可可蔗糖载体基因克隆及其与种子农艺性状和可可脂含量的关联分析

Cacao, a newly-emerging tropical crop in China, owns great development potential, and it can be grown in one third of Hainan province. At present, domestic cacao yield is very low. Seed agronomic traits are important factors to affect cacao yield. Characterization and application of crucial genes/alleles, associated with seed agronomic traits, may be an effective means of improving yield. Sucrose is the primary photosynthesis product and the principal translocating form within higher plants. Sucrose transporters (SUC/SUT) play a critical role in phloem loading and unloading. Previous studies have indicated that SUT affect plant morphology construction, fruit and seed development, fatty acid content, yield traits, etc. However, detailed reports are lacking for SUT in Theobroma cacao. The aims of this project are to isolate TcSUT gene in cacao, characterize the gene structure and expression pattern analysis, and analyze the association between TcSUT gene and cacao seed agronomic traits and butter content. Implementation of this project could characterize TcSUT gene function, develop molecular markers to facilitate selection of better genotypes of seed agronomic traits and butter content in breeding, and supply potential basis for yield improvement.

可可是我国新兴的热带特色经济作物，海南岛陆地面积的三分之一都适宜种植可可，有巨大的发展潜力。目前，可可的单产很低，提高产量是可可遗传育种的重要目标；种子农艺性状是影响产量的重要因素，挖掘影响种子农艺性状的关键基因显得尤为重要。蔗糖是植物体光合作用的最终产物，也是光合产物运输与分配的主要形式。蔗糖载体在蔗糖跨膜转运过程中发挥着不可替代的作用。大量研究表明，蔗糖载体影响植株形态构建、果实及种子生长发育、脂肪酸含量和产量等性状。至今为止，可可蔗糖载体的功能未见报道。本项目针对这一关键问题，分离可可蔗糖载体基因，确定基因结构，分析其表达模式，结合关联分析研究可可蔗糖载体基因与种子农艺性状以及可可脂含量的关系。本项目的实施将解析可可蔗糖载体的功能，开发出与种子农艺性状和可可脂含量关联的分子标记，用于辅助选择优良基因型的可可株系，对提高产量具有重要的理论和实践意义。

生产上可可单产很低，提高产量是可可遗传育种的重要目标；种子农艺性状是影响产量的重要因素，挖掘影响种子农艺性状的关键基因显得尤为重要。蔗糖是植物体光合作用的最终产物，也是光合产物运输与分配的主要形式，然而可可中蔗糖载体基因的情况尚不清晰。本项目从农业部热带香料饮料作物种质资源圃选取具有代表性的可可资源119份，通过两年重复鉴定，明确了我国可可资源农艺性状和可可脂含量的变异情况，筛选出了籽粒数多、粒重大、可可脂含量高等优异资源11份；利用15对SSR标记对96份资源进行了遗传多样性分析，资源的Nei's基因多样性指数平均为0.328，Shannon信息指数平均为0.496，表明其遗传背景的复杂性与基因的多样性；从可可基因组中分别克隆出TcSUT、TcSUS和TcSPS基因家族的6个、6个和4个成员的基因序列，已向NCBI提交9条新基因（KF776545-KF776553）；明确了3个基因家族成员的基因结构和进化关系，TcSUT家族成员含有1-14个外显子，TcSUS基因家族成员含有11-17个外显子；弄清了3个基因家族成员的表达模式，TcSPS基因与蔗糖合成或再合成密切相关，参与可可“源”、“库”器官物质分配，TcSUT基因主要在可可果壳、籽粒中表达，调控“库”器官的物质转运，TcSUS基因在各组织/器官中均有较高表达量，广谱性参与可可植株生理过程，结果揭示了可可产量形成过程中光合产物的转运与分配机制，为高产优质品种选育提供理论依据；结合可可果实性状表型与SSR标记多样性，获得与果实重量、果壳重量、果实长度、果壳厚度等形态性状显著关联的18个位点，各位点分别位于3、4、6、8、10号染色体，对形态变异贡献率为5.5%-13.1%，为可可优异等位基因发掘和分子标记辅助选择育种提供了技术支撑。