草莓为什么这么甜?

中文题目 :草莓果实初级代谢物含量QTL定位和候选基因确定[5]

英文题目:Identification of quantitative trait loci and candidate genes for primary metabolite content in strawberry fruit

期刊:Horticulture Research

IF:3.368

代谢组学是目前用于作物改良的新兴技术之一。它使人们对复杂的生物过程网络有了一个全面的理解,这无疑有助于理解生物过程的复杂网络,可持续加快作物生产。代谢组学优势包括能够研究整个代谢物谱的变化,了解不同代谢物的作用和调节,从而导致增产、非生物和生物胁迫耐性、抗病性、种子组成和风味丰富。

代谢物的改变同时也影响个体表型的变化,因此,代谢物可以当做一种“微观”表型,并利用大量的分子标记对其进行QTL定位,我们称之为mQTL(metabolome Quantitative Trait Locus,代谢数量性状基因座)。

mQTL目前多应用于拟南芥、水稻、小麦、番茄[1-4]等蔬菜作物,近期图谱君在码文献的时候发现一篇今年刚发表的多年生草本果树mQTL案例,马上就想跟大家分享一下,主要内容就是利用草莓种内构建F1群体结合初级代谢产物以及品质性状的表型进行QTL和mQTL共定位,找到糖、酸和Vc候选基因。

 

研究背景

草莓是世界上最重要的软果作物之一,其品质在很大程度上取决于果实的成熟过程。在果实发育过程中,花托在生长素的的刺激下经历了分裂、膨胀和成熟阶段,从而积累了糖、有机酸和挥发物。因此,成熟草莓因其独特风味而受到高度重视,同时其也是糖、矿物质、维生素和抗氧化化合物的重要来源。

提高果实营养品质和感官品质是目前草莓育种计划的一个重要目标,本研究利用F1群体研究草莓果实初级代谢相关代谢性状的变异和遗传控制。

材料与方法

材料:八倍体草莓,“232”和“1392”进行种内杂交得到F1群体,每个亲本或F1分别种植6株(营养繁殖)

性状:2年表型(2013和2014年),初级代谢产物、维生素(L-AA)和关键果实品质性状(可溶性固形物SSC、可滴定酸TA以及PH)

表型测量:2013和2014年连续在春/秋中旬中同一天收获熟果,每行收20-25个完全成熟的果实并混成3次生物学重复,用GC-MS检测和半定量初级代谢产物

标记开发:DArT 测序开发的SNP和SSR标记,参考基因组为F. vesca v4.0.a1

图谱构建及QTL定位:JoinMap 4.1和MapQTL 5.0的rMQM算法

表达分析:qRT-PCR(2个亲本及10个子代)和RNA-seq(分别混合8个LAA高的个体和8个LAA低的个体,三次生物学重复)

代谢分析:双亲及F1群体果实中相对代谢物含量

结果与分析

1、表型分析

虽然利用Shapiro–Wilk 测验,所有代谢产物的表型分布并不都是正态分布,但是其在子代群体均呈现连续变异,表明其为数量性状。

2、代谢分析

对2013和2014年的层序聚类分析,发现F1群体变异范围超过双亲,且分为近似相等的3大类,分别为糖及糖衍生物(A类)、氨基酸(B类)和多种化合物(C类)。并将2年的代谢数据进行了相关性分析,发现2年中2个季节的极显著相关(P<0.05)

图1、代谢分析结果

3、mQTL定位

得到含有2089个标记,33条连锁群的遗传图谱,总长为2489 cM ,平均图距为1.34cM,其中33条连锁群对应草莓基因组的28条染色体。利用2007、2008和2009年的果实品质性状(SSC、L-AA和TA和PH)和2年代谢表型均值进行QTL定位和mQTL定位。47个性状定位到133个独有的QTL位点。

图2 QTL和mQTL定位结果

4、联合分析

糖相关QTL和mQTL结果联合分析,在LG V的13-26cM内找到同时控制蔗糖和棉子糖的位点(qSuc-V-4和 qRaf-V-4),位于草莓基因组chr5的1,822,882–7,927,246 bp,含有1097个基因。通过注释发现,12个与糖的生物合成、代谢或运输相关的基因。根据前人研究结果,选定7个基因用于qRT-PCR分析。qRT-PCR分析发现FvH4_5g03890基因表现出显著差异。

酸相关QTL和mQTL结果联合分析,在LG V的18.18-25.6cM内找到控制琥珀酸的QTL位点(qSa-V-4),通过注释找到FvH4_5g09730基因,但其表达无差异。但由于与糖定位结果存在交集,有可能是一因多效。

图3 表达分析结果

5、L-AA候选基因Mannose-6-P-isomerase

通过本实验之前的研究定位结果和mQTL定位结果联合,在LG V的38.6-48.8 cM上找到一个与L-AA相关的QTL位点qLAA-V-1,位于chr5的8,160,286-13,129,181 bp,含有732个基因,通过注释找到2个相关基因FvH4_5g20650和FvH4_5g21090(Mannose-6-P-isomerase)。利用F1的2个混样RNA结果验证FvH4_5g21090(FaM6PI1)为候选基因,并利用qRT-PCR验证进行了验证。

图4 表达分析结果

总结

本文利用F1群体构建遗传图谱,对50种初级代谢产物及主要果实品质性进行QTL和mQTL定位,联合分析分别锁定与控制糖、酸和L-AA相关的候选基因,然后利用RNA-seq和qRT-PCR进行候选基因的验证。其实看起来也比较简单,但是胜在表型的多样化及多年数据,其实存在困难的地方在于群体的代谢物测量,还有可测量代谢物的种类,有些物质的标准品还是很难弄到的,本文只测量了初级代谢物,如果也能测量次级代谢物那就更好了,多维度考查表型,从而揭示某一个性状的调控机制已成为目前主流手段。

 

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参考文献:

1. Lisec J , Meyer R C , Steinfath M , et al. Identification of metabolic and biomass QTL in Arabidopsis thaliana, in a parallel analysis of RIL and IL populations[J]. Plant Journal, 2007, 53(6):960-972.

2. Matsuda F , Okazaki Y , Oikawa A , et al. Dissection of genotype–phenotype associations in rice grains using metabolome quantitative trait loci analysis[J]. The Plant journal : for cell and molecular biology, 2012, 70(4):624-636.

3.Detection of QTL for metabolic and agronomic traits in wheat with adjustments for variation at genetic loci that affect plant phenology[J]. Plant Science, 2015, 233:143-154.

4.Tieman D, Zhu G, Resende M F R, et al. A chemical genetic roadmap to improved tomato flavor[J]. Science, 2017, 355(6323): 391-394.

5.Vallarino J G, Pott D M, Cruz-Rus E,et al. Identification of quantitative trait loci and candidate genes for primary metabolite content in strawberry fruit[J].Horticulture Research,2019,6:4 

doi: 10.1038/s41438-018-0077-3

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