Axiom Sugarcane100K SNP芯片开发及其应用于遗传作图和抗SCYLV相关QTLs定位

发布时间：2020-08-21 20:39

【摘要】：甘蔗是生产蔗糖和生物能源乙醇的重要C4作物,已广泛种植于全球100多个热带和亚热带国家。蔗糖约占世界食糖总产的78%,占中国食糖总产的90%以上,同时,在全球范围内,大约60%的生物乙醇来自甘蔗。然而,甘蔗的生产受到许多植物病原体的侵染,严重地影响了甘蔗的生产,因此,挖掘与甘蔗病害抗性相关的基因对于甘蔗病害控制来说是迫切和需要的,但由于现代甘蔗栽培种的复杂基因组结构,甘蔗在遗传学和基因组学的研究方面面临着许多挑战。同时,现代甘蔗复杂的遗传结构,又导致了杂交后代性状的广泛分离,优良基因聚合概率极低,甘蔗杂交育种不得不依赖大群体,仅中国年种植实生苗就高达80～100万苗,需要开发育种目标性状相关数量性状位点(quantitative trait locus,QTL)和关联标记,为标记辅助育种提供技术,借助芯片技术无疑是一种高效的手段。因此,为加速甘蔗遗传和基因组研究,并为目标性状标记开发服务。主要研究结果与结论如下:1.Axiom Sugarcane100K SNP芯片的设计和开发。甘蔗单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP)的选择主要来源于两个数据集,分别是:从12个甘蔗种质的目标富集测序数据开发出了120万个SNPs(数据集1);来自288个甘蔗种质的目标富集测序数据开发出的340万个SNPs(数据集2)。1)经过一系列的筛选,分别从数据集1中选择31,449个单剂量(singledose,SD)SNPs,数据集2中选择68,648个低剂量(low dosage)[含33,277个SD和35,371个双剂量(double dose,DD)]SNPs,并最终把100,097个甘蔗SNPs放置在芯片上。2)根据高粱基因组对100K个SNPs进行功能效应(functional effects)注释,结果表明其中大多数SNPs(91,860个,占91.77%)位于基因区域内(涉及12,935个基因),平均密度为7.1个SNPs/基因。3)根据高粱基因注释文件,通过对比结果表明100K SNP芯片上共包含了 551个与糖代谢、抗病性和生物量(细胞壁)相关的基因,其中涵盖了 5,055个非冗余SNPs。4)同时,与12,387个非冗余甘蔗种间特异性SNPs以及207,761个非冗余甘蔗属间特异性SNPs的数据集比较,结果显示100K SNP芯片上包含了 305个甘蔗种间特异性SNPs和6,856个甘蔗属间特异性SNPs。2.Axiom Sugarcane 100K SNP芯片的多态性验证。为了评估Axiom Sugarcane1OOK SNP芯片的质量和实用性,把SNP芯片应用于469个甘蔗样品的基因分型。样品包括一个种间杂交群体(Green German×IND81-146),一个自交群体(CP80-1827)和 11 个多样性的甘蔗种质。经过对杂交信号的处理分析,基因分型结果显示Axiom Sugarcane1OOK SNP芯片在469个样本中具有高度多态性,多态性SNPs为77,113个,多态率为77.04%,结果表明此甘蔗SNP芯片对不同的甘蔗种质能进行有效的基因分型。3.利用Axiom Sugarcane100K SNP芯片进行遗传图谱的构建。对基因分型结果为SD的SNPs,在遗传分离群体里进行卡方检验(P0.01),通过检验的SDSNPs被用于构建连锁图谱。1)对于Green German,最终有3,514个SDSNPs(95.91%)被成功定位在150个连锁图谱上,此连锁图全长3,336cM,平均标记密度为0.95cM/标记,并且是目前甘蔗所有种质中涵盖标记数量最多、密度最大的高密度遗传连锁图谱;2)对于IND81-146,共有1,518个SDSNPs被成功定位在92个连锁图上,此连锁图全长2,615cM,平均标记密度为1.72 cM/标记,且是目前甘蔗细茎野生种中涵盖标记数量最多、密度最大的遗传连锁图谱;3)CP80-1827的111个连锁图全长3,651cM,含有562个SD SNPs,平均标记密度为6.5 cM/标记。通过以上甘蔗不同种质的遗传连锁图谱的结果,体现了 SNP芯片的广谱性和高效性,表明其具有良好的应用和推广价值。4.SCYLV抗性相关QTLs的鉴定。基于上述连锁图谱,进行SCYLV抗性相关的QTL分析。1)结果显示从Green German(感)×IND81-146(抗)杂交群体中共鉴定出17个SCYLV抗性相关的QTLs,其中包括了 10个主效QTLs,解释了 10.16%～31.83%的表型变异;和7个微效QTLs,解释了 3.17%～8.93%的表型变异。2)而在CP80-1827自交群体中只鉴定出了 2个SCYLV抗性相关的QTLs,包括一个主效QTL,解释了 11.2%的表型变异;和一个微效QTL,解释了 7.84%的表型变异。3)最终从这19个SCYLV抗性相关的QTLs区域,找到了 27个抗病基因。总之,本研究通过设计和开发了一个高通量、高效率、便于操作分析的Axiom Sugarcane100K SNP芯片,利用该芯片构建了高密度遗传图谱,并结合抗、感甘蔗黄叶病毒(Sugarcane yellow leaf virus,SCYLV)的双亲杂交分离群体和美国主栽品种CP80-1827的自交群体为材料进行分析,既验证了所创制芯片的质量和实用性,又实现了对遗传背景不同的一批甘蔗种质的基因分型,还发现了与SCYLV抗性相关的QTLs。这项研究结果表明,Axiom Sugarcane100K SNP芯片已获得成功开发和应用,作为甘蔗高密度标记的高效基因分型工具,它的推广和应用将促进和加快甘蔗遗传育种的进程。
【学位授予单位】：福建农林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S566.1
【图文】：

希希耍rP樱危行酒嘣菇ǜ收岣呙芏龋樱危幸糯鄪计祝]3?经过电泳凝胶检测，结果显示４６９个基因组ＤＮＡ样品，出现完整的单一主逡逑带（图３－１），即表明样品的基因组ＤＮＡ完整，纯度好。再通过Ｎａｎｏｄｒｏｐ的质逡逑量检测，４６９个ＤＮＡ样品的２６０／２８０值２邋１．８，并且同时满足２６０／２３０值２邋１．５。逡逑以上检测结果表明，４６９个ＤＮＡ样品均符合Ａｆｆｙｍｅｔｒｉｘ公司进行ＳＮＰ芯片基因逡逑分型的要求。将所有ＤＮＡ样品（４７１个ＤＮＡ，群体１的两个亲本各寄送一个重逡逑复样）转移至Ａｆｆｙｍｅｔｒｉｘ公司特制的９６孔板，并按要求寄送进行杂交实验。逡逑画跚画ＩＩ！跚＿１＿眶＿＿１丨＿＿１１１逡逑图３－１部分甘蔗基因组ＤＮＡ提取电泳图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋３－１邋Ｔｈｅ邋ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ邋ｒｅｓｕｌｔｓ邋ｏｆ邋ｇｅｎｏｍｉｃ邋ＤＮＡ邋ｆｒｏｍ邋１０２邋ｓｕｇａｒｃａｎｅ邋ｓａｍｐｌｅｓ逡逑３．２．２邋Ａｘｉｏｍ邋ＳｕｇａｒｃａｎｅｌＯＯＫ邋ＳＮＰ芯片基因分型结果初步分析逡逑Ａｆｆｙｍｅｔｒｉｘ在收到４７１个ＤＮＡ样品后，通过前期制作完成的Ａｘｉｏｍ逡逑ＳｕｇａｒｃａｎｅｌＯＯＫ邋ＳＮＰ芯片对所有ＤＮＡ样品进行杂交实验。在获得芯片杂交的扫逡逑描结果后，进行原始数据归一化处理，接着进行数据的质量控制。在群体１中，逡逑有９个样品由于ＤＱＣ（ｄｉｓｈ邋ｑｕａｌｉｔｙ邋ｃｏｎｔｒｏｌ邋ｖａｌｕｅ）值低于０．８２或是检出率（ｃａｌｌ邋ｒａｔｅ）逡逑低于９７％，而被过滤。通过质量检测的２９６个样品，根据Ａｘｉｏｍ邋ｂｅｓｔ邋ｐｒａｃｔｉｃｅｓ逡逑ｇｅｎｏｔｙｐｉｎｇ邋ｗｏｒｋｆｌｏｗ

ＩＮＤ８Ｉ－１４６的两个重复样品之间基因分型结果不一致的ＳＮＰｓ。结果表明，共有逡逑４４，５３５邋（４４．４９％）个多态性ＳＮＰｓ。通过比较群体１、群体２和１１个多样性种质逡逑中的多态性ＳＮＰｓ，总共获得７７，１１３邋（７７．０４％）个非冗余的多态性ＳＮＰｓ邋（图３－３）。逡逑以上结果表明，本研宄新开发的Ａｘｉｏｍ邋ＳｕｇａｒｃａｎｅｌＯＯＫ邋ＳＮＰ芯片在４６９个多样性逡逑种质的基因分型结果中，表现出具有较高的多态性。逡逑１邋１邋－ａｃｃｅｓｓｉｏｎｓ逦ＧＧ－ＩＮＤ逡逑／Ｉ邋＼邋３７１６５逡逑２６１６邋２２１３８逡逑、处逦逦一，，逡逑２８８３逡逑ＣＰ８０－１８２７逡逑图３－３基于Ａｘｉｏｍ邋ＳｕｇａｒｃａｎｅｌＯＯＫ邋ＳＮＰ芯片对两个遗传群体和１１个多样性甘蔑种质的基逡逑因分型多态性分析逡逑ＧＧ邋表示邋Ｇｒｅｅｎ邋Ｇｅｒｍａｎ；邋ＩＮＤ邋表示邋ＩＮＤ８１－１４６。逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋３－３邋Ｐｏｌｙｍｏｒｐｈｉｃ邋ｒａｔｅ邋ｏｆ邋ＳＮＰｓ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋Ａｘｉｏｍ邋ＳｕｇａｒｃａｎｅｌＯＯＫ邋ＳＮＰ邋ａｒｒａｙ邋ａｍｏｎｇ邋ｔｗｏ逡逑ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎｓ邋ａｎｄ邋１１邋ｄｉｖｅｒｓｅ邋ｓｕｇａｒｃａｎｅ邋ａｃｃｅｓｓｉｏｎｓ逡逑ＧＧ：邋Ｇｒｅｅｎ邋Ｇｅｒｍａｎ；邋ＩＮＤ：邋ＩＮＤ８１－１４６．逡逑３．２．３邋Ｇｒｅｅｎ邋Ｇｅｒｍａｎ和ＩＮＤ８１－１４６遗传连锁图谱的绘制逡逑在群体１中，成功进行基因分型的２９６个子代，将用于构建Ｇｒｅｅｎ邋Ｇｅｒｍａｎ逡逑和ＩＮＤ８Ｍ４６的遗传连锁图谱。逡逑对于Ｇｒｅｅｎ邋Ｇｅｒｍａｎ

本文编号：2799837