的不同。標(biāo)記順序良好的共線性表明在西瓜的馴化過程中沒有發(fā)生染色體重排。

在栽培種×野生種（97103×PI 296341-FR）RIL群體中檢測到9個(gè)明顯的偏分離熱點(diǎn)區(qū)域（SDR）。在‘ZWRM50（栽培種）בPI 244019（野生種）F2群體中，檢測到5個(gè)SDR（p <0.001）。雖然2個(gè)群體在第1、第2、第5號染色體和第10號上都有SDR，但它們位于染色體的不同區(qū)域。第10號染色體上的標(biāo)記在2個(gè)群體中都偏向野生種親本（‘PI 296341-FR和‘PI 244019），而第5號染色體上的標(biāo)記在2個(gè)群體中偏向栽培種親本（‘97103和‘ZWRM50）。然而，第1、第2號染色體和11號染色體上的標(biāo)記在2個(gè)群體中偏向不同類型的親本。在第10號染色體上偏向于野生種親本，這可能會阻礙西瓜繁殖過程中經(jīng)濟(jì)性狀種等位基因的轉(zhuǎn)移。在栽培種‘97103×野生種‘PI 296341-FR RIL群體中檢測到的相對較多的基因組向栽培種親本偏分離。

栽培種 ‘97103 各糖分含量均比 ‘PI 296341-FR高，在RIL群體中，蔗糖、葡萄糖和果糖含量均有超親遺傳存在，RIL群體中糖分含量均有傾向于‘PI 296341-FR，蔗糖含量在RIL群體中含量顯著低于親本‘97103，可能的原因是在RIL群體中蔗糖均被轉(zhuǎn)化酶分解成果糖和葡萄糖，從而導(dǎo)致了RIL群體表現(xiàn)出果糖積累型。多年多點(diǎn)的種植并鑒定含糖量發(fā)現(xiàn)，果糖和葡萄糖及可溶性固形物含量的遺傳力均高于85%，而蔗糖含量的遺傳力只有65%，也表明RIL群體中蔗糖的含量受到轉(zhuǎn)化酶的影響。

將所有QTL整合到整合圖譜上可以更精細(xì)地比較不同群體中定位的QTL位置，并使用標(biāo)記的物理圖譜位置來鑒定特定性狀的候選基因。除了比較QTL在不同群體中位置之外，整合圖譜還可用于鑒定重要染色體區(qū)域中潛在的多態(tài)性標(biāo)記。在第2號染色體上檢測到12個(gè)對應(yīng)于6個(gè)果實(shí)性狀的QTL，分別為可溶性固形物（Brix）、果實(shí)長度（FL）、果實(shí)寬度（FWD）、果實(shí)質(zhì)量（FWT），果皮厚度（RTH）和果形指數(shù)（FSI）。果實(shí)大小和果實(shí)含糖量QTL共定位的一個(gè)可能解釋是：果實(shí)成熟是一個(gè)復(fù)雜因素，特別是在果實(shí)成熟時(shí)期廣泛分離的群體中。然而，果實(shí)成熟是否在果實(shí)糖含量和果實(shí)大小QTL的共定位中發(fā)揮作用仍有待研究。

結(jié)? ? 論：利用西瓜4個(gè)親本（包含3個(gè)亞種）的遺傳圖構(gòu)建了1張整合圖譜，該整合圖譜共計(jì)包含 SSR 標(biāo)記689個(gè)，InDel標(biāo)記219個(gè)，SNP標(biāo)記386個(gè)，SV標(biāo)記36個(gè)，共計(jì)1 339個(gè)，遺傳距離798 cM，平均標(biāo)記間距 0.6 cM。58個(gè)已經(jīng)發(fā)表的QTL和12個(gè)新發(fā)現(xiàn)的QTL已經(jīng)整合到整合圖譜，其中，新發(fā)現(xiàn)的QTL包括西瓜可溶性固形物含量（Brix），果糖（Fru）、蔗糖（Suc）和葡萄糖（Glu）含量QTL。通過整合圖譜將西瓜可溶性固形物含量主效QTL（Brix）定位于 chr2（QBRIX2-1、QBRIX2-2 及QBRIX2-3），這3個(gè)主效QTL均與果糖含量 QTL（QFRU2-1、QFRU2-2 和 QFRU2-3）重合。其中2 個(gè)QTL（QBRIX2-1 和 QBRIX2-3）與蔗糖含量 QTL（QSUC2-1 和QSUC2-2）重合。通過整合比較分析不同群體下定位的含糖類 QTL 發(fā)現(xiàn) QBRIX2-1、QBRIX2-2 及QBRIX2-3 均能在不同遺傳背景下被檢測到，且位于整合圖的同一區(qū)間，表明這些QTL能夠解釋廣泛背景下的遺傳變異。