甘蓝型油菜株高和一次有效分枝高度候选基因的筛选

发布时间：2020-07-28 13:43

【摘要】：甘蓝型油菜(Brassica napus L.)的株高、一次有效分枝高度是与结荚厚度、产量相关的重要性状。本研究利用已构建的高密度遗传连锁图对重组自交系群体株高和一次有效分枝高度进行QTL定位;利用重测序自然群体提取的SNP数据,对株高和一次有效分枝高度的表型数据进行全基因组关联分析;同时,结合株高和一次有效分枝高度极端差异材料的转录组测序分析结果,筛选与株高和一次有效分枝高度相关联的差异候选基因,并用qRT-PCR方法对其进行表达模式分析,明确其基本的生物学特征。主要结果如下:1.株高和一次有效分枝高度的表型变异在2016年、2017年中,重组自交系群体的株高在两年间的变异系数分别为5.24%和5.75%,一次有效分枝高度的变异系数为18.58%和17.73%;自然群体中,株高的变异系数为8.57%和10.16%,一次有效分枝高度的变异系数为26.65%和27.86%。株高和一次有效分枝高度在两年间的表型变异较为稳定,株高的变异系数相对于一次有效分枝高度较小。重组自交系群体中,株高和一次有效分枝高度的广义遗传力分别为75.45%和68.77%,自然群体中分别为87.42%和82.21%。在同一群体中,株高相对于一次有效分枝高度的遗传力较高。两性状在各个环境下均呈现连续正态分布,属于由多基因控制的数量性状。2.两性状与产量和结荚厚度的相关分析和通径分析在两年两群体中,株高与结荚厚度、经济产量均呈极显著正相关;一次有效分枝高度与结荚厚度呈极显著负相关或负相关,与经济产量在自然群体中呈极显著正相关,在重组自交系群体中相关性不明显。通径分析表明,株高对经济产量的直接正效应较大,一次有效分枝高度对经济产量呈直接负效应,它们在各环境中对经济产量的效应一致,只在作用大小上有一定的差异。3.重组自交系群体株高和一次有效分枝高度的QTL定位在已经构建的遗传图谱基础上,运用复合区间作图法对2016年、2017年株高和一次有效分枝高度的表型数据以及BLUP值进行QTL定位分析,共检测到19个QTL位点,单个QTL解释4.60%-19.10%的表型变异,位于A01和A09上的QTL位点加性效应为负值,增效基因来自父本,其余的QTL来自母本。株高共检测到10个QTL位点,分别位于在A03、A04和A09染色体上,单个QTL解释4.60%-13.29%的表型变异,其中位于A04染色体上的QTL位点(A04:13373664-13531885)在2017年和BLUP值中均被检测到;一次有效分枝高度检测到9个QTL位点,分别位于A01、A02、A05、A09、C01和C05染色体上,单个QTL解释5.12%-19.10%的表型变异,其中q-2017BH-A09-1(32375997-32618214)、q-BLUP-BH-A09-2(32435925-32608817)和q-BLUP-BH-A09-3(32514368-32619386)有交叉重叠区段。4.自然群体株高和一次有效分枝高度的全基因组关联分析自然群体的株高和一次有效分枝高度在最佳模型下共检测到89个显著SNP位点。其中,株高共检测到75个显著SNP位点,分别分布于A02、A03、A07、C02和C06染色体上,表型变异贡献率为6.01%-20.05%,这些位点中有42个SNP位点均在2017年和BLUP值中被检测到,A02染色体上有1个,A07染色体上有38个,C06染色体上有3个;一次有效分枝高度共检测到14个显著SNP位点,分别位于A02、C02、C03、C04、C05和C09染色体上,表型变异贡献率为6.23%-18.36%,这些位点中有5个SNP位点均在2017年和BLUP值中被检测到,A02染色体上有3个,C02和C05染色体上各有1个。5.极端表现型材料的转录组分析在株高极端材料的茎尖中检测到7206个显著差异表达基因,株高较高材料(YC4)相对于株高较矮材料(YC15)有3475个基因显著上调表达,3731个基因显著下调表达。在一次有效分枝高度极端材料的茎尖中检测到5128个显著差异表达基因,一次有效分枝高度较高材料(YC11)相对于一次有效分枝高度较矮材料(YC4)有2654个基因显著上调表达,2474个基因显著下调表达。株高和一次有效分枝高度的DEGs在GO分析和KEGG分析中富集生物学功能和代谢途径的趋势一致。在生物过程分类中,参与最多的GO类别是细胞过程、单一生物过程、代谢过程;在细胞组分方面,分布最多的是细胞、细胞成分和细胞器;在分子功能方面主要集中在结合、催化两类别上。KEGG分析中,富集在核糖体的基因最多;其次是碳代谢和氨基酸生物合成及植物激素信号转导。6.候选基因的筛选和表达验证根据所得的QTL位点获取置信区间内的基因和关联分析SNP位点上下游500 kb区间内的基因,结合转录组分析确定的差异基因,再结合拟南芥同源基因功能,筛选出可能与株高性状相关的13个基因和与一次有效分枝高度相关的11个基因。这些基因的拟南芥同源基因参与植物生长发育,影响细胞增殖、细胞扩增,调节细胞周期、细胞壁形成,参与赤霉素、亚精胺合成代谢途径、核糖体组成等方面。通过qRT-PCR验证转录组数据结果,各候选基因两组结果在差异材料间的表达趋势基本一致。与株高相关的13个候选基因中BnaA02g09200D、BnaA04g17490D、BnaA07g27280D、BnaA07g28720D、BnaA07g28820D和BnaC02g35320D基因在株高较高材料的茎尖中表达量较高,而BnaA02g09270D、BnaA03g47940D、BnaA04g17050D、BnaA04g17120D、BnaC06g30260D、BnaC06g30400D和BnaC06g30410D基因在株高较高材料的茎尖中表达量较低。与一次有效分枝高度相关的11个候选基因中BnaA01g25960D、BnaA01g30830D、BnaA02g31980D、BnaA02g37010D、BnaA09g49220D、BnaC02g14570D和BnaC02g14600D基因在一次有效分枝高度较高材料的茎尖中表达量较高,而BnaA01g27550D、BnaA01g28120D、BnaA01g29630D和BnaA09g48360D基因表达量较低。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S565.4
【图文】：

序列,差异表达基因,表现型,材料

图 3.1 极端表现型材料Figure 3.1 The picture of extreme phenotype lines.2 差异表达基因的筛选和分析使用 Illumina HiSeq 2500 平台对文库进行双末端测序，之后过滤掉接头序读长小于 80 的低质量序列。过滤后的纯净序列比对油菜转录组数据库 http://www.genoscope.cns.fr/brassicanapus/data/），利用 feature counts 将数据化，基因表达水平以 FPKM 衡量。差异表达基因（Differentially Expressed GeGs）的筛选的标准是根据错误发现率（False Discovery Rate, FDR）≤ 0.05|log2（fold change）| ≥ 1（fold change 指表达量的比值）。差异基因进一步做 GO （Gene Ontology）和 KEGG （Kyoto Encyclopednes and Genomes）富集分析。GO 富集分析是一个国际标准化的基因功能分，全面描述生物体中基因和基因产物的属性。GO 总共有三个 Ontology：生（Biological process）、细胞组分（Cellular component）、分子功能（Molection）。KEGG 是有关 Pathway 的主要公共数据库，KEGG 富集分析则是将 D集到生物体内的代谢通路或是信号转导途径。这两个分析运用网上在

频次分布,有效分枝,频次分布,株高

图 4.1 两群体株高和一次有效分枝高度的频次分布Figure 4.1 Frequency distribution of plant height and the first branch height in two populatio1.2 株高和一次分枝高度与产量关联性状的相关性分析由表 4.2 可知，在 2016 年和 2017 年重组自交系群体中，株高与一次有效分度、结荚厚度、经济产量和收获指数均呈极显著正相关；一次有效分枝高度荚厚度两年都呈极显著负相关，与经济产量相关性未达到显著水平，2016 年获指数呈显著正相关，2017 年未达到显著水平；结荚厚度两年间与经济产量显著正相关，与收获指数相关性不显著；经济产量与收获指数均呈极显著正。

位点,有效分枝,连锁群,加性效应

共检测到 19 个QTL 位点，分布在 8 条染色体上，其中在 A09 染色体上检测到的 QTL 数量最多（图4.2）。位于 A01 和 A09 上的 QTL 位点加性效应为负值

【参考文献】