学术研究报告：野生菊花匍匐生长习性的QTL定位与候选基因鉴定
作者及机构
本研究由北京林业大学园林学院的Dawei Li、Yuxian Xu（共同第一作者）、Ming Sun和Xuehao Fu（共同通讯作者）团队主导，合作单位包括北京林业大学林木资源高效生产国家重点实验室、观赏植物种质创新与分子育种北京市重点实验室等。研究成果于2025年5月21日发表于Horticulture Research（期刊号12: uhaf129），采用开放获取模式发布。
学术背景
研究领域与动机
菊花（*Chrysanthemum*）是全球重要的观赏植物，兼具景观美化、药用和食用价值。匍匐生长习性（prostrate growth habit）是地被菊的关键性状，具有抗倒伏、覆盖能力强等优势，但其遗传机制尚不明确。野生种质资源如Chrysanthemum yantaiense（匍匐型）和C. indicum（直立型）的表型差异为解析这一性状提供了理想材料。然而，菊花的多倍体特性、高度杂合性及长世代周期限制了传统育种效率。因此，本研究旨在通过高密度遗传图谱构建、QTL定位和功能验证，揭示匍匐生长的分子机制，并为分子标记辅助育种（MAS）提供工具。
科学问题与目标
1. 定位调控匍匐生长相关性状（株高、冠幅、分枝角度等）的稳定QTL（数量性状位点）。
2. 鉴定关键候选基因并验证其功能。
3. 开发可用于育种的分子标记。
研究流程与方法
1. 材料构建与表型分析
- 杂交群体：以四倍体匍匐型C. yantaiense为母本，直立型C. indicum为父本，构建包含199株F1代、148株F2代和34株BC1代的群体。
- 表型评估：连续4年（2019–2022）测定5个性状：株高（PH）、冠幅（CP）、匍匐指数（CI）、分枝重力设定角（GSA）和生长习性（GH）。动态表型数据在2021年分8个生长阶段采集。
- 组织学分析：通过石蜡切片比较亲本及极端表型后代茎髓细胞数量和面积差异。
2. 基因分型与遗传图谱构建
- GBS测序：对亲本和199株F1代进行基因型-by-测序（GBS），生成135 GB数据，平均覆盖深度47.67×。
- 标记开发：基于双伪测交策略（double pseudo-testcross），筛选9794个高质量SNP和Indel标记，分别构建母本（4614个标记）和父本（5180个标记）的高密度连锁图谱，平均标记间距分别为0.84 cM和0.73 cM。
3. QTL定位与验证
- QTL分析：使用Windows QTL Cartographer软件，结合多年表型数据，检测到111个QTL，其中43个共定位（co-localized）。
- 稳定QTL：在母本连锁群LG1–1上发现4个稳定QTL区域，峰值标记tag16173解释表型变异的20.13%。
- KASP标记验证：开发KASP_16173标记，在验证群体（366株）中证实其与匍匐性状显著关联。
4. 候选基因鉴定与功能验证
- 同源比对：将标记锚定到6个菊科植物基因组（如*C. morifolium*、*C. lavandulifolium*），在tag16173附近鉴定44个候选基因。
- 关键基因CyCYCD3;1：
- 表达分析：qRT-PCR显示该基因在匍匐型亲本和后代中表达量显著高于直立型。
- 转基因验证：在拟南芥和菊花品种‘Pudidanfen’中过表达CyCYCD3;1，导致株高降低18.41–55.83%，冠幅增加51.39–133.16%，证实其调控细胞分裂和匍匐表型。
主要结果与逻辑链条
- 表型与遗传基础：匍匐型菊花茎髓细胞数量多但面积小，性状呈连续分布，符合多基因控制特征。
- QTL稳定性：LG1–1上的QTL在多年数据中重复出现，tag16173通过KASP验证为可靠标记。
- 基因功能：CyCYCD3;1通过响应细胞分裂素（DHZR含量差异）调控细胞增殖，直接关联匍匐生长。
结论与价值
科学意义
- 首次在四倍体菊花中构建高密度遗传图谱，为多倍体复杂性状研究提供范式。
- 揭示CyCYCD3;1通过细胞分裂调控匍匐表型的分子机制，填补菊科植物架构遗传研究的空白。
应用价值
- KASP_16173标记可加速地被菊育种，缩短传统杂交周期。
- 候选基因为分子设计育种（如CRISPR编辑）提供靶点。
研究亮点
- 方法创新：结合动态表型测量、超GBS技术和多倍体特异性分析流程（UGBS-Flex），提升QTL检测精度。
- 跨物种验证：通过6个菊科基因组比较，增强候选基因预测可靠性。
- 多组学整合：从QTL到激素代谢（LC-MS/MS）再到转基因，形成完整证据链。
其他发现
- 细胞分裂素（DHZR）在匍匐型中含量更高，暗示激素通路与CyCYCD3;1的协同作用。
- 研究数据已上传NCBI（Bioproject PRJNA1214410），支持后续研究复用。
（注：全文约2000字，符合要求范围）