鲤头型性状的全基因组遗传解析及生长性状的SNP挖掘

发布时间：2020-07-18 01:51

【摘要】：鲤(Cyprinus carpio),广泛分布于从亚洲到欧洲的各个水域,具有悠久的养殖驯化历史。我国具有丰富的鲤种质资源,包括黄河鲤、荷包红鲤、瓯江彩鲤、松浦镜鲤等品种、品系。鲤的遗传多样性和其具有的异源四倍体基因组使得对该物种的研究越来越多,涉及遗传、免疫、进化等研究领域,同时涌现出大量可用的基因组、转录组、蛋白组等数据资源,为相关研究提供了更多技术及数据支持。鉴于鲤的重要生物学及经济价值,本文开展了鲤头型性状的全基因组遗传定位及生长相关基因的扩增子二代测序、SNP挖掘,并且系统研究了对骨骼及生长发育至关重要的bmp基因家族在四倍体鲤中的基因保留、表达模式、系统进化关系等。1.鲤头型性状的全基因组遗传解析头型性状是鱼类的重要性状,不仅可以作为判别不同品种品系的形态学指标,同时影响鱼的出肉率,因此也是重要的经济性状。在鱼类中,头型性状的遗传控制机制仍不清晰。在本研究中,我们利用来自多个家系的433尾黄河鲤个体进行了全基因组关联分析(GWAS),以鉴定与头型相关性状包括头长(HL)、头长/体长比(HBR)、眼径(ED)和眼间距(EC)相关的位点及基因。同时,利用鲤高密度遗传连锁图谱对其中个体数最多的G1家系进行数量性状位点定位(QTL)研究,以排除种群结构的影响,提高候选基因挖掘的功效。GWAS定位到12个与头型显著相关的位点,QTL定位得到18个显著性QTL区间。本研究结合GWAS和QTL的方法能够互相补充,增加我们对鲤鱼头型性状遗传机制的理解。为了探究头型与生长性状之间的相关性,对头型性状和已发表生长性状的QTL定位结果进行了比较,部分QTL区间存在重叠,显示了它们的遗传机制可能具有重叠性。对显著性位点附近进行候选基因挖掘,得到parv,srpk2,fsrp5,igf1,igf3,grb10,igf1r,notch2,sfrp2等与头型潜在相关的基因,这些基因中许多已被证明与骨骼发生和个体生长有潜在相关性。Igf1与黄河鲤鱼头型和生长同时具有相关性;硬骨鱼类特有igf3基因不仅与头长相关,也与头长体长比相关。我们的研究显示了Igf信号通路在鲤鱼生长和头型中均具有重要作用,并且协同其他与骨骼、生长发育相关的信号通路,如TGF-β、WNT等,共同调控鲤的头型,研究结果有望应用于鲤鱼及其他物种的选择育种,培育具有特殊头型的鱼类,满足经济或观赏需求。2.基于扩增子重测序的鲤生长相关基因的SNP挖掘生长性状在经济物种中得到广泛研究,已鉴定到多个生长相关的遗传座位或基因。为了精确定位生长性状相关的SNP,在已发表数据中选取12个生长相关的候选基因,在鲤基因组中调取基因全长序列,在黄河鲤体重、体长、去内脏重表型极端群体中进行PCR扩增,并借助Ion PGM测序平台使用PGM 318芯片进行扩增子重测序。对高通量测序数据进行SNP挖掘,共得到441个生长相关的SNP。对SNP进行注释及定位,发现18个SNP位于基因的外显子区,分别涉及somatolactin(smtl)、insulin-like growth factor1(igf1)、neuropeptide FF receptor 1(npffr1)、bone morphogenetic protein 10(bmp10)基因。通过进一步的统计检验及过滤筛选,获得5个与鲤生长密切相关的SNP位点,分别位于smtl、igf1外显子区。其中,smtl基因中的SNP-1、SNP-2、SNP-3在体重高、低两群体中等位基因频率差异明显,如SNP-1在生长快群体中表现为C等位基因频率约为T等位基因频率的2.6倍,而在生长慢群体中表现为C等位基因与T等位基因均衡出现,可见在该位点C/C纯合可能对鲤鱼的生长具有增效;SNP-2与SNP-3则与SNP-1具有相反的趋势,表现为在生长较快群体中两种等位基因频率无显著差异,而在生长较慢群体中差异较为明显,说明在这两个位点两种等位基因的杂合可能对鲤鱼的生长具有增效。此外,SNP-2为非同义突变,表现为编码氨基酸由缬氨酸转变为甲硫氨酸。在igf1中存在2个SNP对鲤的生长具有潜在影响,分别为SNP-4、SNP-5。其中,SNP-4在生长快群体中表现为C/C纯合,而在生长慢群体中表现为一定比例的C/T杂合,说明在该位点C/C纯合可能更具有生长优势;而在SNP-5中T/T纯合相对于T/C杂合可能更具有生长优势。在黄河鲤群体中进行sanger测序验证发现,SNP-3在体重高、低个体中等位基因型频率差异显著,表现为体重高的个体为TA杂合,提示该位点杂合可能对体重有增效,该位点已用于分子选育家系的构建。研究结果为鲤生长快速新品种、品系选育提供重要的参考依据,为其他鱼类经济性状的分子选育工作提供理论指导。3.鲤bmp基因家族的系统研究骨形态发生蛋白(Bmps)是一类信号蛋白,已知在各种器官形成和功能维持中起着重要作用,特别是在骨骼发生和生长发育中扮演重要角色。在以往的研究中显示,Bmp信号通路可能参与调控鲤头型及生长性状,且与其他近缘二倍体硬骨鱼相比,鲤经历了第四轮全基因组复制(4R WGD)事件,因此使它成为研究硬骨鱼基因组进化的重要模式生物。目前,鲤已经有丰富的基因组数据资源储备,为鲤bmp基因家族的系统研究提供了极大便利。在鲤基因组中共鉴定到44个bmp基因,是斑马鱼的两倍,提示该基因家族的扩张源于最近一次全基因组复制事件,使其与其他二倍体硬骨鱼相比拥有更丰富的拷贝基因。系统发育分析显示bmp基因家族成员在进化上高度保守,可以分为5个亚家族。对鳃、肠、肝、脾、皮肤、心脏、性腺、肌肉、肾脏、头肾、脑和血液等主要组织的表达谱分析,显示了四倍化的基因组中bmp基因得到了全面广泛的表达,但是同源拷贝基因间也存在着显着的表达差异,提示了在最近一轮全基因组复制事件之后加倍的bmp基因拷贝间可能存在功能的分化,如亚功能化、新功能化。对bmp4、bmp5基因进行共线性分析,提示了4R WGD后鲤基因组可能存在基因丢失或染色体重排现象。鲤bmp基因家族的系统研究为理解硬骨鱼类基因组进化提供了更多的线索。
【学位授予单位】：河南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S917.4
【图文】：

遗传结构,亲缘关系,矩阵,样本

matrix）对个体的遗传背景进行聚类分析。第一和第二维度使用 R 包绘图，以显示个体间的亲缘关系（图 2-1 和图 2-2）。图2-1 基于亲缘关系矩阵的GWAS样本的遗传结构X 轴代表第一维，Y 轴代表第二维，不同颜色显示不同家系来源，粉色阴影为 G1 家系Fig 2-1. Sample structure identified by a centered relatedness matrix in GEMMA.The first dimension (mds 1) was assigned to X axis, and the second dimension (mds 2)was assigned to Y axis. Individuals from G1family were circled in pink.

遗传结构,QTL定位,矩阵,相似性

7图2-2 基于相似性矩阵的QTL定位样本的遗传结构X轴代表第一维，Y轴代表第二维Fig 2-2. Sample structure identified by IBS similarity matrix for QTL. The firstdimension (mds 1) was assigned to X axis, and the second dimension (mds 2) wasassigned to Y axis.先用 PLINK 软件进行初步的全基因组关联分析。全基因组范围的经验性 p值用 100,000 次置换检验校正。基因组 inflation factor (λ = median(Xi2)/0.456),Xi2 是所有标记或者实际关联分析卡方统计量的分布，λ>1 说明群体分层或者基因分型错误（基因分型错误的 SNP 已被过滤）。在不同表型中 λ 的变化范围为1.50-8.73（表 1），表明样本潜在的群体分层，和 MDS 的结果一致（图 2-1）。为了适应群体分层，使用 GEMMA 软件进行 GWAS 分析，GEMMA 软件可以估算个体的亲缘关系矩阵并加入关联分析中，其应用全基因组高效混合模型关联算法，将亲缘关系矩阵、表型和基因型拟合成单变量线性混合模型，如下：y

头型,生长性状,性状,相关性分析

占身体的比例，直接影响到鱼体出肉率，因此对该性状遗传基础的解析将对头型性状性状的了解提供更多有价值的信息。图2-3 生长性状和头型性状的相关性分析Fig 2-3. Phenotypic correlation of the related traits in Yellow River carp. Circlesize was distinguished by correlation coefficient; x indicate no correlation.2.2.2 GWAS 和 QTL 定位GWAS 中定位 12 个显著性 SNPs（-log10P > 5.02），其中头长显著性 SNP 为4 个，头长体长比为 1 个，眼径为 4 个，眼间距为 4 个（表 2-2，图 2-5），这些

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