番茄果实形成与生长发育关键基因发掘及调控的分子基础

Tomato is an important horticultural crop, and as well a model plant for fruit development study. Problems such as poor fruit-set, non-uniform fruit size and shape, which greatly affect the yield and quality, are constantly faced in growing of fruit-bearing horticultural crops. Tomato fruit formation experiences several developmental stages to become edible, including fruit setting, enlargement, maturation and coloring. Recent research is rather focused on tomato fruit ripening, while the fruit formation and growth are of significance as fruit ripening. This project aims at the study of such most important fruit traits, as fruit set, fruit size and shape, fruit firmness and fruit color, which are major components of fruit yield and market attributes. We aim to reveal those key novel genes underlying fruit formation and development, thus to elucidate their biological functions and mechanisms. Strategically, genome-wide association study together with classical linkage analysis will be integrated in this study to explore these genes regulating fruit size and shape, and their functions. At the same time, four previously isolated genes, Wo and SlIAA9 (regulating fruit set), nsLTP (controlling fruit firmness) and TDR4 (regulating fruit color) will be further elucidated to unravel the molecular mechanisms by using approaches of RNAseq, protein-protein and protein-DNA interactions. The findings in this project will deepen our understanding of the molecular basis of fruit growth and development, enrich the theory involving the formation of fruit quality and yield, and lay a solid foundation for the genetic improvement of fruit development and yield.

番茄是重要的园艺作物和果实发育研究的典型模式植物，生产上普遍存在坐果率低、果实大小和形状不整齐等严重影响产量和质量的问题。番茄果实发育经历开花受精、坐果、膨大、成熟等过程。其中，以成熟研究最为深入，而果实生长发育研究相对不足。本项目以番茄为对象，针对果实发育过程中的坐果、果实大小、形状、硬度和着色等与产量和商品性密切相关的性状开展研究，发掘重要调控基因并阐明其分子机制。一方面结合利用关联分析和连锁分析发掘控制果重与果形的新基因，并鉴定其功能；另一方面深入研究本组已克隆的重要基因：与坐果相关Wo和SlIAA、硬度相关nsLTP以及调控着色基因TDR4等，鉴定其功能，并通过RNA-seq、蛋白/蛋白和蛋白/DNA互作等手段研究这些基因所参与的调控网络及调控机制。本研究的完成将有助于揭示果实生长发育分子机制，拓展果实产量及品质形成的理论，也为园艺作物果实产量和品质的遗传改良提供理论依据。

本项目主要针对番茄果实形成和发育阶段的重要性状开展研究，发掘和鉴定关键基因，研究其调控机理。围绕研究目标，本项目按计划完成了各项研究工作，取得了良好进展。完成了一个包含360份材料的自然群体的基因型鉴定工作，利用全基因组关联分析等手段发掘出调控番茄果实大小和形状的基因GRAS2、PAT和GRF，调控果实色泽和品质形成的关键基因ALMT9、HZ24、SGR1、TDR4等，阐明了Wo调控果实早期胚胎发生的分子机制，基本解析了nsLTP和SlIAA9调控果实硬度和单性结实的机制，推进了番茄果实形成与发育的基础生物学研究。其中番茄变异组研究取得的SNP及InDel数据信息，已批量成功的运用于GBM（Genotyping By Makers）番茄高通量分子检测系统中，服务于我国20余家育种单位，用于番茄材料鉴定和品种鉴定中。项目执行期间，先后在Nature Genetics， The Plant Cell，New Phytologist，The Plant Journal等杂志发表项目标注论文15篇，其中SCI论文14篇，总影响因子89，其中IF>8的2篇，IF>5的7篇，申请获批发明专利3项。项目负责人和骨干成员先后参加国内学术会议9场、33人次，参加国际会议5 场、7人次，作大会报告14人次，2人次出国访学，邀请国外知名专家来校指导研究4人次。项目执行期间，项目负责人曾获湖北省科技进步二等奖（第一完成人，2014年）、教育部科技进步二等奖（第一完成，2013年），中国园艺学会华耐园艺科技奖（团队奖，2014年）、全国优秀博士学位论文指导奖（2014年）和农业部全国农牧渔业丰收奖-农业技术推广合作奖（第4完成人，2016年）等奖项。