基于高密度遗传图谱的葡萄果实单萜化合物含量的QTL定位

Monoterpenes are a group of vital secondary metabolites in grape berry responsible for pleasant muscat aroma of grape berry and wine. Muscat aroma is greatly appreciated for winemaking and in grapes destined for fresh consumption. And it also constitutes a major concern for viticulturist and grapevine breeders. Study on mining the key genetic locus and genes or molecular markers associated with monoterpenes content is very important for clarifying the genetic regulation mechanisms, accelerating the breeding process and improving the efficiency of grape quality breeding. In this project, using a F1 segregating progenies derived from the parents of which grape berries present significant difference in monoterpenes content, the corresponding high-density genetic maps were constructed by specific length amplified fragment sequencing techniques; the monoterpenes content were measured in the mature berries during three successive years. On the basis, QTLs controlling monoterpenes content were detected. Thereafter, the interactions and contributions of QTLs were analyzed in detail. Finally, molecular markers closely linked with monoterpenes content were tried to be developed. The research achievements can provide a solid foundation for molecular breeding and germplasm innovation and application in grape.

单萜是葡萄果实重要的次生代谢产物，赋予葡萄及葡萄酒怡人的玫瑰香味。玫瑰香味葡萄备受消费者喜欢，也一直是葡萄品质育种的重点方向。挖掘控制单萜含量的关键基因位点及其连锁基因或分子标记，对于阐明其合成调控机制、指导香味葡萄分子育种及提高品质育种的效率具有重要的理论意义和应用价值。本项目拟采用构建好的亲本单萜含量存在极大差异的F1代杂交群体为研究对象，以简化基因组二代测序技术（SLAF-seq）开发SNP分子标记，进而构建葡萄高密度分子遗传图谱；结合F1群体及其亲本三年果实单萜含量检测结果，扫描获得控制葡萄果实单萜含量的QTL位点；详细分析各个QTL位点对表型变异的贡献率以及QTL间的相互作用；挖掘与单萜含量紧密连锁的分子标记。研究目标的实现将为葡萄分子标记辅助育种及种质资源创新应用奠定良好基础。

单萜类化合物是葡萄果实中含量最丰富的萜类化合物，对玫瑰香型葡萄和葡萄酒的花香和果香形成起着至关重要的作用。大量研究表明，葡萄单萜类化合物主要是通过质体中的1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸/2C-甲基-D-赤藓糖醇4-磷酸（DXS/MEP）途径生物合成的。然而，在葡萄中关于其遗传合成调控机制的研究仍然比较有限。本项目采用固相萃取-气相色谱-质谱联用技术，对‘摩尔多瓦’（父本）和‘瑞都香玉’（母本）F1代葡萄果实中游离态和糖苷态单萜类化合物的组分和含量进行了连续三年的分析。利用简化基因组测序技术开发了分子标记，构建葡萄高密度遗传连锁图谱。在此基础上，对单萜类化合物进行了数量性状位点（QTL）分析。研究结果表明，包含松油醇、芳樟醇、香叶醇和橙花醇等大多数单萜类化合物的含量在整个群体中表现出高度的变异性，呈现数量性状遗传特征，并且季节间变化规律相似。而如顺式玫瑰氧化物、反式玫瑰氧化物和异罗勒烯等单萜类化合物表现出明显的季节性波动；此外利用简化基因组测序技术，构建了一个包含19个连锁群6436个SLAF标记的葡萄高密度遗传图谱，总图距3365.41cM，相邻标记之间的平均距离为仅为0.52cM；QTL分析结果发现针对于游离单萜类含量共检测到87个QTLs，而针对于糖苷态单萜化合物共检测到55个QTLs，这些QTLs主要分布在连锁群（LGs）5、6、7、10、12和17上，表型解释率在19.3%-78.0%之间。其中，位于LG5上的主效QTL与多达20个单萜类化合物的含量连锁。游离态单萜和糖苷结合态单萜的主效QTL遗传区间不同，可能存在不同的调控机制。通过数据库查询，在主效QTL区域中发现了一个预测的脱氧-D-木糖合酶基因。此外，在其他QTLs区域还发现了一系列其他候选基因，包括VIT_05s0020g01240、VIT_05s0020g01840、VIT_05s0020g03640和VIT_05s0020g03170等。这些结果拓宽了我们对玫瑰香型葡萄香气遗传机制的认识，有助于玫瑰香型葡萄新品种的分子标记辅助育种。