基于四个遗传群体的西瓜整合图谱 构建及重要经济性状QTL定位

    任毅 张岩 宫国义 张海英 郭绍贵 孙宏贺 蔡万涛 张洁 许勇

    目的与意义：人们长期对于现代栽培西瓜优良性状的选育使得西瓜遗传基础变得狭隘。野生亚种是西瓜育种中优异基因的重要来源，但将野生亚种中的优良性状基因转入到现代栽培西瓜中的成功率很低。由于缺乏高质量的遗传图谱致使分子标记辅助选择（MAS）在西瓜中的应用尚未实现，难以在图谱之间进行整合和比较分析。本研究的目的是整合现有的利用单核苷酸多态性（SNP）和简单重复序列（SSR）标记构建西瓜整合遗传图谱。

    材料与方法：使用4种不同杂交组合的西瓜群体作为试验材料，其分别为栽培品种‘97103和野生种‘PI 296341-FR杂交产生的103株系重组自交系（RIL）F8群体，以及由北美栽培种‘ZWRM50和野生种‘244019（ZWRM × citron） 杂交产生182单株F2群体，164株系 [栽培种Klondike Black Seeded ×栽培种New Hampshire Midget（KBS × NHM）] RIL群体，还有187单株[栽培种Strain II ×半野生种PI 560023 （SII×egusi）] 的F2群体。通过将SNP标记添加到bin来构建整合图谱。使用不同的计算机软件来比较共线性数据、测量糖含量、计算遗传力（h2）置信区间（CI）、分析性状间的遗传相关性、联合分析单一环境和多环境互作效应。

    结果与分析：作者整合了SSR（简单重复序列）标记698个，InDel（插入缺失标记）标记219个， SV（结构变异）标记36个和SNP标记386个来构建整合图谱。该图谱包含1 339个标记，跨越798 cM，平均标记间隔为0.6 cM。西瓜基因组的大小为425 Mbp，此处的图谱每个标记有317 Kb的平均物理区间，使其成为迄今为止最饱和的西瓜数据图谱。最大数量的标记（159）位于第1号染色体上，其最长遗传距离为115.4 cM，而第8号染色体仅有90个标记，跨越29.2 cM，使其成为遗传距离最小的染色体（图1）。

    在栽培种‘97103×野生种‘PI 296341-FR群体中总共绘制了386个SNP标记。因为在4个作图群体中仅有45个共同的SNP标记，作者选择单独的SNP图谱与整合图谱进行共线性比较（图2）。在KBS×NHM，SII×egusi和ZWRM50×citron中分别有216、203和200个共同标记。对于与整合图谱中共同的标记，4个单独的图谱之间存在高度的标记共线性。仅在第1号染色体上的50.7 cM至55.1 cM的区域中，栽培种‘97103×野生种‘PI 296341-FR图谱和其他3个图谱之间的标记顺序相反。然而，这 3个SNP图谱在第1号染色体区域中具有高度的标记共线性，因此，这可能是由于遗传定位过程中计算方法的不同。标记顺序良好的共线性表明在西瓜的驯化过程中没有发生染色体重排。

    在栽培种×野生种（97103×PI 296341-FR）RIL群体中检测到9个明显的偏分离热点区域（SDR）。在‘ZWRM50（栽培种）בPI 244019（野生种）F2群体中，检测到5个SDR（p <0.001）。虽然2个群体在第1、第2、第5号染色体和第10号上都有SDR，但它们位于染色体的不同区域。第10号染色体上的标记在2个群体中都偏向野生种亲本（‘PI 296341-FR和‘PI 244019），而第5号染色体上的标记在2个群体中偏向栽培种亲本（‘97103和‘ZWRM50）。然而，第1、第2号染色体和11号染色体上的标记在2个群体中偏向不同类型的亲本。在第10号染色体上偏向于野生种亲本，这可能会阻碍西瓜繁殖过程中经济性状种等位基因的转移。在栽培种‘97103×野生种‘PI 296341-FR RIL群体中检测到的相对较多的基因组向栽培种亲本偏分离。

    栽培种 ‘97103 各糖分含量均比 ‘PI 296341-FR高，在RIL群体中，蔗糖、葡萄糖和果糖含量均有超亲遗传存在，RIL群体中糖分含量均有倾向于‘PI 296341-FR，蔗糖含量在RIL群体中含量显著低于亲本‘97103，可能的原因是在RIL群体中蔗糖均被转化酶分解成果糖和葡萄糖，从而导致了RIL群体表现出果糖积累型。多年多点的种植并鉴定含糖量发现，果糖和葡萄糖及可溶性固形物含量的遗传力均高于85%，而蔗糖含量的遗传力只有65%，也表明RIL群体中蔗糖的含量受到转化酶的影响。

    将所有QTL整合到整合图谱上可以更精细地比较不同群体中定位的QTL位置，并使用标记的物理图谱位置来鉴定特定性状的候选基因。除了比较QTL在不同群体中位置之外，整合图谱还可用于鉴定重要染色体区域中潜在的多态性标记。在第2号染色体上检测到12个对应于6个果实性状的QTL，分别为可溶性固形物（Brix）、果实长度（FL）、果实宽度（FWD）、果实质量（FWT），果皮厚度（RTH）和果形指数（FSI）。果实大小和果实含糖量QTL共定位的一个可能解释是：果实成熟是一个复杂因素，特别是在果实成熟时期广泛分离的群体中。然而，果实成熟是否在果实糖含量和果实大小QTL的共定位中发挥作用仍有待研究。

    结? ? 论：利用西瓜4个亲本（包含3个亚种）的遗传图构建了1张整合图谱，该整合图谱共计包含 SSR 标记689个，InDel标记219个，SNP标记386个，SV标记36个，共计1 339个，遗传距离798 cM，平均标记间距 0.6 cM。58个已经发表的QTL和12个新发现的QTL已经整合到整合图谱，其中，新发现的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。通过整合图谱将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），这3个主效QTL均与果糖含量 QTL（QFRU2-1、QFRU2-2 和 QFRU2-3）重合。其中2 个QTL（QBRIX2-1 和 QBRIX2-3）与蔗糖含量 QTL（QSUC2-1 和QSUC2-2）重合。通過整合比较分析不同群体下定位的含糖类 QTL 发现 QBRIX2-1、QBRIX2-2 及QBRIX2-3 均能在不同遗传背景下被检测到，且位于整合图的同一区间，表明这些QTL能够解释广泛背景下的遗传变异。