摘要
根作为植物最重要的器官之一，具有固定植物、合成物质、吸收水分和营养元素以及分泌化合物等重要功能。植物根系的生长发育是一个非常复杂的过程，当外界环境发生变化时，根系会通过分泌物质、改变构型等方式提高植物对环境的适应能力，根系发育的好坏直接影响到植物地上部的生长与最终产量。谷子具有营养价值高、抗逆性及适应性强等特点，是北方旱作区的主要栽培杂粮作物。本研究对202份谷子核心种质资源的成熟期根系构型相关性状进行了综合评价，采用全基因组关联分析与转录组分析相结合的方式深入挖掘控制谷子根系构型的关键候选基因，解析影响谷子根系性状发育的分子机制，为筛选具有优良根系构型的谷子品种、进一步深入挖掘控制谷子根系构型的候选基因提供理论基础。本研究主要结果如下: 1、谷子种质资源根系构型相关性状的评价筛选体系的建立:以202份谷子自然群体材料为研究对象，在2020和2021年分别鉴定根系夹角、根系宽度、最长根长、根表面积、茎宽和根干重等六个指标。将连续两年间六个指标均值为原始数据分别进行主成分分析与隶属函数分析，并对不同年份的谷子根系构型相关性状综合指标进行排序，结合两年综合评价值确定谷子根系极端材料。结果分别筛选到8份根系构型优异的谷子材料和5份根系构型较差的材料。结合地上部相关农艺性状与产量表现，我们筛选得到了谷子根系构型性状极端材料:优异材料B162和B188、不佳材料B55和B58,后续我们将对极端材料根系表型差异进行深入解析。 2、全基因组关联分析:以2020-2021年间测得的202份谷子根夹角、根系宽度、最长根长以及根干重等根系构型相关性状测定值为表型数据，利用分布在谷子9条染色体上的1,410,570个SNP标记进行全基因组关联分析，在P＜0.00001可信度下定位到96个与相关性状显著关联的SNP位点，其中有多个位点在不同年份不同性状中被共定位，在96个显著SNP位点上下游50kb范围内共筛选到402个关键候选基因，其功能注释主要涉及类黄酮、脱落酸、转录调节因子、抗病蛋白、磷酸转运蛋白和应激类蛋白等多种生物合成代谢调控相关基因。在此基础上，我们分别对与根系夹角和根干重相关的候选基因Silg11760和Si8g05600进行了单倍型分析，通过单倍型分析发掘到一些优异变异位点及携带变异位点的谷子资源。 3、基于转录组分析挖掘控制谷子根系发育的相关基因:通过对谷子根系构型极端材料B58和B162五叶期、六叶期、七叶期的根系转录组分析发现，在两个极端材料不同阶段分别筛选到大量差异表达基因;通过GO与KEGG富集分析发现，差异表达基因功能涉及细胞膜组分、DNA结合、氧化应激反应和过氧化氢分解代谢等。参与的代谢途径的基因主要涉及苯丙烷、氨基酸和类黄酮的生物合成、淀粉蔗糖代谢、植物昼夜节律调节以及植物激素信号转导途径和MAPK植物信号级联途径。通过加权基因表达网络共得到28个共表达模块，其中MEblue模块为核心模块，对该模块进一步分析发现MEblue与总根长模块中有5个核心基因分别与葡萄糖基转移酶、碱性球蛋白、枯草杆菌蛋白酶和内几丁质酶等有关，且这些基因在品种B162七叶期表达最高。 4、转录组测序分析与GWAS联合鉴定筛选重要根系发育候选基因:将转录组分析得到的差异表达基因与全基因组关联分析筛选得到的相关候选基因通过比对共定位到11个候选基因，这些基因的功能注释主要与RNA聚合酶、酯酶、抗病性蛋白等相关，其中Si1g11750、Si1g11760和Si2g18030三个基因在连续两年和多对性状的GWAS分析中均被鉴定到，且这些基因在品种B58中的表达均高于品种B162。
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