甘蓝型油菜遗传结构分析和选择驯化研究

发布时间：2017-08-07 07:23

  本文关键词：甘蓝型油菜遗传结构分析和选择驯化研究

  更多相关文章： 甘蓝型油菜 基因组 群体分化 选择信号 全基因组关联分析

【摘要】：大约在一万年前,甘蓝型油菜(基因组为AnAnCnCn)由甘蓝(基因组为CoCo)和白菜(基因组为ArAr)异源杂交并多倍化形成。油菜的驯化历史很短,大概只有三四百年的时间,由于对不同气候和纬度的环境适应而分化为冬性、春性和半冬性三种类型。随着测序技术和方法的不断更新,群体遗传学已成为挖掘植物复杂性状关于自然变异和人工选择最有力的工具。与此同时,新一代测序技术的出现使得基因分型的成本越来越低,加上白菜、甘蓝和甘蓝型油菜基因组序列和注释信息的释放,利用组学的数据对甘蓝型油菜遗传结构和选择驯化的研究将越来越受到关注。本研究利用国际芸薹属联盟开发的新一代测序技术Brasscia SNP 60K基因芯片对327份从全世界收集的不同来源的油菜进行基因分型,随后又结合101份油菜叶片的转录组测序数据和拟南芥的Microarray数据对甘蓝型油菜遗传结构和选择驯化进行研究,最终目的是想阐明油菜适应不同环境和地区的分子机制。该研究对于挖掘油菜种质资源的潜力,增强油菜品种的适应性具有重要的理论和实践意义。研究结果主要有以下几个方面：一、甘蓝型油菜遗传结构和核苷酸多样性分析1.全基因组水平的连锁不平衡(LD)和遗传结构分析本研究利用过滤后的SNP数据(32641个SNP标记)在全基因组水平对所有材料进行连锁不平衡(LD)分析,结果显示,当LD衰退到最大值一半时,衰减距离大约为150 kb,这和其他一些自交作物的衰退基本一致。另外,当r2=0.1时,A亚基因组的衰退距离为0.35-0.4 Mb,而C亚基因组的衰退距离为3.5-4 Mb,说明甘蓝型油菜A亚基因组发生了更多的重组,使得衰退距离显著小于C亚基因组。重组的发生会打破LD,所以本文将那些容易发生重组,LD相对也低的区域称为LD热点；相反,则称为LD冷点。通过全基因组水平的LD热点和LD冷点研究发现,78.16%的LD热点分布在A亚基因组而72.59%的LD冷点分布在C亚基因组。另外,LD热点区间的基因密度是冷点区间的2倍多,GC含量也多于冷点区间,但是冷点区间内含有更多的转座子,这和LD反映的结果一致,都说明了油菜A亚基因组的遗传变异更加丰富。2.群体结构和遗传多样性分析为了从全基因组水平比较三个生态型的不同,本文基于过滤后的SNP数据对所有材料进行群体结构和遗传多样性的分析。群体结构和PCA清晰地将所有材料分为冬性、春性和半冬性三个亚群,并且材料相互之间有遗传渗透,尤其是半冬性材料中渗入了很多的冬性和春性遗传成分。三个生态型组合的遗传多样性和LD分析说明,半冬性材料在A亚基因组有更高的核苷酸多样性(π)和更快的LD衰退距离,说明中国半冬性油菜从欧洲引入亚洲后导入了油菜的亲本之一白菜的遗传成分,拓宽了半冬性油菜A亚基因组的遗传多样性,导致半冬性油菜在A亚基因组上的遗传距离增加,LD衰退加快。3.群体扩张分析在油菜的育种过程中,研究发现遗传多样性有所丢失,但群体中低频等位基因不断累积,所以本文通过稀有SNP的变化来研究不同生态型油菜的群体扩张现象。研究发现,半冬性油菜组合在每条染色体上的稀有SNP数目都显著多于冬性和春性油菜(T测验,p=5.17×10-7),同时半冬性油菜稀有SNP分布的区间内Tajima's D值显著小于0,这说明半冬性油菜在上世纪30-40年代从欧洲直接或间接通过日本引进中国后,正在经历群体扩张,而且这种扩张还在继续。二、不同生态型油菜的群体分化和选择信号研究1.不同生态型油菜组合间的群体分化(Fst)研究冬性(W)、春性(S)和半冬性(SW)油菜在春化、开花等环境适应性方面存在明显的差异,本文首先通过Genepop v4.2软件计算三个生态型组合(S-W, W-SW和SW-S)的Fst值,接着利用滑动窗口分析对Fst值进行优化,结果表明,冬性和半冬性油菜群体之间的平均分化程度最大(Fst=0.235),春性和半冬性油菜群体之间的平均分化程度最小(Fst=0.173)。并在顶部5%的Fst群体分化区间,本文发现一些与适应性相关(比如开花期,黑胫病抗性及菌核病抗性等)的基因和QTL,这些结果可为将来不同生态型油菜的群体分化研究提供依据。2.中国半冬性油菜组合(SW)与欧洲冬性和北美春性油菜组合(WS)的选择信号研究油菜从欧洲引入中国不到一百年的栽培历史,由于瓶颈效应的影响和本地白菜型油菜遗传成分的导入,中国半冬性油菜(SW)与欧洲冬性和北美春性油菜(WS)在抗性、品质和开花行为等方面都有明显的不同。基于以上现象,本文对这两组不同类型的油菜进行群体分化和选择信号的研究,本文将顶部5%的Fst群体分化区间内的基因通过在线软件agriGO进行基因富集分析,结果显示SW与WS组合的差异基因主要富集在响应春化、硫苷代谢进程、油脂代谢进程、顶端分生组织的发育调控、开花、昼夜节律的调控和水杨酸介导的信号途径等生物学进程。另外,本文通过顶部5%的Fst和核苷酸多样性的比值(πSW/πWS)的交集来衡量选择信号,结果表明,在WS组合选择信号区间A09上检测到一个与黑胫病抗性相关的QTL,在SW选择信号区间C06上发现一个与菌核病抗性相关的QTL,这反映了不同生态型油菜适应当地环境后表现出对病害抗性的不同选择。3.冬性和春性油菜的差异分析本文通过两种分析方法(第一种同上利用Fst分析,第二种通过GSAA软件)对冬性和春性油菜的差异基因(顶部5%的Fst群体分化区间)进行富集分析,二者共同富集在响应刺激、防御反应和开花行为这三个生物学进程,这同样反映了不同类型油菜对环境的适应性。4.冬性和春性油菜开花期的全基因组关联分析(GWAS)为了研究冬性和春性油菜开花差异的内在因素,减少环境等地域的影响,本研究将60份冬油菜和71份春油菜种植于中国半冬性环境下,对开花期性状进行GWAS分析。为了控制开花期表型数据,本文进行了最佳线性无偏预测(BLUP)矫正,最后通过Tasselv5.0软件对矫正后的数据通过PCA+K模型进行GWAS分析。结果在A02、A03、A09和C08染色体上共检测到38个显著的SNP位点,解释的变异的从5%到28%。其中C08显著SNP区间(35.01-35.38 Mb)与A09上显著SNP区间(30.00-31.21 Mb)是同源的。另外,除了A02上显著位点附近有一个开花基因FLC,其他的位点都是新发现的,在前人研究的开花期QTL和基因中未被检测到。这些位点可能是冬性和春性油菜适应中国半冬性环境后,表现出与环境相适应的位点,结果还需要进一步的实验验证。5.不同作物开花基因FT的保守性分析本文利用Lu等(2014)的转录组测序数据和Des Marais等(2012)的Microarrays表达量数据进行生物通路富集分析,最终发现冬性和春性的差异基因与植物H3K27me3调控机制有关,该机制参与植物的春化反应,并对FT基因进行调控,随后对FT基因的结构分析,发现不同物种在生态型开花适应性方面,存在基因保守性现象。
【关键词】：甘蓝型油菜 基因组 群体分化 选择信号 全基因组关联分析
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S565.4
【目录】：

• 摘要7-10
• ABSTRACT10-14
• 第1章 文献综述14-36
• 1.1 甘蓝型油菜的起源和进化14-16
• 1.1.1 芸薹属的起源14-15
• 1.1.2 甘蓝型油菜的起源和栽培历史15
• 1.1.3 甘蓝型油菜在我国的分布15-16
• 1.2 重要农作物基因组测序的研究进展16-19
• 1.2.1 从一代测序到高通量测序的发展16-17
• 1.2.2 重要植物的全基因组测序17-18
• 1.2.3 高通量测序在植物中的应用18-19
• 1.3 甘蓝型油菜及其亲本种测序进展19-22
• 1.3.1 白菜基因组的测序19-20
• 1.3.2 甘蓝基因组的测序20-21
• 1.3.3 油菜基因组的测序21-22
• 1.3.4 其他高通量测序在油菜中的应用22
• 1.4 SNP的检测方法比较及在油菜中的应用22-25
• 1.4.1 SNP的定义、特点和研究意义22-23
• 1.4.2 SNP检测方法23-25
• 1.4.3 SNP芯片技术在油菜中的应用25
• 1.5 关联分析的研究进展及在植物中的应用25-31
• 1.5.1 关联分析的基础-连锁不平衡26
• 1.5.2 LD的原理和度量26-27
• 1.5.3 影响LD的因素27-28
• 1.5.4 关联分析的基本方法28-30
• 1.5.5 GWAS的常用分析软件30-31
• 1.5.6 关联分析与传统连锁作图的比较31
• 1.6 基因组学在研究农作物起源和驯化中的应用31-34
• 1.6.1 栽培水稻的起源和驯化32
• 1.6.2 玉米从短日照向长日照的驯化32
• 1.6.3 黄瓜苦味的选择驯化32-33
• 1.6.4 番茄从小变大的育种驯化历史33
• 1.6.5 大豆的驯化与改良33-34
• 1.7 本研究的目的和意义34-36
• 第2章 甘蓝型油菜遗传结构和多样性分析36-56
• 2.1 引言36
• 2.2 材料与方法36-40
• 2.2.1 材料来源36
• 2.2.2 主要实验试剂和仪器36-37
• 2.2.3 植物材料总DNA的提取和纯化37
• 2.2.4 甘蓝型油菜60K SNP芯片杂交技术37-38
• 2.2.5 SNP基因型分型检测38
• 2.2.6 SNP和基因的电子比对38
• 2.2.7 连锁不平衡和LD衰退的检测38-39
• 2.2.8 群体结构和亲缘关系的估计39
• 2.2.9 系统进化树的构建39
• 2.2.10 遗传多样性分析39-40
• 2.2.11 Tajima's D值检验40
• 2.2.12 部分同源序列比较分析40
• 2.2.13 生态型稀有SNP和生态型特有SNP分析40
• 2.3 结果分析40-51
• 2.3.1 SNP的评价和分布40-42
• 2.3.2 全基因组水平的连锁不平衡分析42-44
• 2.3.3 LD热点和冷点事件44-46
• 2.3.4 三个生态型间的多样性和遗传渗透分析46-49
• 2.3.5 稀有SNP检测群体扩张49-50
• 2.3.6 甘蓝型油菜A和C亚基因组的基因流渗透50-51
• 2.4 讨论51-56
• 2.4.1 油菜遗传多样性和LD衰退的比较研究51-53
• 2.4.2 半冬性甘蓝型油菜的遗传改良53
• 2.4.3 影响LD及LD热点和冷点的因素53-55
• 2.4.4 基因流渗透分析55-56
• 第3章 甘蓝型油菜生态型间的群体分化和选择适应性分析56-84
• 3.1 引言56
• 3.2 材料与方法56-59
• 3.2.1 材料种植和数据来源56-57
• 3.2.2 群体分化系数的扫描57
• 3.2.3 选择性消除分析57-58
• 3.2.4 基因富集分析58
• 3.2.5 画图工具Circos的安装和使用(Win 7版本)58
• 3.2.6 全基因组关联分析58-59
• 3.2.7 GSAA基因集关联分析59
• 3.2.8 开花期的统计59
• 3.2.9 数据处理和结果整理59
• 3.3 结果分析59-79
• 3.3.1 甘蓝型油菜生态型间的群体分化研究59-61
• 3.3.2 不同生态型问差异基因的富集分析61-62
• 3.3.3 不同生态型油菜在DNA和RNA水平下群体分化的互补分析62-63
• 3.3.4 中国半冬性油菜与冬性和春性油菜之间的群体分化63-64
• 3.3.5 中国半冬性与欧洲油菜的选择性消除分析64-70
• 3.3.6 冬性和春性油菜的差异基因分析70-71
• 3.3.7 开花期的全基因组关联分析(GWAS)71-76
• 3.3.8 基于GSAA的生物通路富集分析76-79
• 3.4 讨论79-84
• 3.4.1 SNP芯片和转录组数据的互补性79
• 3.4.2 不同种植环境下油菜抗病的选择信号分析79-80
• 3.4.3 影响冬性和春性油菜分化的因素80
• 3.4.4 开花期关联位点的比较分析80-81
• 3.4.5 全基因组关联分析方法的发展81-82
• 3.4.6 正向选择分析方法的探讨82-84
• 第4章 主要结论及创新点84-86
• 4.1 主要结论84-85
• 4.2 创新点85-86
• 参考文献86-98
• 缩略词表98-100
• 附录 1100-104
• 附录 2104-112
• 附录 3112-114
• 附录 4114-118
• 附录 5118-120
• 附录 6120-122
• 附录 7122-124
• 附录 8124-126
• 致谢126-128
• 发表论文128

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本文编号：633453