基于GWAS和RNA-seq挖掘调控杏仁大小的关键基因

Kernels-apricots are one of the most important woody grain and oil species in China, and have significant economic value. Apricot kernels possess high nutritional value due to an abundance of protein and oil. Seed size plays a critical role in yield, and an increase in seed size is a key target in the breeding history of apricots. Therefore, studying the key genes for seed size and elucidating the molecular mechanism underlying seed size determination is valuable for the molecular breeding of high yield apricot kernels. In this project, 320 apricots accessions were used to perform GWAS, and the candidate genes were identified based on associated SNPs. Furthermore, gene expression patterns were analyzed at different sizes and developmental stages using WGCAN to identify the key genes regulating seed size. We also constructed overexpression vectors for key genes and expressed them in Arabidopsis thaliana to evaluate their function. Our study is of great significance to clarify the molecular mechanisms regulating seed size, and provides a theoretical basis for germplasm innovation in kernels-apricot.

仁用杏是我国重要的木本粮食与油料兼用树种之一，具有重要的经济价值。杏仁富含蛋白和脂肪，营养价值高。杏仁大小是决定仁用杏产量的关键因素，提高杏仁大小是长期育种的重要目标。因此，挖掘调控杏仁大小的关键基因并解析其调控机制对实现高产仁用杏分子育种具有重要意义。本项目利用320份杏资源组成的自然群体进行杏仁大小性状的全基因组关联分析，挖掘连锁的标记位点，获得相关候选基因；进一步采用权重基因共表达网络分析方法对相关候选基因在不同杏仁大小类型及各自不同发育时期杏仁中的表达模式进行分析，从而获得调控杏仁大小的关键基因；构建关键基因植物表达载体，进行拟南芥异源表达，探究关键候选基因的功能。本项目的开展不仅对阐明调控杏仁大小分子机制具有重要的意义，同时为仁用杏的种质创新奠定理论基础。

杏仁大小是决定仁用杏产量的关键因素，提高杏仁大小是仁用杏长期育种的重要目标，挖掘调控杏仁大小的关键基因对实现高产仁用杏分子育种具有重要意义。项目通过对436份杏品种（系）仁重、仁纵径、仁横径、仁侧径性状进行分析发现，各性状间表现较大的变异，平均变异系数为22.10%，其中仁重变异系数最大（37.06%），仁横径变异系数最小（15.72%）；相关性分析表明，仁重与仁纵径、仁横径、仁侧径之间成显著正相关。对不同大小及时期的杏仁表型分析发现，杏仁发育早期是决定杏仁大小的重要时期，仁大的样本快速生长时期主要集中在花后前3个时期（花后15-45天），仁小的样本快速生长时期主要集中在花后前2时期（花后15-30天），暗示仁大可能是由于快速生长时期较长所导致。利用杏重测序数据结合杏仁大小性状相关的4个表型数据进行全基因组关联分析（GWAS），共检测到84个与杏仁大小性状显著关联的SNP位点，注释得到186个基因，结合基因表达模式，共获得6个可能参与调控杏仁大小性状相关的候选基因。进一步对不同发育时期杏仁的表达模式进行分析发现，筛选到8108个差异表达基因，加权基因共表达网络分析（WGCNA）得到了个与杏仁大小性状密切相关的基因共表达模块（turquoise），且与仁重、仁纵径、仁横径、仁侧径成显著负相关，并获得6个核心基因。另外，差异表达基因的分析表明植物激素合成、代谢及信号转导途径在杏仁不同生长发育时期中显著富集，表明植物激素在参与调控杏仁大小方面具有重要的作用。本项目对开发杏仁大小相关分子标记及阐明调控杏仁大小分子机制具有重要的意义，同时为仁用杏品种改良和种质创新奠定基础。