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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。


数据集
DataSet
单倍型
Haplotype
chr06_2234168 chr06_2234700 chr06_2234735 chr06_2235191 chr06_2235522 chr06_2236645 chr06_2237266 chr06_2237521 chr06_2238002 chr06_2238193 chr06_2238719 chr06_2239035 抽穗期
hd
(mean±sd, d)
产量
yield
(mean±sd, g)
数量
Count
V Hap.A GG CC GG GG CC AA AA GG AA CC AA GG 91.11±8 29.52±11.32 63
Hap.B GG CC GG GG CC AA TT GG AA CC AA GG 89.29±7.72 24.97±7.54 7
Hap.C GG CC GG GG CC GG AA AA GG GG AA GG 87.25±8.96 20.01±2.59 4
Hap.D TT TT AA AA TT AA AA AA GG CC GG GG 80.5±NA 47.21±NA 1
Hap.E TT TT AA AA TT GG AA AA GG GG GG TT 93.52±6.41 30.18±10.11 33
Hap.F TT TT AA GG TT GG AA AA GG GG GG TT 94.25±7.46 33.28±12.46 4
TC Hap.G GG CC GG GG CC AA AA GG AA CC AA GG 90.2±8.93 40.86±12.86 121
Hap.H GG CC GG GG CC AA AT GG AA CC AA GG 85.73±14.37 46.25±12.64 13
Hap.I GG CC GG GG CC AG AA AG AG CG AA GG 89.75±10.38 34.52±14.33 8
Hap.J GT CT AG AG CT AA AA AG AG CC AG GG 98.75±2.47 29.9±3.04 2
Hap.K GT CT AG AG CT AG AA AG AG CG AG GT 92.22±8.69 42.1±14.82 223
Hap.L GT CT AG AG CT AG AT AG AG CG AG GT 89.38±8.37 41.91±14.6 21
Hap.M GT CT AG AG CT GG AA AA GG GG AG GT 100.89±12.14 33.86±11.89 9
Hap.N GT CT AG GG CT AG AA AG AG CG AG GT 95.29±6.96 50.74±17.13 7
Hap.O TT TT AA AA TT AG AA AA GG CG GG GT 80.33±2.89 35.73±3.66 3
Hap.P TT TT AA AA TT GG AA AA GG GG GG TT 93.49±6.44 43.34±13.59 88
Hap.Q TT TT AA AG TT GG AA AA GG GG GG TT 97.41±4.81 39.72±11.23 11
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附表7 抽穗期基因Hd17的单倍型分析
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]。
近年来, GWAS在植物的复杂性状中得到广泛应用, 如Wang等[12]通过高通量重测序获得的高质量SNP数据对529份水稻品种的抽穗期叶绿素含量进行关联分析, 确定了46个重要的关联基因位点。通过结合近等基因系和转基因植物的证据, 清楚地证明了Ghd7是控制水稻株高、每穗粒数及抽穗期的关键位点, NAL1 位点既控制植株的叶宽, 又是调整叶绿素含量变化的主要位点。Yano等[13]通过精心筛选出的176份粳稻品种进行重测序, 并对这些品种的6个农艺性状(抽穗期、株高、穗长、每穗粒数、叶宽和芒长)进行GWAS分析, 再根据估计的SNP效应筛选候选基因, 因而在标准SNP分析中无法检测到某些基因, 可以通过使用基于基因的关联分析检测到。Han等[14]考察了短日照条件和长日照条件下100份种质的抽穗期, 并分别对籼稻亚群和粳稻亚群进行了全基因组关联研究。研究结果表明, 基于单倍型的分析确定了对育种有利的Ghd7OsMADS56单倍型设计。Jing等[15]使用染色体片段替代系(chromosomal segment substitution lines, CSSL)群体鉴定了对野生稻抽穗期有主要影响的数量性状基因座qHD7.2。基于对来自6个环境的表型数据和181个多态性分子标记的关联分析, 确定qHD7.2位于7号染色体上的RM172附近。同时, 序列分析表明, 栽培稻中OsPRR37具有多个起源, 编码域序列和启动子区的自然变异有助于栽培稻开花时间的多样性。
根据基因SDG724编码区序列中的SNP位点, 构建单倍型。在V和TC中分别找到了8种和9种单倍型(表1、附表4和附表5)。抽穗期为Ghd7基因编码区序列中的SNP位点构建单倍型, 分别在V和TC中检测到3种、6种单倍型(表1和附表6)。Hd17编码区序列中的SNP位点构建单倍型, 在V和TC中分别找到了6种和11种单倍型(表1和附表7)。亲本中, 这3个基因对应单倍型株系大于5的最优单倍型, 产量均值约为30 g, 抽穗期约为93 d。我们发现, SDG724、Ghd7Hd17基因亲本单倍型对应的测交子代抽穗期与母本差异小(均值差异小于1 d), 但产量显著高于父本。
本文的其它图/表