近日，華中農業大學園藝植物生物學教育部重點實驗室葉志彪教授團隊通過全基因組關聯分析（GWAS）對27個株型相關產量性狀進行了系統的高通量遺傳解析，揭示了番茄株型相關產量性狀的遺傳基礎，為番茄高產育種奠定了重要理論基礎。相關研究以“Genome-wide association study reveals the genetic architecture of 27 agronomic traits in tomato”為題，在線發表于Plant Physiology。
番茄是世界第一大種植和消費蔬菜，也是我國第一大設施蔬菜。近20年來，我國番茄種植面積趨于穩定，但是產量還是穩步提升，這主要是得益于番茄高產新品種和栽培新技術的廣泛推廣和應用。目前，與產量直接相關的性狀（如果實大小）已經得到了很好的研究，共有30多個果實大小QTL被鑒定。然而，其他與產量相關的性狀，如花序位置、花序結構和葉片氣孔密度等，也對番茄的產量至關重要。因此，了解這些產量相關性狀的遺傳結構可以為高產育種提供信息。
本研究首先收集了66份來自廣西西南部山區的番茄地方品種，并對其進行了重測序。這些地方品種果實小而紅，皮薄，具有寶貴的品質和抗性遺傳資源。群體遺傳學分析顯示廣西番茄和櫻桃番茄（S. lycopersicum var. Cerasiforme，CER）聚類到一起，正好將南美櫻桃番茄與非南美櫻桃番茄隔開。這個結果說明我國廣西番茄種質是番茄在野生番茄在南美經馴化后引入到我國，再經過獨立馴化而得到的新亞組，在基因組水平上有其特異性。利用該重測序數據，結合之前已報道的539份番茄種質的重測序數據，構建了改良的番茄單倍型圖譜，為番茄研究和育種提供了有價值的資源。對605份（66+539）番茄資源共27個產量相關性狀進行表型分析發現，這27個農藝性狀之間具有較強的表型相關性。利用高分辨率單倍型圖譜，我們對這27個性狀進行了GWAS，共鑒定到了129個QTL位點。進一步對這129個關聯顯著位點與番茄馴化改良過程中的受選擇位點進行比較發現，在番茄育種過程中，特別是改良過程中，共有25個產量相關性狀對應的51個信號位點受到人工選擇。本研究為番茄馴化改良過程中產量相關性狀的馴化提供了遺傳基礎，
對候選位點分析發現，除了一些功能已知的調控基因之外，我們還發現了很多可信度高的候選基因。例如，葉片氣孔密度的GWAS定位到一個編碼鋁活化蘋果酸轉運體的候選基因SlALMT15。利用CRISPR/cas9技術敲除SlALMT15不僅證實了其在氣孔形成中的作用，而且揭示了其在番茄干旱脅迫耐受中的重要作用。
本研究揭示了番茄重要產量相關性狀的遺傳和基因組基礎，為番茄的分子標記輔助育種和改良提供了豐富的信息。我校園藝林學學院葉杰副教授，王文乾博士后及康奈爾大學博士后王昕為論文并列第一作者，華中農業大學葉志彪教授和康奈爾大學費章軍教授為論文通訊作者。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金及華中農業大學高層次人才啟動費等項目資助。
【英文摘要】
Tomato （Solanum lycopersicum） is a highly valuable fruit crop, and yield is one of the most important agronomic traits. However, the genetic architecture underlying tomato yield-related traits has not been fully addressed. based on ～4.4 million single nucleotide polymorphisms obtained from 605 diverse accessions, we performed a comprehensive genome-wide association study for 27 agronomic traits in tomato. A total of 239 significant associations corresponding to 129 loci, harboring many previously reported and additional genes related to vegetative and reproductive development, were identified, and these loci explained an average of ～8.8% of the phenotypic variance. A total of 51 loci associated with 25 traits have been under selection during tomato domestication and improvement. Furthermore, a candidate gene, Sl-ACTIVATED MALATE TRANSPORTER15, that encodes an aluminum-activated malate transporter was functionally characterized and shown to act as a pivotal regulator of leaf stomata formation, thereby affecting photosynthesis and drought resistance. This study provides valuable information for tomato genetic research and breeding.
論文鏈接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiab230
日期：2021-06-18
番茄是世界第一大種植和消費蔬菜，也是我國第一大設施蔬菜。近20年來，我國番茄種植面積趨于穩定，但是產量還是穩步提升，這主要是得益于番茄高產新品種和栽培新技術的廣泛推廣和應用。目前，與產量直接相關的性狀（如果實大小）已經得到了很好的研究，共有30多個果實大小QTL被鑒定。然而，其他與產量相關的性狀，如花序位置、花序結構和葉片氣孔密度等，也對番茄的產量至關重要。因此，了解這些產量相關性狀的遺傳結構可以為高產育種提供信息。
本研究首先收集了66份來自廣西西南部山區的番茄地方品種，并對其進行了重測序。這些地方品種果實小而紅，皮薄，具有寶貴的品質和抗性遺傳資源。群體遺傳學分析顯示廣西番茄和櫻桃番茄（S. lycopersicum var. Cerasiforme，CER）聚類到一起，正好將南美櫻桃番茄與非南美櫻桃番茄隔開。這個結果說明我國廣西番茄種質是番茄在野生番茄在南美經馴化后引入到我國，再經過獨立馴化而得到的新亞組，在基因組水平上有其特異性。利用該重測序數據，結合之前已報道的539份番茄種質的重測序數據，構建了改良的番茄單倍型圖譜，為番茄研究和育種提供了有價值的資源。對605份（66+539）番茄資源共27個產量相關性狀進行表型分析發現，這27個農藝性狀之間具有較強的表型相關性。利用高分辨率單倍型圖譜，我們對這27個性狀進行了GWAS，共鑒定到了129個QTL位點。進一步對這129個關聯顯著位點與番茄馴化改良過程中的受選擇位點進行比較發現，在番茄育種過程中，特別是改良過程中，共有25個產量相關性狀對應的51個信號位點受到人工選擇。本研究為番茄馴化改良過程中產量相關性狀的馴化提供了遺傳基礎，
對候選位點分析發現，除了一些功能已知的調控基因之外，我們還發現了很多可信度高的候選基因。例如，葉片氣孔密度的GWAS定位到一個編碼鋁活化蘋果酸轉運體的候選基因SlALMT15。利用CRISPR/cas9技術敲除SlALMT15不僅證實了其在氣孔形成中的作用，而且揭示了其在番茄干旱脅迫耐受中的重要作用。
本研究揭示了番茄重要產量相關性狀的遺傳和基因組基礎，為番茄的分子標記輔助育種和改良提供了豐富的信息。我校園藝林學學院葉杰副教授，王文乾博士后及康奈爾大學博士后王昕為論文并列第一作者，華中農業大學葉志彪教授和康奈爾大學費章軍教授為論文通訊作者。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金及華中農業大學高層次人才啟動費等項目資助。
【英文摘要】
Tomato （Solanum lycopersicum） is a highly valuable fruit crop, and yield is one of the most important agronomic traits. However, the genetic architecture underlying tomato yield-related traits has not been fully addressed. based on ～4.4 million single nucleotide polymorphisms obtained from 605 diverse accessions, we performed a comprehensive genome-wide association study for 27 agronomic traits in tomato. A total of 239 significant associations corresponding to 129 loci, harboring many previously reported and additional genes related to vegetative and reproductive development, were identified, and these loci explained an average of ～8.8% of the phenotypic variance. A total of 51 loci associated with 25 traits have been under selection during tomato domestication and improvement. Furthermore, a candidate gene, Sl-ACTIVATED MALATE TRANSPORTER15, that encodes an aluminum-activated malate transporter was functionally characterized and shown to act as a pivotal regulator of leaf stomata formation, thereby affecting photosynthesis and drought resistance. This study provides valuable information for tomato genetic research and breeding.
論文鏈接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiab230
日期：2021-06-18
