浙江大学农学院张明方团队发现控制西瓜强健根系的关键基因

　　根系是植物从自然界获取水分和营养元素的主要器官，也是应对土壤干旱和养分逆境的第一道防线。强健根系（主根更长，侧根更多）可以显著提高植物在亚适宜条件下的水分和养分的吸收和利用，从而提升作物的存活率和生产性能。一直以来，关于作物强健根系功能基因挖掘一直是抗逆高产分子遗传育种领域的研究热点。在浅根系的水稻研究中已发现了多个与根生物量、根长、根数、根生长角度等性状相关的数量性状位点（QTL）。然而，根系发育的高适应性和可塑性使得关于根系结构变异的遗传研究变得复杂，导致这些已发现报道的QTL对根系表型的贡献率并不高，这也是难以精细定位调控根系发育主效基因的重要原因之一。

 

　　栽培西瓜经济产量高、其全生育期的需水量巨大，根系吸收养分的能力与产量密切相关。选育具有强健根系的西瓜品种可以为西瓜稳产高产提供有力保障。前期对根系表型研究中发现栽培西瓜种内的根系性状虽然存在变异，但是栽培种内差异不大。猜测栽培西瓜可能在驯化和改良过程中，由于对品质性状的强烈选择，丢失了祖先种的强健根系发育相关等位基因。通过系统比较西瓜种质资源的根系表型发现栽培西瓜亚种（Citrullus lanatus）的根系最为孱弱；而与其亲缘关系最近的野生种--饲用西瓜（Citrullus amarus）亚种具有最为强健的根系结构。

 

　　该研究利用强根系的野生饲用西瓜和弱根系的栽培西瓜构建遗传群体，结合高通量测序技术与单株染色体片段来源分析手段逐步缩小候选区间，最终锁定的几个候选基因中包含了一个乙烯合成关键基因ACS7。鉴于乙烯是植物根系赖以感受并适应不同土壤质地环境的重要信号分子，利用化学遗传研究证明了ACS7基因是导致栽培西瓜根系比之饲用西瓜孱弱的原因。

 

　　进一步利用ACS7基因研发的分子标记物对200多份西瓜种质资源进行分型分析，只在少数野生西瓜种质资源中发现强健型ACS7等位基因，所有栽培西瓜中都只包含一种短根型等位基因。这一发现佐证了前期关于“栽培西瓜可能在驯化和改良过程中丢失了祖先种的强健根系发育相关等位基因”的猜测。为了进一步验证这一猜测，该研究对已公布的414份西瓜重测序数据进行ACS7等位基因的群体分布分析，在所有栽培西瓜中只找到了短根型ACS7等位基因，而饲用西瓜群体中同时找到了长根型和短根型等位基因，发现所有包含长根型等位基因的饲用西瓜的根系长度，显著高于那些具有短根型等位基因的饲用西瓜。这些研究表明在野生西瓜种质中存在更多的ACS7基因变异，而栽培西瓜在驯化过程中由于人工栽培环境的改变而逐渐丢失了强健型等位基因。

 

　　该研究成功地从栽培西瓜祖先种--饲用西瓜中找回遗失的“强根”基因，挖掘到了控制强健根系的关键基因，为高产抗逆西瓜品种分子设计育种提供了重要的靶标基因。

 

　　近日，该项成果发表在国际知名的理论与应用遗传学学术期刊Theoretical & Applied Genetics ,农业与生物技术学院博士生Ahmed Mahmoud为第一作者，胡仲远副教授与张明方教授为论文的共同通讯作者。本项目受国家西甜瓜产业技术体系、国家自然科学基金等项目支持。

 

　　原文链接：https://doi.org/10.1007/s00122-022-04173-1