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基于NCII遗传交配设计的籼稻抽穗期全基因组关联分析
徐凯, 郑兴飞, 张红燕, 胡中立, 宁子岚, 李兰芝
作物学报    2023, 49 (1): 86-96.   DOI: 10.3724/SP.J.1006.2023.12079
摘要   (690 HTML28 PDF(pc) (5448KB)(232)  

抽穗期受光温资源和基因网络的共同调控, 影响作物产量和品种的地域适应性, 通过关联分析鉴定与抽穗期性状相关的显著位点和基因, 对解析抽穗期的遗传基础具有重要意义。本研究按照双因素交叉式遗传设计(North Carolina design II, NCII)将115份籼稻品种作为父本, 5份不育系作为母本, 进行测交, 得到了575个F1代的测交群体。对亲本和F1代抽穗期的表型值、亲本品种群体的一般配合力、F1代群体的特殊配合力和超亲优势值进行全基因组关联分析, (1) 共定位到104个关联位点, 分布在12条染色体上。其中, 第4条染色体上检测到的显著位点最多, 为16个。在亲本的抽穗期表型、一般配合力、F1代的抽穗期表型、特殊配合力、超亲优势值5个数据集中分别检测到6、5、15、57和21个。对这5个数据集中的显著关联位点进行表型变异分析, 发现在亲本抽穗期表型、一般配合力、F1代抽穗期表型、特殊配合力和超亲优势值这5个数据集中的显著关联位点对表型变异的总贡献率(phenotypic variation explained, PVE)分别为79.57%、10.51%、33.35%、56.42%和54.86%。其中, 25个位点在多个数据集中被检测到, 可能为抽穗期相关的热点区域。(2) 通过关联分析得到的显著位点与日本晴参考基因组注释信息比对, 共检测到5个已克隆抽穗期基因, 其中3个基因与显著关联位点的基因组距离小于200 kb, 对这3个基因中的单倍型组合与单个基因的优异单倍型进行比较发现, 亲本品种群体中单倍型组合SDG724 (Hap.A)_Hd17 (Hap. E)_Ghd7 (Hap. A)的对应的水稻单株籽粒产量较高, 抽穗期较长, 该组合中各基因的单倍型对应于单个克隆基因的优异单倍型, 表明优异单倍型的聚合的常规稻, 具有更高的产量和更长的抽穗期。测交子代未见此情形, 测交子代群体中SDG724 (Hap. I)_Hd17 (Hap. K)_Ghd7 (Hap. I)的单倍型组合形式的水稻有适中的抽穗期和较高的产量, 说明测交子代的抽穗期遗传机制较父本(常规水稻品种)复杂。全基因组关联分析和单倍型分析相结合, 能利用到多个SNP提供的连锁不平衡信息, 提高了基因检测效率, 对培育高产的水稻品种具有重要的指导意义。


SAL 数据集
DataSet
染色体
Chromosome
起始位置
Start
终止位置
End
关联到阈值水平最高的位点
Highest Association Site
P值负对数
−log10 (P)
SAL1 V 6 4730505 4730505 chr06_4730505 10.14061526
V 10 16080525 16080525 chr10_16080525 6.545290071
GCA 1 33603983 33603983 chr01_33603983 6.85737051
GCA 2 4065908 4065908 chr02_4065908 5.976967
GCA 4 20338147 20338147 chr04_20338147 5.185557
GCA 6 4745474 4745474 chr06_4745474 8.926052
TC 2 28380703 28380703 chr02_28380703 7.163092
TC 5 16703102 16703102 chr05_16703102 6.499328302
TC 7 26527050 26562456 chr07_26527050 5.176122719
TC 12 3864512 3864512 chr12_3864512 8.410424
TC 12 11533522 11533522 chr12_11533522 8.43912
SCA 2 29065323 29065323 chr02_29065323 7.064964096
SCA 11 10572420 10572420 chr11_10572420 5.360353371
SAL2 TC 6 4745474 4831914 chr06_4831914 13.66548
SCA 10 16100848 16100848 chr10_16100848 7.247927987
BPH 1 33223657 34531439 chr01_34042495 7.888104243
SCA 2 4255102 4310130 chr02_4255102 6.381851153
SCA 4 19894988 20618276 chr04_19931704 8.646770265
TC 6 4745474 4831914 chr06_4831914 13.66548
BPH 2 28453213 28453213 chr02_28453213 5.07193869
BPH 5 16703102 16703102 chr05_16703102 5.960448446
SCA 7 26337284 26337284 chr07_26337284 7.734907569
BPH 12 3970723 3970723 chr12_3970723 5.436513114
BPH 12 11432955 11432955 chr12_11432955 5.470334349
BPH 2 28881879 28881879 chr02_28881879 5.326320712
BPH 11 10747918 10763678 chr11_10747918 5.125963338
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附表3 在多个数据集中检测到的显著关联位点(SALs)
正文中引用本图/表的段落
抽穗期决定生殖周期的开始, 受环境条件的影响很大, 主要由光敏性、温度敏感性和植物生长持续时间决定。迄今为止, 文献中已针对该性状报道了数百个QTL (http://archive.gramene.org/qtl/)。例如, 已经确定了几种在长日照条件下控制开花的上游调控因子。其中, Nemoto等[2]发现, Ghd7Ehd1中的顺式调节区结合, 并且仅在非诱导性长日照条件下才抑制其表达。同时, Ghd7在控制水稻的产量、株高和抽穗期中起着至关重要的作用。在长日照条件下, Ghd7的增强表达会推迟抽穗并增加株高和穗的大小, 而功能减弱的自然突变体可使水稻在温带甚至更冷的地区种植。水稻作为植物遗传研究的模式植物与拟南芥具有许多同源基因。例如, Hd1是拟南芥中CONSTANS的直系同源基因, 在短日照下可促进抽穗期开花, 在长日照下可抑制Hd3a的表达从而延缓抽穗[3-4]。Hd3aRFT1是拟南芥中FT (flowering locust)的同源基因, 作为成花素基因促进抽穗和开花[5]。Hd3a在短日照条件下促进抽穗, 而RFT1在长日照条件下充当开花活化因子以诱导水稻抽穗[6]。Hd17是拟南芥早花基因Ef3的一个同源基因[7]。Hd17能降低Ghd7的表达, 上调Ehd1的表达, 同时通过下调OsGI表达来降低Hd1的表达, 因而能在长日照条件下诱导水稻抽穗开花[8?-10]。
为了选择更好的特征标记关联模型, 使用GLM、MLM、FarmCPU和Blink模型进行关联分析。QQ-plot结果表明: Blink模型在控制假阳性方面明显优于GLM、MLM和FarmCPU (附图2~附图4)。因此, 对于抽穗期的5个数据集, 选用BLINK模型的GWAS结果, 在V、GCA、TC、SCA和BPH数据集中共检测到104个显著关联位点, 涉及到12条染色体(详见附表2)。其中4号染色体上检测到的显著位点最多, 为16个, 其次是12号染色体上检测到14个, 而在1号、2号、3号、5号、6号、7号、8号、9号、10号和11号染色体上检测到的显著位点分别仅有3、11、6、11、11、9、5、1、8和9个。在不同的数据集中, 重叠的显著关联位点有3组(图3中黑色虚竖线标识), 基因组距离小于200 kb的显著关联位点有10组(图3中蓝色虚竖线标识, 附表3), 共包含25个显著关联位点。其中, 7号染色体上的Ghd7附近在TC和SCA中分别检测显著的显著关联位点; 2号染色体Ghd2附近在BPH (<200 kb)、SCA (<700 kb)和TC (<1.3 Mb)中分别检测到显著的显著关联位点(图3)。这些结果说明, 抽穗期GWAS结果的重复性较高, 这些位点可能为新发现的抽穗期相关的热点区域。
通过检查显著关联位点是否位于基因上下游各200 kb区域作为候选基因的选择标准, 最终在V、GCA、TC、SCA和BPH中分别定位到26、16、60、228和84个候选基因, 这些基因均为已克隆基因。其中, 在V中定位到的克隆基因SDG724, 据文献报道, 该基因通过调控MADS50RFT1位点的H3K36me2/3甲基化水平, 影响“MADS50/MADS51- Ehd1-Hd3a/RFT1”途径, 促进水稻开花[30]。在SCA中定位到2个克隆基因Hd17Ghd7, 它们都是水稻光周期开花途径中的1个组成部分。值得注意的是, 在GCA和BPH数据集中, 同时在1号染色体上的1个显著关联位点中的SNP位点Chr.1_33603983, 该位点附近200 kb鉴定到了3个克隆基因(LC1、OsPME1OsERF3)。其中, LC1编码1个生长素氨基合成酶OsGH3-1, 在水稻各组织中均有表达, 作用是催化过量的IAA与多种氨基酸结合来维持生长素的体内平衡。通过调控生长素的体内平衡, LC1改变叶夹角处的细胞伸长来调控叶夹角[31]。OsPME1仅在花粉发育后期表达, mRNA水平在甘露醇处理后上调, 在热、冷、干旱、水淹和水杨酸处理后下调, 盐处理没有影响; mRNA水平在镉和锌处理下调, 汞和铜处理则没有变化; 不同浓度生长素处理后表达上调, GA3处理后下调, 100 μmol L-1高浓度的脱落酸处理后表达上调[32]。ERF3调控冠状根发育, 在生长素和细胞分裂素应答基因的表达中发挥作用。ERF3能直接与细胞分裂素应答基因RR2结合, 正向调控RR2表达, 控制冠状根的起始; 而在冠状根伸长过程中, ERF3WOX11互作, 可能抑制RR2[33]。
本文的其它图/表