创新的转录组揭示非模式豆类作物物候、生长和产量的环境响应基因.docxVIP

创新的转录组揭示非模式豆类作物物候、生长和产量的环境响应基因 导读 狭叶羽扇豆(Lupinus angustifolius?L.)是一种粮食作物，既是一种绿肥，也是动物饲料和人类食物的蛋白质来源。在驯化过程中，许多农艺性状都得到了改良，但迄今只定位到两个性状相关基因，这两个基因都是通过连锁作图获得的。采用基因组测序的全基因组关联分析(GWAS)至今还没有定位到任何新的候选基因。 本研究采用了一种新颖的3‘端简化表达转录组分析方法-大规模cDNA末端分析，对126个狭叶羽扇豆品系进行了田间表达分析。该研究所分析的所有物候期和产量性状均存在显著的基因型与环境互作。主成分分析表明种群结构是驯化的瓶颈。GWAS为破译豆科植物春化途径做出了贡献，除突出已知的驯化位点外，还发掘了与狭叶羽扇豆性状相关的基因。早期物候期与春化、冷耐性和磷脂酰肌醇的免疫途径有关，而高产性状则与控制光合作用和非生物胁迫(干旱或高温)耐性的基因有关。本研究开发和验证了基于PCR的标记筛选方法，以便能够在标记分析中追踪到所需的等位基因。 实验设计 本研究选取126份狭叶羽扇豆品种构建了一个自然群体，并测定了始花期、末花期、株高、成熟期、产量及千粒重（TGW）等大田表型性状。研究人员在播种后第28天、第36天和第44天取样进行了大规模cDNA末端测序分析，并通过分子标记进行了驯化基因的分析以及候选SNP的数据分析及其在标记辅助选择中的应用。 结果 1?除产量外，所有性状都表现出很高的遗传选择性 ? 研究人员连续两年在波兰的两个地点获得了一组126份狭叶羽扇豆的表型数据。不同年份间观察到的表型平均值之间的差异是显著的，而除成熟度和TGW外，不同地点之间的差异也是显著的。年份和地点之间的互作对所有的性状来说都是显著的。研究人员在用方差分量相对于其标准差的大小来评价产量时，发现品种间的方差较低，通过SIMILA评价，品系与年份之间以及品系与地点之间的交互作用较大。广义遗传力系数(表1)较高，除产量(26.7%)外，其余均在70-85%之间。因此，试验间的平均遗传相关系数较高，TGW达70%，末花期、成熟度、株高达75~76%，始花期达85%，成熟度与株高呈极显著正相关(P0.05)。图1记录了开花、落花和结实的最早日期，这可归因于该地区2016年4月和5月的相对高温。在同一试验中，产量和TGW值最高，株高最低。从产量水平来看，上述温差并不影响春化，也可能是较低的温度和降水组合更适合产量形成。野生或原始品系的花期和成熟期比其他类型的品系晚(图2)，其它品种平均开花早、产量高。各试验株系间的相关关系表明，这些性状与植株高度在所有试验中也存在显著的相关性，但是其相关值较低。 ? 表1?实验间遗传力系数和遗传/表型相关系数的取值。 ? 图1?对四个实验中相关性状进行了统计分析。 ? 图2 根据分析品系的不同类型，4个表观性状的基因分布和数值分布。 ? 2 MACE基因分型产生了基于大规模基因的标记，并为欧洲狭叶羽扇豆驯化的瓶颈提供了新的证据 ? MACE法找出了175033个单核苷酸多态性标记，其中2842个符合GWAS条件：缺失率30%，次要等位基因频率(MAF)0.2，杂合性观察数80%。78.9%的SNPs(2242个)注释到1305个基因，每个基因的SNP数目在1-14个之间(图3A)。注释基因的SNP位置在5‘端上游162bp到3’端下游200bp之间(图3B)。绝大多数序列位于3‘非编码区和CDS尾部100-200nt之间，符合MACE方法学原理。其他区域的一些序列的存在突显了狭叶羽扇豆基因组注释的推测的不完备性。因此，用于GWAS的标记总数为2852个，不同染色体的标记数目不同。NLL-01、NLL-02、NLL-04和NLL-10有200多个标记，NLL-03、NLL-06、NLL-09、NLL-11、NLL-13和NLL-16在100~200个标记之间，NLL-08、NLL-14和NLL-17在50个标记以下。标记和品系的杂合度分布如图3C和3D所示，标记配对的连锁不平衡系数(LD)随其物理高度的增加而降低(图3E)；群体的选择和结构对连锁的一些影响大约发生在基因组7 Mb和17 Mb水平上。 ? 利用标记数据(图4)对群体结构进行主成分分析，并根据IR估计的KINS对材料进行聚类，结果表明狭叶羽扇豆属植物育种过程中存在驯化瓶颈，表现为来自不同国家的育种材料和品种群体。事实上，研究人员发现来自波兰，德国和乌克兰的一些育种材料展现出非常紧密的聚类。另外，来自德国，波兰和白俄罗斯的品种和繁育系形成了一个远离其他主产区的地方种质。 ? 图3 用于GWAS分析的MACE SNP标记数据集的特征。A.注释到基因的MACE SNPs数目的分布。B. MACE SNPs与基因