白菜叶球形成的遗传解析与亚种间杂种优势的应用

Chinese cabbage is a sub-species of Brassica rapa with the leafy-head as the yielding organ. It is not only one of the most important vegetable crops in China, but also an optimistic model for studying the development of leafy-head. Chinese cabbage is a crop with strong hybrid vigor. However, traditionally its heterosis is utilized by crossing lines within the leafy-head sub-speices. Although there is stronger heterosis in sub-species crossing, such heterosis is not applicable owing to the fact that the leafy-head trait will be lost when Chinese cabbage is crossed with any other non-heading sub-species. In this proposal, we try to dissect how leafy-heading is genetically regulated from three different aspects. Firstly, we will apply genome domestication and QTL analysis to determine key genes regulating leafy-heading. Secondly, we will test the function of the key genes. Lastly, we will also reveal the regulatory network by investigating the transcriptomics at different leafy-head development stages. Based on the genetics of leafy-heading, we will develop molecular marker assisted system to transfer “heading genes” into non-heading sub-species to create new heading types with non-heading genome background. By investigating the hybrids of the new heading types with non-heading genome background, it will provide us an opportunity to reveal the mechanism of heterosis of the sub-species crosses for the leafy-head yield. We will provide a novel strategy to use the germplasm of sub-species, in which other than focusing on few genes, we use the diverse genetic background. Our investigation will provide theoretical and applied basis for heading Chinese cabbage production by using sub-species hybrid vigor.

大白菜是以叶球为产品的一个白菜亚种，是我国最主要的蔬菜之一，也是研究叶球形成机制的理想模式植物。大白菜杂种优势十分显著，但传统的杂种优势利用却局限于结球亚种内部。白菜不同亚种间具有显著超过亚种内的杂种优势，但亚种间直接杂交后代丧失结球性。因而亚种间杂交优势没有在结球白菜中得到利用。本项目拟通过基因组学方法进行驯化选择分析和QTL分析，确定叶球形成的关键基因，并通过对其功能分析，以及叶球不同发育时期转录组分析等阐明叶球形成的调控机制。以此为基础，建立分子辅助选择体系，将结球基因导入多个非结球亚种中，获得不同亚种背景的结球材料。进一步通过不同背景结球材料的杂交，研究不同亚种遗传背景下，叶球产量杂种优势形成的规律。本项目突破了传统近缘种基因资源利用只关注少数基因的模式，利用亚种间差异巨大的基因组背景，将为利用亚种间杂种优势进行结球白菜生产提供重要的理论与实践依据。

大白菜是我国最主要的蔬菜之一,以叶球为产品。白菜不同亚种间具有超过亚种内的杂种优势，但亚种间杂交的后代丧失结球性，因而无法在结球大白菜育种中直接利用。本项目旨在阐明白菜叶球形成规律，在此基础上创制包含不同亚种血缘的新型结球白菜材料，为在结球白菜中利用亚种间杂种优势提供理论依据和材料基础。通过对16份不同结球性白菜材料的泛基因组研究，结合524份白菜材料的重测序分析，构建了结球白菜与非结球白菜间的变异信息库，发现基因组结构变异在大白菜驯化过程中受到强烈的选择，鉴定了一批参与叶球形成的关键基因和结构变异；开展了大白菜叶球的不同部位叶片组织共24个样本的转录组分析和叶片原生质体的单细胞转录组分析，通过对调控叶片发育的背腹性基因、参与细胞增殖增大基因和糖代谢相关基因的表达模式分析，发现了叶球形成的关键转变叶片，结合驯化选择分析，确定了23个叶球形成的候选关键基因；进一步通过对白菜叶球形成候选基因BrBRX 与BrKAN2进行表达分析、大量白菜资源群体的驯化选择验证、拟南芥转基因验证以及酵母双杂验证，推测BrBRX与BrKAN2参与了白菜叶球形成，且在同一调控途径中 ，但BrBRX与BrKAN2的不同拷贝间存在明显的功能分化。开展了结球白菜与其他白菜亚种间杂交，结合分子辅助选择，建立了将不结球白菜基因组片段导入结球白菜的材料创制体系，创制了66份结球性优良的具有大量非结球背景的白菜材料。此外，项目实施过程中获得了一批重要数据，包括16份材料的泛基因组、524份材料的基因组数据、叶片RNA-seq数据及单细胞转录组数据等。综上，通过本项目的实施，鉴定了一批参与叶球形成的关键基因，阐明了参与叶球形成的重要基因间的调控关系，特别是背腹性相关基因影响叶片形态的重要机制，这不仅有助于叶球形成机制的解析，也为新型结球材料的创制提供了重要指南；本项目创制的新型结球材料极大地丰富了结球白菜的遗传背景，显著拓宽了杂种优势利用的变异基础，为大白菜育种中进一步利用远缘杂交优势提供了遗传资源。