根系是植物從自然界獲取水分和營(yíng)養(yǎng)元素的主要器官，也是應(yīng)對(duì)土壤干旱和養(yǎng)分逆境的第一道防線(xiàn)。強(qiáng)健根系（主根更長(zhǎng)，側(cè)根更多）可以顯著提高植物在亞適宜條件下的水分和養(yǎng)分的吸收和利用，從而提升作物的存活率和生產(chǎn)性能。一直以來(lái)，關(guān)于作物強(qiáng)健根系功能基因挖掘一直是抗逆高產(chǎn)分子遺傳育種領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在淺根系的水稻研究中已發(fā)現(xiàn)了多個(gè)與根生物量、根長(zhǎng)、根數(shù)、根生長(zhǎng)角度等性狀相關(guān)的數(shù)量性狀位點(diǎn)（QTL）。然而，根系發(fā)育的高適應(yīng)性和可塑性使得關(guān)于根系結(jié)構(gòu)變異的遺傳研究變得復(fù)雜，導(dǎo)致這些已發(fā)現(xiàn)報(bào)道的QTL對(duì)根系表型的貢獻(xiàn)率并不高，這也是難以精細(xì)定位調(diào)控根系發(fā)育主效基因的重要原因之一。

 

　　栽培西瓜經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量高、其全生育期的需水量巨大，根系吸收養(yǎng)分的能力與產(chǎn)量密切相關(guān)。選育具有強(qiáng)健根系的西瓜品種可以為西瓜穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)提供有力保障。前期對(duì)根系表型研究中發(fā)現(xiàn)栽培西瓜種內(nèi)的根系性狀雖然存在變異，但是栽培種內(nèi)差異不大。猜測(cè)栽培西瓜可能在馴化和改良過(guò)程中，由于對(duì)品質(zhì)性狀的強(qiáng)烈選擇，丟失了祖先種的強(qiáng)健根系發(fā)育相關(guān)等位基因。通過(guò)系統(tǒng)比較西瓜種質(zhì)資源的根系表型發(fā)現(xiàn)栽培西瓜亞種（Citrullus lanatus）的根系最為孱弱；而與其親緣關(guān)系最近的野生種--飼用西瓜（Citrullus amarus）亞種具有最為強(qiáng)健的根系結(jié)構(gòu)。

 

　　該研究利用強(qiáng)根系的野生飼用西瓜和弱根系的栽培西瓜構(gòu)建遺傳群體，結(jié)合高通量測(cè)序技術(shù)與單株染色體片段來(lái)源分析手段逐步縮小候選區(qū)間，最終鎖定的幾個(gè)候選基因中包含了一個(gè)乙烯合成關(guān)鍵基因ACS7。鑒于乙烯是植物根系賴(lài)以感受并適應(yīng)不同土壤質(zhì)地環(huán)境的重要信號(hào)分子，利用化學(xué)遺傳研究證明了ACS7基因是導(dǎo)致栽培西瓜根系比之飼用西瓜孱弱的原因。

 

　　進(jìn)一步利用ACS7基因研發(fā)的分子標(biāo)記物對(duì)200多份西瓜種質(zhì)資源進(jìn)行分型分析，只在少數(shù)野生西瓜種質(zhì)資源中發(fā)現(xiàn)強(qiáng)健型ACS7等位基因，所有栽培西瓜中都只包含一種短根型等位基因。這一發(fā)現(xiàn)佐證了前期關(guān)于“栽培西瓜可能在馴化和改良過(guò)程中丟失了祖先種的強(qiáng)健根系發(fā)育相關(guān)等位基因”的猜測(cè)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證這一猜測(cè)，該研究對(duì)已公布的414份西瓜重測(cè)序數(shù)據(jù)進(jìn)行ACS7等位基因的群體分布分析，在所有栽培西瓜中只找到了短根型ACS7等位基因，而飼用西瓜群體中同時(shí)找到了長(zhǎng)根型和短根型等位基因，發(fā)現(xiàn)所有包含長(zhǎng)根型等位基因的飼用西瓜的根系長(zhǎng)度，顯著高于那些具有短根型等位基因的飼用西瓜。這些研究表明在野生西瓜種質(zhì)中存在更多的ACS7基因變異，而栽培西瓜在馴化過(guò)程中由于人工栽培環(huán)境的改變而逐漸丟失了強(qiáng)健型等位基因。

 

　　該研究成功地從栽培西瓜祖先種--飼用西瓜中找回遺失的“強(qiáng)根”基因，挖掘到了控制強(qiáng)健根系的關(guān)鍵基因，為高產(chǎn)抗逆西瓜品種分子設(shè)計(jì)育種提供了重要的靶標(biāo)基因。

 

　　近日，該項(xiàng)成果發(fā)表在國(guó)際知名的理論與應(yīng)用遺傳學(xué)學(xué)術(shù)期刊Theoretical & Applied Genetics ,農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院博士生Ahmed Mahmoud為第一作者，胡仲遠(yuǎn)副教授與張明方教授為論文的共同通訊作者。本項(xiàng)目受?chē)?guó)家西甜瓜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目支持。

 

　　原文鏈接：https://doi.org/10.1007/s00122-022-04173-1