利用连锁和全基因组关联分析鉴定花生株型相关性状的QTLs

来源 :河北农业大学 | 被引量 : 6次 | 上传用户:h563268898
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花生是一种豆科作物,起源于南美洲,在世界各地广泛种植。花生株型是一种重要而复杂的农艺性状,与花生产量、抗病性和机械化采收密切相关。在花生种质资源中,至少存在两种不同的花生株型(匍匐和直立)和几种中间形态。为更好的研究花生株型的遗传结构,将其分解为五个相关性状,包括侧枝基角(Lateral branch angle,LBA)、主茎高(Main stem height,MSH)、侧枝长(Lateral branch length,LBL)、扩展半径(Extent radius,ER)和株型指数(Index of plant type,IOPT)。由于花生株型相关性状属于数量性状,存在基因和环境互作的影响,利用传统的分子遗传学方法对其遗传机理进行研究进展相对缓慢。随着高通量测序技术的快速发展以及测序成本的降低,越来越多的物种已完成全基因组测序工作。因此,高通量测序技术与传统定位方法以及关联分析方法相结合,已成为育种家进行QTL定位和挖掘相关性状基因的一种高效的方法。本研究以直立型花生材料“冀花5号”和匍匐型花生材料“M130”为亲本构建的F2分离群体为试验材料,筛选出匍匐和直立的极端分离株系各35株,分别构建两个DNA池;采用特异性位点扩增片段测序技术(A specific length amplified fragment sequencing,SLAF-seq)分别对两个混池的特异性DNA片段进行测序。通过筛选两个混池内特异DNA片段上的变异位点,获得与株型相关联的分子标记。其次,经过连续自交获得F8重组自交系群体(Recombinant inbred line,RIL),采用SLAF-seq对群体进行测序并开发株型相关的SNP标记,通过构建高密度花生遗传图谱结合7个环境的株型相关性状的表型数据,进行数量性状位点(Quantitative trait locus,QTL)定位,获得与株型性状相关的QTL位点。最后,本研究以103份美国花生微核心种质构成的自然群体为供试材料,利用Affymetrix 2.0芯片筛选多态性SNP位点,进行群体结构、亲缘关系以及连锁不平衡分析;基于最优模型对该群体的5个株型相关性状(侧枝基角、主茎高、侧枝长、扩展半径和株型指数)结合两个环境下的表型鉴定结果进行GWAS。鉴定与性状相关联的SNP位点,推测与株型性状有关的候选基因,解析花生株型相关的遗传基础。本研究的主要目的是发掘与花生株型性状相关的QTLs,为花生株型育种的分子标记辅助选择育种提供理论依据和参考。主要研究结果如下:1.利用BSA-seq(Bulked segregant analysis sequencing)的方法,在匍匐池和直立池之间共筛选得到1911个候选多态性SLAF标签,其中在A基因组中一共有1023个高质量候选多态性SLAF标签。A09最多为515个,A01最少为18个。在B基因组中共有888个高质量候选多态性SLAF标签,B04最多为192个,B07最少为21个。对得到的候选多态性SLAF标签,通过SNPindex方法分别进行关联分析。匍匐池和直立池拟合后的关联阈值为0.5823,共获得3个与匍匐直立性状(侧枝基角)显著相关的SLAF标签,与匍匐直立性状(侧枝基角)关联的多态性SLAF标签定位在Araip.B05号染色体上,且定位到1个与匍匐直立性状(侧枝基角)关联的区域(142,610,834-146,688,220),大小为4.08M。2.花生高密度遗传图谱共包含2808个SNPs标记,分布在20个连锁群上,总长为1308.20 cM,标记间平均距离为0.47 cM。基于7个环境下鉴定的与株型性状相关的表型性状结果,进行了QTL定位分析,共定位到39个与株型相关性状相关的QTLs,它们分布在10个染色体上,贡献率为4.55%27.74%。其中,6个QTLs与侧枝基角相关、8个QTLs与扩展半径相关、7个QTLs与株型指数相关、11个QTLs与主茎高相关、7个QTLs与侧枝长相关。在这些QTLs中,有12个QTLs共定位在B05上,通过与异源四倍体花生参考基因组“Tifrunner”相比较,其定位区间长0.17 Mb。对共定位区域的分析表明,推测的候选基因可能参与了光和激素的调控,该结果将为花生株型分子育种和花生驯化的研究提供理论参考。3.利用花生SNP芯片(Affymetrix 2.0)对美国花生微核心种质中103份材料进行基因分型。经过过滤掉低质量(call rate<0.95)的SNP和MAF小于0.05的SNP后,共获得了12342个SNPs。其中,B09染色体上的SNP密度最大,为0.10 M/SNP,SNP数量为1428个。而A10染色体上的SNP密度最小,为0.37 M/SNP,SNP数量为293。染色体间多态性信息含量(polymorphism information content,PIC)值范围为0.260.30,平均PIC为0.28。利用12342个经筛选的SNPs进行了种群结构、系统发育关系和主成分分析。经过种群结构分析表明,美国花生微核心种质被分为四个亚群,即G1,G2,G3和G4。当r2等于0.2时,LD衰减距离为0.16M。对两个环境获得的株型相关性状进行了GWAS分析,在两个环境中共检测到91个相关的SNPs。它们分别位于染色体A01,A02,A03,A04,A05,A06,A07,A09,A10,B04,B05,B06,B07,B08和B10。筛选到597个候选基因,这些基因在生物过程、激素信号、生长和发育中发挥着重要作用。4.通过GWAS和BSA-seq联合分析发现,GWAS关联到的与侧枝基角相关的SNP(AX-147251085,144,353,467)和BSA-seq关联到的结果重叠。根据LD衰减距离,将B05上与侧枝基角相关的基因组范围缩短到144,193,467-144,513,467,在该区域内包含与F-box家族蛋白相关的三个候选基因(Araip.E64SW、Araip.YG1LK和Araip.JJ6RA)和与PPP基因家族蛋白相关的一个候选基因(Araip.YU281),它们都与植物生长发育有关。本研究通过利用BSA-seq对花生侧枝基角进行关联分析、构建花生高密度遗传图谱以及结合7个环境下对花生株型相关性状的表型鉴定进行QTL定位、首次利用花生Affymetrix 2.0芯片对花生株型相关性状进行GWAS分析,筛选出大量的与株型相关性状相关的SNPs,该结果为花生株型分子标记辅助育种奠定了基础。同时。这些发现为解析花生株型的遗传基础、花生株型的遗传改良和新品种选育提供理论依据。
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