草莓為什么這么甜?

中文題目 :草莓果實初級代謝物含量QTL定位和候選基因確定[5]

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

期刊:Horticulture Research

IF:3.368

代謝組學是目前用于作物改良的新興技術之一。它使人們對復雜的生物過程網絡有了一個全面的理解,這無疑有助于理解生物過程的復雜網絡,可持續加快作物生產。代謝組學優勢包括能夠研究整個代謝物譜的變化,了解不同代謝物的作用和調節,從而導致增產、非生物和生物脅迫耐性、抗病性、種子組成和風味豐富。

代謝物的改變同時也影響個體表型的變化,因此,代謝物可以當做一種“微觀”表型,并利用大量的分子標記對其進行QTL定位,我們稱之為mQTL(metabolome Quantitative Trait Locus,代謝數量性狀基因座)。

mQTL目前多應用于擬南芥、水稻、小麥、番茄[1-4]等蔬菜作物,近期圖譜君在碼文獻的時候發現一篇今年剛發表的多年生草本果樹mQTL案例,馬上就想跟大家分享一下,主要內容就是利用草莓種內構建F1群體結合初級代謝產物以及品質性狀的表型進行QTL和mQTL共定位,找到糖、酸和Vc候選基因。

 

研究背景

草莓是世界上最重要的軟果作物之一,其品質在很大程度上取決于果實的成熟過程。在果實發育過程中,花托在生長素的的刺激下經歷了分裂、膨脹和成熟階段,從而積累了糖、有機酸和揮發物。因此,成熟草莓因其獨特風味而受到高度重視,同時其也是糖、礦物質、維生素和抗氧化化合物的重要來源。

提高果實營養品質和感官品質是目前草莓育種計劃的一個重要目標,本研究利用F1群體研究草莓果實初級代謝相關代謝性狀的變異和遺傳控制。

材料與方法

材料:八倍體草莓,“232”和“1392”進行種內雜交得到F1群體,每個親本或F1分別種植6株(營養繁殖)

性狀:2年表型(2013和2014年),初級代謝產物、維生素(L-AA)和關鍵果實品質性狀(可溶性固形物SSC、可滴定酸TA以及PH)

表型測量:2013和2014年連續在春/秋中旬中同一天收獲熟果,每行收20-25個完全成熟的果實并混成3次生物學重復,用GC-MS檢測和半定量初級代謝產物

標記開發:DArT 測序開發的SNP和SSR標記,參考基因組為F. vesca v4.0.a1

圖譜構建及QTL定位:JoinMap 4.1和MapQTL 5.0的rMQM算法

表達分析:qRT-PCR(2個親本及10個子代)和RNA-seq(分別混合8個LAA高的個體和8個LAA低的個體,三次生物學重復)

代謝分析:雙親及F1群體果實中相對代謝物含量

結果與分析

1、表型分析

雖然利用Shapiro–Wilk 測驗,所有代謝產物的表型分布并不都是正態分布,但是其在子代群體均呈現連續變異,表明其為數量性狀。

2、代謝分析

對2013和2014年的層序聚類分析,發現F1群體變異范圍超過雙親,且分為近似相等的3大類,分別為糖及糖衍生物(A類)、氨基酸(B類)和多種化合物(C類)。并將2年的代謝數據進行了相關性分析,發現2年中2個季節的極顯著相關(P<0.05)

圖1、代謝分析結果

3、mQTL定位

得到含有2089個標記,33條連鎖群的遺傳圖譜,總長為2489 cM ,平均圖距為1.34cM,其中33條連鎖群對應草莓基因組的28條染色體。利用2007、2008和2009年的果實品質性狀(SSC、L-AA和TA和PH)和2年代謝表型均值進行QTL定位和mQTL定位。47個性狀定位到133個獨有的QTL位點。

圖2 QTL和mQTL定位結果

4、聯合分析

糖相關QTL和mQTL結果聯合分析,在LG V的13-26cM內找到同時控制蔗糖和棉子糖的位點(qSuc-V-4和 qRaf-V-4),位于草莓基因組chr5的1,822,882–7,927,246 bp,含有1097個基因。通過注釋發現,12個與糖的生物合成、代謝或運輸相關的基因。根據前人研究結果,選定7個基因用于qRT-PCR分析。qRT-PCR分析發現FvH4_5g03890基因表現出顯著差異。

酸相關QTL和mQTL結果聯合分析,在LG V的18.18-25.6cM內找到控制琥珀酸的QTL位點(qSa-V-4),通過注釋找到FvH4_5g09730基因,但其表達無差異。但由于與糖定位結果存在交集,有可能是一因多效。

圖3 表達分析結果

5、L-AA候選基因Mannose-6-P-isomerase

通過本實驗之前的研究定位結果和mQTL定位結果聯合,在LG V的38.6-48.8 cM上找到一個與L-AA相關的QTL位點qLAA-V-1,位于chr5的8,160,286-13,129,181 bp,含有732個基因,通過注釋找到2個相關基因FvH4_5g20650和FvH4_5g21090(Mannose-6-P-isomerase)。利用F1的2個混樣RNA結果驗證FvH4_5g21090(FaM6PI1)為候選基因,并利用qRT-PCR驗證進行了驗證。

圖4 表達分析結果

總結

本文利用F1群體構建遺傳圖譜,對50種初級代謝產物及主要果實品質性進行QTL和mQTL定位,聯合分析分別鎖定與控制糖、酸和L-AA相關的候選基因,然后利用RNA-seq和qRT-PCR進行候選基因的驗證。其實看起來也比較簡單,但是勝在表型的多樣化及多年數據,其實存在困難的地方在于群體的代謝物測量,還有可測量代謝物的種類,有些物質的標準品還是很難弄到的,本文只測量了初級代謝物,如果也能測量次級代謝物那就更好了,多維度考查表型,從而揭示某一個性狀的調控機制已成為目前主流手段。

 

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參考文獻:

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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