菠菜草酸积累关键基因挖掘及功能分析

Spinach (Spinacia oleracea L.) is one of the most nutrient-rich leafy vegetables in the world, and contains many biologically active compounds. However, spinach contains large amounts of oxalate which is considered to be an antinutrient and a toxin to human beings. Excessive consumption of oxalate-rich foods inhibits mineral absorption and increases risk of some diseases such as kidney stones. This project aim at the study of population genetic variation of oxalic acid content in leaves, aim to reveal key novel genes ontrolling oxalic acid metabolism, and to elucidate their biological functions and mechanisms. The key oxalate-related genes will be screen out through association analysis and bioinformatics analysis, according to RNA and genomic sequencing, and the diversity of oxalic acid content in spinach natural population, the functions will be identified, and then the synthesis and metabolism pathway of oxalic acid will be established, and the molecular markers will be developed and applied to molecular breeding in spinach. The findings in this project will deepen our understanding of the synthesis and metabolism pathway of oxalic acid, and will be helpful to genetic improvement for low oxalate-content spinach.

菠菜是世界上重要的深绿色叶用蔬菜，具有很高的营养价值，但同时菠菜中还含有大量的草酸。而草酸是一种抗营养和毒性因子，可以影响Ca2+和Fe2+等的吸收，并且在人体内形成的草酸钙晶体是引起肾和膀胱结石的主要因素。本项目以菠菜为对象，研究叶片中草酸群体的遗传变异，发掘控制草酸代谢的关键基因，阐明其作用机制。基于菠菜全基因组测序和转录组测序项目，结合菠菜自然群体草酸含量的多样性，通过关联分析筛选鉴定控制菠菜草酸代谢的关键基因，并对其功能机制进行解析，建立菠菜草酸代谢合成调控途径，开发新一代分子标记应用于遗传育种。本项目的实施对提高菠菜草酸合成与积累规律的认识和对后期的功能鉴定及分子育种具有重要的理论意义和实用价值。

菠菜是世界上重要的深绿色叶用蔬菜，具有很高的营养价值，但同时菠菜中还含有大量的草酸。而草酸是一种抗营养和毒性因子，可以影响钙离子和铁离子等的吸收，并且在人体内形成的草酸钙晶体是引起肾和膀胱结石的主要因素，此外草酸含量的高低还直接影响菠菜的风味和营养品质。目前与菠菜草酸合成与代谢相关的基因尚未克隆，严重影响了对菠菜草酸代谢途径的理解和阻碍了菠菜低草酸品种的分子育种进程。因此，挖掘菠菜草酸低含量种质资源，筛选菠菜草酸代谢关键基因，解析菠菜草酸积累规律及合成调控的分子机理，开发菠菜草酸含量分子标记，并应用于分子育种，对培育低草酸含量的菠菜新品种具有重要的指导意义。. 本研究主要研究内容及结果如下：. 1)本项目以菠菜为对象，通过收集国内外菠菜种质资源，并检测功能叶片中可溶性草酸和不可溶性草酸的含量，筛选获得低草酸含量育种材料，并与优良菠菜自交系杂交配组选育出3个菠菜新品种，其中一个品种累计推广面积达1000余亩。. 2)完成了1个菠菜自交系（栽培种）的基因组测序及分析，菠菜基因组全长1,009 Mb，富含重复序列，编码25495个基因。利用基因组重测序技术，对草酸F2群体的282个单株进行重测序，构建了6个连锁群（LGS）组成的遗传连锁图谱。总图距为 1539.96 cM，平均图距为 0.4 cM，平均每个连锁群含有885个bin标记。. 3)在菠菜基因组中鉴定出菠菜草酸代谢相关基因25个，其中合成途径基因18个，降解途径基因7个。利用q-RT-PCR技术研究了这些候选基因在不同草酸积累型菠菜中表达模式。结果表明在高草酸积累型菠菜中，草酸代谢途径SoGLO2、SoGLO3、3个SoOXACs、SoMLS、SoMDH1、SoMDH2和SoMDH4基因的高表达是草酸积累高的原因之一，并克隆了这些草酸代谢关键候选基因，转化拟南芥进行功能验证。. 4)利用 BSA方法对草酸F2群体草酸含量极端低和极端高材料DNA混池进行基因组重测序，筛选获得213,113个多态性SNP标记，并分析计算在两个子代混池的SNP-index和△(SNP-index)，共筛选获得244个与草酸连锁的多态性SNP标记位点。通过生物信息学分析共筛选到候选基因16个。