基于转座子的垂穗披碱草基因组遗传多样性研究

Elymus nutans is an important forage and ecological restoration herbage in Qinghai-Tibet Plateau. Transposable elements (TEs), one of the sources of plant genome diversity, is the most abundant sequence in its genome. The genetic diversity of morphology, chromosome, protein, and DNA has been evaluated for E. nutans, but there is no application of TEs-based markers in this field. This study focus on the genetic diversity at the TEs level and the activity of the TEs in E. nutans. In this project, we want to develop TEs probes in E. nutans by using TEs clones obtained in the previous work, and then, using FISH technique to study the distribution characteristics of TEs in the genome of E. nutans. Furthermore, the copy number variation of the TEs will be measured by quantitative real-time PCR. Through this research, the genetic diversity of E. nutans in Qinghai-Tibet Plateau at the chromosome level will be evaluated, and the role of TEs in the formation of genetic diversity of E. nutans will also be revealed. It will provide a theoretical reference for the excavation of excellent germplasm and the breeding of new varieties in Qinghai-Tibet Plateau.

垂穗披碱草（Elymus nutans）是青藏高原重要的饲用及生态修复牧草，作为植物基因组多样性来源之一的转座子（Transposable elements，TEs）是其基因组中占比最高的一类序列。对垂穗披碱草已开展了形态、染色体、蛋白质和DNA等水平的遗传多样性评估，但未见转座子标记在垂穗披碱草中的应用。本研究围绕垂穗披碱草在转座子层面的遗传多样性，以及垂穗披碱草中转座子的转座行为开展研究。利用前期工作中获得的转座子克隆在垂穗披碱草中进行转座子探针的开发，在此基础上采用荧光原位杂交技术（FISH）获得垂穗披碱草基因组中转座子的分布特征，并应用实时荧光定量PCR考量垂穗披碱草中拷贝数的变化。通过上述研究，评估青藏高原垂穗披碱草在染色体水平的遗传多样性，揭示转座子在垂穗披碱草遗传多样性形成中的作用，将为适宜于青藏高原的优良种质挖掘和新品种选育提供理论依据。

垂穗披碱草是青藏高原重要的饲用及生态修复牧草，为异源六倍体物种，其基因组组成为StStYYHH。对垂穗披碱草种质资源进行遗传多样性评估是其利用的前提。本研究利用前期工作中获得的转座子克隆，开发获得了可应用于垂穗披碱草的转座子标记。结合串联重复序列探针，以垂穗披碱草全球主要分布地的7份材料为研究对象，绘制了垂穗披碱草的染色体图谱。收集了青藏高原代表性生境的4个野生垂穗披碱草居群共计123份材料，对其进行荧光原位杂交。比较不同生境垂穗披碱草各居群材料中FISH信号的分布特征，完成染色体水平对青藏高原野生垂穗披碱草遗传多样性的评估。结果显示在4个野生居群中均观察到不同类型的亚基因组间相互易位，且发生易位的染色体和频率各不相同。并在1个居群中观察到1株具有43条染色体的非整倍体。上述研究结果说明垂穗披碱草在染色体水平与形态、蛋白和分子水平一样表现出了较高的遗传多样性。青藏高原垂穗披碱草居群间与居群内一样具有较高的遗传多样性，并推测环境因子对垂穗披碱草的遗传多样性有影响。此外，对青藏高原垂穗披碱草可能的母本来源也进行了探究，系统发育树表明克什米尔拟鹅观草是青藏高原垂穗披碱草St基因组供体的可能性最大，其次是乌克兰拟鹅观草。本项目所获得的研究结果对垂穗披碱草遗传资源的收集、保护和评价具有重要的理论指导，也为获得具有应用潜力的垂穗披碱草种质资源奠定了基础。