利用连锁作图和关联分析解析菊花抗蚜性的遗传机制

Chrysanthemum is among the ten famous traditional flowers in China and the four leading cut-flowers in the world, possessing great ornamental and economic values. Aphid infestation can cause serious damage to chrysanthemum, which has become an important issue in chrysanthemum production. It is of significance to understand the genetic basis of aphid resistance in chrysanthemum for the sake of breeding new chrysanthemums with strong aphid resistance. However, little is known regarding inheritance of aphid resistance in chrysanthemum. The present study aims to dissect genetic basis of aphid resistance in chrysanthemum. We first investigate phenotypic and genetic variations of aphid resistance within chrysanthemum cultivars and dig some excellent germplasm of high aphid resistance. Combining ability analysis and the inheritance model of major gene plus polygene are applied to analyze genetic characteristics of aphid resistance in chrysanthemum hybrid population. We then construct a high density genetic linkage map of chrysanthemum using molecular markers such as SSR, SRAP and etc. Based on this map, we dissect the additive and epistatic effects underlying the inheritance of aphid resistance by linkage mapping. Thirdly, we investigate the elite alleles of aphid resistance among cultivar germplasm by using the linked molecular markers on the linkage map and genome-wide association analysis. Finally, we achieved the consistant main-effect QTL by comparing both results from linkage mapping in F1 population and association analysis in cultivar germplasm. The findings of this study will be both theoretically and practically important for breeding new chrysanthemums with strong aphid resistance by using both hybridization and molecular design breeding approaches in future.

菊花是我国十大传统名花和世界四大切花之一，观赏和经济价值极高。蚜虫为害菊花严重，现已成为菊花生产中亟待解决的重要课题。唯有明确菊花抗蚜性的遗传机制，培育抗蚜性菊花新品种才是解决该问题的根本所在。然而，目前鲜见菊花抗蚜性相关遗传研究。本项目拟连续2年调查菊花品种资源和杂交群体抗蚜性，研究其在品种群体的遗传变异，挖掘优异抗性亲本；通过配合力分析和主基因+多基因混合遗传模型剖析菊花抗蚜性在杂交设计群体的遗传特性；利用SSR、SRAP等分子标记构建菊花高密度连锁遗传图谱，通过连锁作图剖析菊花抗蚜性的加性与上位性QTL；利用连锁的分子标记和全基因组关联分析挖掘菊花抗蚜性的优异等位变异；综合连锁作图与关联分析结果，获得"一致性"主效QTL，为菊花抗蚜性相关基因发掘奠定基础。项目将从数量遗传学角度揭示菊花抗蚜性的遗传机制，对利用杂交育种和分子设计育种培育具有较高抗蚜性的菊花新品种具有重要理论和实践意义。

蚜虫为害菊花严重，现已经成为菊花生产中亟待解决的重要课题。唯有明确菊花抗性的遗传机制，培育抗蚜性菊花新品种才是解决该问题的关键。本项目通过品种资源群体和杂交群体研究了菊花抗蚜性的遗传特性，通过连锁作图和关联分析方法解析菊花抗蚜性的QTL效应，挖掘了抗蚜性相关的分子标记；并鉴定了菊花抗蚜性相关的WRKY转录因子基因，研究了转基因抗性在杂交后代的遗传情况。研究结果表明，菊花品种资源的抗蚜性差异较大，遗传变异系数为26%~27%，广义遗传力为0.93，遗传进度为68%；不同杂交群体的抗蚜性均存在一定的杂种优势，抗蚜性的主基因效应受遗传背景影响，且同一母本与不同父本杂交组合后代平均蚜害指数的均但差异不显著，表现出较弱的父本效应，在进行亲本选择时应特别重视母本对杂种的影响。通过连锁作图和复合区间作图法在两个作图群体中定位到9个抗蚜性QTL（LOD > 2.5），单个QTL的贡献率介于5.9-28.0%之间，仅两个QTL在连续两年环境中表现稳定，其他QTL均在单年环境中检测到，说明抗蚜性受环境等上位性互作效应影响较大。通过关联分析在两个环境中共检测到11个抗蚜性分子标记位点，表型变异解释率为11% ~ 57%；其中，在两个季节中表现稳定的SSR184-1和E1M5-1为有利等位变异位点，并挖掘出同时携带这两个有利等位变异位点的7个抗蚜性品种可作为菊花抗蚜性育种的亲本。通过BSA方法挖掘到SSR145-93和SSR197-205与抗蚜性显著相关，相关系数分别为0.41和0.52（P < 0.01）。另外，发现了4个 菊花WRKY转录因子基因CmWKRY33、CmWKRY48、CmWKRY51、CmWKRY53的表达受到蚜虫取食的强烈诱导，遗传转化鉴定发现发现转基因菊花对蚜虫的抗性各不相同，其中转CmWRKY33、CmWRKY48、CmWRKY51基因的菊花对蚜虫有一定的抑制作用，转CmWRKY53基因的菊花对蚜虫的敏感性增强；进一步研究发现转基因抗性通过杂交方式可以稳定遗传给后代。项目揭示了菊花抗蚜性的遗传机制，将为培育抗蚜性菊花新品种提供依据。发表SCI论文7篇、中文核心期刊论文2篇，获发明专利2件，培博士生4名、硕士生2名；相关成果获2017年度教育部技术发明奖二等奖。