Plant Physiology | 基因组所张春芝课题组解析马铃薯长日...

　　 　　近日，《植物生理学（Plant Physiology）》在线发表了中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）张春芝课题组题为“Potato tuberization under long-day conditions: Genetic effects of six CYCLING DOF FACTOR1 alleles”的文章

　　

　　

近日，《植物生理学（Plant Physiology）》在线发表了中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）张春芝课题组题为“Potato tuberization under long-day conditions: Genetic effects of six CYCLING DOF FACTOR1 alleles”的文章。该研究解析了马铃薯长日照适应性基因StCDF1的6个等位基因的遗传效应及分布规律，筛选出了最优的等位基因应用于二倍体马铃薯长日照适应性改良。

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马铃薯（Solanum tuberosum L.）是世界第四大主粮作物，其块茎的形成是决定产量高低的最重要发育过程之一。由于马铃薯起源于南美洲安第斯山脉的低纬度地区，其结薯具有短日照依赖性，限制了马铃薯在高纬度地区的传播。在马铃薯野生种向栽培种驯化的过程中，StCDF1基因发生突变，使马铃薯获得了长日照适应性，拓宽了马铃薯的种植范围。虽然StCDF1基因早已被报道，但不同等位基因的遗传效应及分布规律尚未清晰，阻碍了StCDF1基因在马铃薯分子育种中的应用。

研究人员对64份四倍体马铃薯商品种的生育期进行了GWAS分析，鉴定到了单一主效位点，为已被报道的StCDF1基因，说明该基因是调控马铃薯生育期的关键基因。对10份二倍体野生种、10份二倍体地方品种、64份四倍体栽培种的StCDF1基因进行鉴定，发现了除已报道的StCDF1.1-1.4外两个新等位基因：StCDF1.5和StCDF1.6。StCDF1.5在编码区插入6 bp，StCDF1.6在编码区缺失了一个碱基。对StCDF1基因频率进行分析，发现野生种和地方品种中只存在野生型的StCDF1.1，突变的StCDF1等位基因只存在于栽培种中。在64份栽培种中，StCDF1.1的分布是最广泛的，其次是StCDF1.4和StCDF1.3。该基因具有剂量效应，含有突变的StCDF1拷贝数越多，生育期越短。StCDF1.3促进结薯的效应最强，含有StCDF1.3品种的生育期显著低于不含StCDF1.3品种的生育期。对该基因的纬度分布进行分析，发现StCDF1.2、StCDF1.3、StCDF1.4在中国北方（高纬度）品种中比例较高，而StCDF1.1，StCDF1.5，StCDF1.6在中国南方（低纬度）品种中比例较高。以上结果暗示StCDF1.2-StCDF1.4具有较强的长日照适应性，在北方品种更为普遍，而StCDF1.5, StCDF1.6具有较弱的长日照适应性，更适应于我国南方地区的品种。

图1 StCDF1的基因频率及纬度分布分析

为了比较不同等位基因的遗传效应，研究人员在“青薯9号”（StCDF1.1/1.1/1.1/1.1）背景中分别回补StCDF1.2-1.6等位基因，在长日照条件下评价了结薯启动时间、生育期、株高、产量等表型。发现StCDF1.3转基因株系结薯最早，但植株矮小，产量最低，StCDF1.2和StCDF1.4转基因株系结薯比StCDF1.3晚约10天，但株高、产量都有显著地提升，而StCDF1.5和StCDF1.6比StCDF1.3转基因株系晚约20天，株高和产量也都显著增加。以上结果表明StCDF1.3具有最强的结薯效应，其次是StCDF1.2和StCDF1.4，然后是StCDF1.5和StCDF1.6，最后是StCDF1.1。StCDF1.2和StCDF 1.4可以平衡长日照条件下的结薯时间与产量，是改良二倍体马铃薯长日照适应性的最优等位基因。

图2 StCDF1基因的遗传效应分析

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为了在分子水平上解析6个StCDF1等位基因的遗传效应，研究人员分析了马铃薯结薯通路上相关基因的表达模式。发现已知的结薯抑制基因StCOL2和StSP5G的转录水平与各转基因株系的结薯启动时间呈负相关，而结薯促进因子StSP6A的转录水平与结薯启动时间呈正相关，与表型一致。并推测StCDF1.5较弱的长日照结薯效应可能是由于其具有较高的转录水平，而StCDF1.6表现出的结薯抑制效应可能是削减了对StCOL1/2的抑制作用。

图3 StCDF1调控结薯通路上相关基因的表达模式

该研究解析了6个StCDF1等位基因的遗传效应及分布规律，筛选出了最优的等位基因应用于二倍体马铃薯长日照适应性改良，为杂交马铃薯育种奠定了基础。

基因组所博士研究生马连莲、基因组所与华南农业大学联合培养硕士研究生李海财为论文的共同第一作者。基因组所张春芝研究员、博士后翟泽峰为论文的共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划课题、国家自然科学基金项目、广东省基础与应用基础研究重大专项和中国农业科学院科技创新工程等项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiaf098

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