近日，Scientia Horticulturae在线发表了国家现代农业（马铃薯）产业技术体系岗位科学家蔡兴奎副教授团队题为QTL analysis for low temperature tolerance of wild potato species Solanum commersonii in natural field trials的研究论文。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.scienta.2022.111689
研究背景
马铃薯作为重要的四大粮食作物之一，在全球100多个国家均有种植，超过20亿人将马铃薯作为食物、动物饲料或经济收入来源。然而马铃薯对低温敏感，普通马铃薯栽培种均不耐低温霜冻且无低温驯化能力，低温是影响马铃薯生长，发育，和产量最为重要的非生物胁迫之一。低温霜冻导致植株叶片冻伤甚至植株死亡，严重影响马铃薯的产量与品质。中国作为全球马铃薯种植面积和产量第一大国，在我国马铃薯的主产区每年都会遭受到不同程度的低温冻害，其中以秋早霜和倒春寒最为常见，然而目前关于马铃薯抗寒调控关键基因与抗寒调节机制的研究尚不十分清楚。
马铃薯栽培种不耐低温霜冻，但野生种中存在具有抗寒能力的潜在资源，而马铃薯野生种S. commersonii由于其优异的田间抗寒表现得到了研究人员的广泛关注，但由于胚乳平衡数（EBN，Endosperm Balance Number）影响，使其通过常规杂交来定位和改良马铃薯抗寒性变得困难。该研究成功利用低温敏感的二倍体桥梁种S. verrucosum（2X，2EBN）与抗寒野生种S. commersonii（2X，1EBN）杂交，构建了抗寒遗传定位BC1群体。
研究结果
1. BC1群体材料田间抗寒性分析
利用田间自然霜冻对BC1群体材料完成了4年田间抗寒性表型鉴定，不同低温年份BC1群体材料表现出不同的抗寒性分布趋势，低温越低的年份材料损伤评级越高的株系占比越多。同时低温伴随降雪的田间条件相比于仅仅发生低温的田间环境，材料收到损伤更严重。
Fig. 1. Frost tolerance evaluation of BC1 genotypes and phenotype correlation analysis. A, The Y_axis represents frost classes, and the X_axis represents field environments of four years. Arrows point to CMM5 and 8341, respectively. B, Pearson’s correlation coefficient was shown in the upper right, and the significance level was displayed in the lower left (*P < 0.05; **P < 0.01).
2. QTL-Seq鉴定马铃薯田间抗寒性调控位点
结合多年田间表型数据与QTL-Seq分析技术，将马铃薯田间抗寒性位点定位到Chr02和Chr11号染色体的4个候选区段内。在候选区间附近开发连锁分子标记，结合传统QTL定位，进一步缩小定位区间。四年环境下在Chr02定位到2个较小的候选区段，其中2017年大部分材料损伤程度较低（田间最低温度-3.4℃）为单独一个候选位点；2018，2019和2021损伤程度较严重（田间最低温度-5℃，-5.3℃，-7.7℃）为一个调控位点。表明在不同低温压力胁迫下材料田间抗寒性由不同调控位点响应。
Fig. 2. Identification of frost tolerance candidate regions in the BC1 population. The X_axis represents the position of the SNPs on the chromosomes. The Y_axis represents the association value of the SNPs calculated by the different algorithms. The yellow line was created using a Tri-kernel-smooth fit for every grey dot, which represents an SNP plotted according to its position and association value. The default threshold, which is shown as a blue dotted line, is three standard deviations above the genome-wide median. The QTL loci are represented by the red inverted triangles. A, DL; B, ED4; C, K-value; D, Ridit; E, G’; F, SmoothLOD; G, Δ(SNP-index).
3. 候选基因基因预测
对定位区间内基因进行基因功能注释和富集分析，对候选区间内已报道与抗病抗逆相关基因进行基因结构比对与表达量分析。低温处理条件下抗感材料间显著差异表达且以已报道与植物逆境胁迫抗性相关的4个基因作为可能的候选基因，用于进一步的抗寒性功能验证。
Fig. 3. Expression levels of the candidate genes in CMM5 and 8341. The X_axis represents 6 different time points. The Y_axis represents the relative expression of candidate genes under -2℃. Asterisks indicate significant difference between CMM5 and 8341 by using Student’s t-test (**P < 0.01; *P < 0.05).
国家现代农业（马铃薯）产业技术体系岗位科学家蔡兴奎副教授为该论文通讯作者，华中农业大学园艺林学学院在读博士研究生董建科和硕士研究生李静文为该论文共同第一作者。该项目得到国家自然科学基金（NO. 31871685）项目资助。
团队或作者（第一或者[和]通讯作者）简介
通讯作者：蔡兴奎，男，博士，副教授，硕士生导师，中国作物学会马铃薯专业委员会委员，农业农村部马铃薯生物学与生物技术重点实验室副主任，国家现代农业产业技术体系（马铃薯）岗位科学家。
从事马铃薯脱毒种薯繁育与农机农艺融合栽培技术研究，获湖北省技术发明一等奖1项，湖北省科技进步二等奖1项。获国家发明专利6项。
所在的马铃薯团队研究方向：马铃薯重要性状遗传与生理调控；马铃薯主要病虫害抗性机制解析；马铃薯块茎发育与繁育生物学；马铃薯块茎采后生物学与技术。
