高寒牧草老芒麦抗旱性状与候选基因的关联分析

Elymus sibiricus L. (Siberian wildrye) is one of the most important cultivated forage grasses in Qinghai-Tibet Plateau(QTP). It plays a crucial role in natural grassland restoration, artificial pastures establishment and development of livestock industry in alpine steppes. With the clear drying trends in QTP, the impact of drought stress on E. sibiricus production of herbage and seeds, and cultivation extent has become a major abiotic factor. However, the molecular and genetic mechanism of E. sibiricus traits related to drought resistance are still in blank. In this project, we will use diverse E. sibiricus accessions with multiple geographic origins to screen the whole-plant physiological responses to drought stress and study variation condition, distribution rule and correlation of main related characters. Then we will use SSR and AFLP technique to characterize genetic diversity and population structure of the tested collection of E. sibiricus to provide useful resources for conducting association mapping. Next, based on RNA-seq results and GenBank-derived EST/clones of relative cereals, we select some candidate genes involved in physiological and molecular mechanism pathway of drought tolerance and identify their diploid SNPs. Finally, linkage disequilibrium (LD)-based association mapping will be carried out to identify significantly associated SNPs with drought tolerance-related traits, and in silico sequence analysis will be implemented further to identify putative functional amino acid substitutions. This project will help discover genetic and molecular mechanism of drought tolerance in E.sibiricus, and provide valuable insight for molecular breeding of E.sibiricus for drought resistance.

老芒麦是青藏高原地区利用最为广泛的当家草种之一，在退化草地改良、放牧、栽培草地建植和高寒草地畜牧业发展中具有十分重要的价值和地位。干旱胁迫成为影响老芒麦牧草和种子产量、栽培利用范围的主要限制性非生物因素，但老芒麦抗旱相关性状的分子遗传机制研究几乎空白。本项目拟采用来源广泛的老芒麦种质群体为研究材料，系统评价其在环境下对干旱胁迫响应性状的变异规律，利用SSR和AFLP分子标记研究供试材料的群体结构和遗传多样性，基于RNA-seq和近缘植物抗旱相关基因的分析来筛选候选基因并鉴定SNP，开展候选基因与干旱响应性状的关联作图分析，发掘出与抗旱性状显著关联的候选基因和分子标记，为老芒麦抗旱分子育种奠定重要的技术和理论基础。

老芒麦是青藏高原地区利用最为广泛的当家草种之一，在退化草地改良、放牧、栽培草地建植和高寒草地畜牧业发展中具有十分重要的价值和地位。干旱胁迫成为影响老芒麦牧草和种子产量、栽培利用范围的主要限制性非生物因素。本项目采用来源广泛的老芒麦野生种质资源为研究材料，系统评价其在不同环境下对干旱胁迫响应的关键性状的变异规律，基于老芒麦基因组组装比对，通过SLAF-seq简化基因组标记并鉴到263498个高一致性的SNPs数据，并利用它们进行遗传多样性和群体结构分析，了解老芒麦群体遗传基础；最后进行SNP标记-表型的全基因组关联分析，挖掘抗旱相关候选基因。首先，干旱相关形态及生理指标分析发现，除环境1中的PRO含量，环境2、3、4中的相对电导率呈现出明显的偏态或杂乱分布以外，其余各环境下的不同指标几乎都呈正态分布或者类似于正态分布；表型性状的相关性分析结果显示，相对电导率和叶片相对含水量、相对电导率和表型打分之间呈显著负相关（P＜0.05）；叶片相对含水量和表型打分呈显著正相关关系（P＜0.05）。其次，PCA分析显示：来自于青藏高原（XZ、SC、QH、GS）地区的亚群之间与其他地区（HB、NM、XJ、W）的亚群被完全分开，表明青藏高原地区的老芒麦群体在遗传基础上与其他地域老芒麦群体存在较大差异，同时，进化树也显示出相似结果；群体结构分析表明，当K=7时出现明显的拐点，且出现最低值，因此189份野生老芒麦群体的遗传结构可分为7个不同的遗传背景。最后，通过表型-标记关联分析共检测到9个在染色体上的SNPs（以及1个未比对到基因组上的SNP），这些位点主要与相对含水量和相对电导率相关；在川草2号老芒麦基因组上搜索后发现25个与抗旱相关的候选基因，且这些候选基因都存在与St亚基因组上，主要存在于S02和S05这两条染色体上。通过老芒麦干旱生理及形态研究，获得了老芒麦抗敏野生材料，为老芒麦干旱选育提供了材料资源；通过GWAS研究，获得了25个与老芒麦抗旱相关候选基因，为其抗旱育种提供了候选基因资源。