鸭茅抗旱生理分子机制研究及抗性基因挖掘

Orchardgrass, as an important forage grass, plays an essential role in management of the rock-desertification because of its high resistance to drought and barren. The study of drought-resistance mechanism and gene mining of orchargrass can provide valuable genetic resources for its closely related species. Based on previous studies, the physiological indices and high-throughout sequencing for transcriptome (RNA-Seq) were used to study the physiology and molecular mechanisms by using the drought resistance and sensitive materials. The associated mapping population will be constructed, and then this population will be evaluated on rust resistance in multi-plot for several years. In additionally, genome-wide association analysis (GWAS) will be used to dig out molecular markers and sequences closely linked to resistance trait by combining the SSR and GBS-SNP data and drought resistance trait data. Finally the major drought resistance genes will be identified by combining results of GWAS and RNA-Seq. The results of this study will provide significant drought resistance materials, database and techniques, and will also accelerate the drought resistance molecular breeding.

鸭茅是重要禾本科优质牧草，具有抗旱、耐瘠薄等优点在石漠化治理中发挥了重要的作用。鸭茅抗旱机制及基因挖掘研究可为其近缘物种提供重要基因资源。本项目拟在前期工作基础上，基于干旱抗/敏材料，利用生理指标和转录组深度测序技术（RNA-Seq），深入研究鸭茅抗旱生理及分子机制。构建关联作图群体，并对其群体进行多年多点抗旱鉴定评价，结合SSR、GBS-SNP基因型分析数据进行全基因组关联（GWAS）分析，挖掘与抗旱性状紧密连锁的序列片段及分子标记。最后综合GWAS和RNA-Seq结果挖掘并克隆鸭茅主效抗旱基因。研究成果将为草资源评价与利用提供丰富的基础材料和可靠技术支撑，并加快抗旱分子育种进程。

近年来，研究干旱对植物的伤害以及植物对干旱的适应调节机制，发掘新的具有抗旱特性的基因资源创制抗旱新种质，成为植物抗旱遗传育种研究中的热点。鸭茅作为世界著名的多年生冷季型牧草之一，在中国草地畜牧业及生态环境治理，取得了良好的经济和生态效益。然而，有关鸭茅抗旱性的工作主要集中在细胞学、生理生态等方面，针对抗旱高效基因的表达特征和调控机制的研究较少。本研究对鸭茅种质资源进行抗旱性综合评价，筛选出干旱抗/敏材料，结合全基因组关联分析及小RNA、转录组、降解组等测序技术对鸭茅抗旱分子机制进行研究结果表明：差异表达miRNA分析共鉴定到了41个显著差异表达的miRNA(P<0.05)，其中三个miRNA（ata-miR393-3p_L+1R-3; ata-miR164c-3p; PC-3p-68901_67)）在对照条件下和干旱胁迫下，叶和根中都有不同的表达模式。此外，在根中，干旱前后ata-miR164c-3p的表达有显著差异，因此我们推测其在鸭茅根部响应干旱的过程中发挥重要作用；为了鉴定基因转录层面的表达模式，将三组学结果进行了联合分析，差异表达的41个miRNA中有25个被鉴定到靶标了74个差异表达的mRNA，形成共107对miRNA-靶基因对，这些靶基因被注释到了34个不同的GO功能中；此外，鸭茅抗旱性状的全基因组关联分析表明，在4个环境下总共鉴定到60个SNP与抗旱性状显著相关，其中RC2018环境下鉴定到15个，RC2019环境下鉴定到21个，YA2018环境下鉴定到11个，YA2019环境下鉴定到13个。有10个标记在不同环境或不同模型中重叠出现，其中Chr3_103471523标记在YA2018、RC2018、RC2019三个环境下均为显著性标记，Chr2_71138535标记在RC2018、YA2019两个环境下重叠出现，为后续重点关注位点。此外，Chr1_142668934、Chr2_51490031、Chr3_103471523、Chr5_115839149、Chr6_190378872、Chr1_170324703、Chr1_172021612、Chr2_146876049、Chr4_236604447这9个位点在2-3个模型中重叠出现，可以深入研究