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甘蔗是生产蔗糖和生物能源乙醇的重要C4作物,已广泛种植于全球100多个热带和亚热带国家。蔗糖约占世界食糖总产的78%,占中国食糖总产的90%以上,同时,在全球范围内,大约60%的生物乙醇来自甘蔗。然而,甘蔗的生产受到许多植物病原体的侵染,严重地影响了甘蔗的生产,因此,挖掘与甘蔗病害抗性相关的基因对于甘蔗病害控制来说是迫切和需要的,但由于现代甘蔗栽培种的复杂基因组结构,甘蔗在遗传学和基因组学的研究方面面临着许多挑战。同时,现代甘蔗复杂的遗传结构,又导致了杂交后代性状的广泛分离,优良基因聚合概率极低,甘蔗杂交育种不得不依赖大群体,仅中国年种植实生苗就高达80～100万苗,需要开发育种目标性状相关数量性状位点(quantitative trait locus,QTL)和关联标记,为标记辅助育种提供技术,借助芯片技术无疑是一种高效的手段。因此,为加速甘蔗遗传和基因组研究,并为目标性状标记开发服务。主要研究结果与结论如下:1.Axiom Sugarcane100K SNP芯片的设计和开发。甘蔗单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP)的选择主要来源于两个数据集,分别是:从12个甘蔗种质的目标富集测序数据开发出了120万个SNPs(数据集1);来自288个甘蔗种质的目标富集测序数据开发出的340万个SNPs(数据集2)。1)经过一系列的筛选,分别从数据集1中选择31,449个单剂量(singledose,SD)SNPs,数据集2中选择68,648个低剂量(low dosage)[含33,277个SD和35,371个双剂量(double dose,DD)]SNPs,并最终把100,097个甘蔗SNPs放置在芯片上。2)根据高粱基因组对100K个SNPs进行功能效应(functional effects)注释,结果表明其中大多数SNPs(91,860个,占91.77%)位于基因区域内(涉及12,935个基因),平均密度为7.1个SNPs/基因。3)根据高粱基因注释文件,通过对比结果表明100K SNP芯片上共包含了 551个与糖代谢、抗病性和生物量(细胞壁)相关的基因,其中涵盖了 5,055个非冗余SNPs。4)同时,与12,387个非冗余甘蔗种间特异性SNPs以及207,761个非冗余甘蔗属间特异性SNPs的数据集比较,结果显示100K SNP芯片上包含了 305个甘蔗种间特异性SNPs和6,856个甘蔗属间特异性SNPs。2.Axiom Sugarcane 100K SNP芯片的多态性验证。为了评估Axiom Sugarcane1OOK SNP芯片的质量和实用性,把SNP芯片应用于469个甘蔗样品的基因分型。样品包括一个种间杂交群体(Green German×IND81-146),一个自交群体(CP80-1827)和 11 个多样性的甘蔗种质。经过对杂交信号的处理分析,基因分型结果显示Axiom Sugarcane1OOK SNP芯片在469个样本中具有高度多态性,多态性SNPs为77,113个,多态率为77.04%,结果表明此甘蔗SNP芯片对不同的甘蔗种质能进行有效的基因分型。3.利用Axiom Sugarcane100K SNP芯片进行遗传图谱的构建。对基因分型结果为SD的SNPs,在遗传分离群体里进行卡方检验(P>0.01),通过检验的SDSNPs被用于构建连锁图谱。1)对于Green German,最终有3,514个SDSNPs(95.91%)被成功定位在150个连锁图谱上,此连锁图全长3,336cM,平均标记密度为0.95cM/标记,并且是目前甘蔗所有种质中涵盖标记数量最多、密度最大的高密度遗传连锁图谱;2)对于IND81-146,共有1,518个SDSNPs被成功定位在92个连锁图上,此连锁图全长2,615cM,平均标记密度为1.72 cM/标记,且是目前甘蔗细茎野生种中涵盖标记数量最多、密度最大的遗传连锁图谱;3)CP80-1827的111个连锁图全长3,651cM,含有562个SD SNPs,平均标记密度为6.5 cM/标记。通过以上甘蔗不同种质的遗传连锁图谱的结果,体现了 SNP芯片的广谱性和高效性,表明其具有良好的应用和推广价值。4.SCYLV抗性相关QTLs的鉴定。基于上述连锁图谱,进行SCYLV抗性相关的QTL分析。1)结果显示从Green German(感)×IND81-146(抗)杂交群体中共鉴定出17个SCYLV抗性相关的QTLs,其中包括了 10个主效QTLs,解释了 10.16%～31.83%的表型变异;和7个微效QTLs,解释了 3.17%～8.93%的表型变异。2)而在CP80-1827自交群体中只鉴定出了 2个SCYLV抗性相关的QTLs,包括一个主效QTL,解释了 11.2%的表型变异;和一个微效QTL,解释了 7.84%的表型变异。3)最终从这19个SCYLV抗性相关的QTLs区域,找到了 27个抗病基因。总之,本研究通过设计和开发了一个高通量、高效率、便于操作分析的Axiom Sugarcane100K SNP芯片,利用该芯片构建了高密度遗传图谱,并结合抗、感甘蔗黄叶病毒(Sugarcane yellow leaf virus,SCYLV)的双亲杂交分离群体和美国主栽品种CP80-1827的自交群体为材料进行分析,既验证了所创制芯片的质量和实用性,又实现了对遗传背景不同的一批甘蔗种质的基因分型,还发现了与SCYLV抗性相关的QTLs。这项研究结果表明,Axiom Sugarcane100K SNP芯片已获得成功开发和应用,作为甘蔗高密度标记的高效基因分型工具,它的推广和应用将促进和加快甘蔗遗传育种的进程。