结合关联与连锁分析剖析玉米籽粒生育酚含量的遗传基础及一个主效QTL的精细定位

摘要

生育酚在维持植物生长发育和人体健康中发挥着重要作用，而生育酚在蓝藻和拟南芥等模式植物中的合成途径也已经有较为详尽的研究，然而玉米(Zea mays L.)籽粒中生育酚含量的遗传基础至今仍不甚清楚。本研究将全基因组关联分析(GWAS)与连锁分析相结合，以剖析玉米籽粒生育酚的遗传基础。本研究以玉米籽粒中γ-生育酚、α-生育酚、δ-生育酚、总生育酚含量及α/γ-生育酚之比做为目标性状进行研究，主要结果如下:
　　本研究采用6个遗传及生育酚表型变异丰富的重组自交系(RIL)群体用于连锁分析。基于实验室前期建立的高密度遗传连锁图进行QTL定位，共检测到89个QTL，其中有44个QTL在多个RIL群体中同时检测到，另有45个QTL仅在单个RIL群体中检测到。将影响不同性状的置信区间重叠的QTL合并，得到41个非重复QTL，其中有10个主效QTL——每个主效QTL可解释10％以上的表型变异，有11个非重复QTL可影响多个生育酚性状。经与之前研究比较，本研究检测到的10个非重复QTL为首次检测到，暗示不同遗传背景可能含有不同有利等位基因。通过上位性分析，本研究发现两个基因的互作对生育酚表型的贡献仅起次要作用。
　　本研究利用508份来源多样的自交系组成的关联群体进行全基因组关联分析(GWAS)。关联群体基因型利用RNA深度测序得到的56万SNP标记。GWAS共检测到282个显著SNP，对应32个独立显著位点。出人意料的是，GWAS检测到的显著位点与生育酚合成途径中的同源基因仅有极少数位点重叠，启示非已知生育酚途径基因在调控玉米籽粒生育酚自然变异中发挥作用。GWAS检测到的基因中尤其以脂肪酸代谢基因、叶绿素代谢基因及质体功能相关基因为典型。本研究以参与脂肪酸代谢的LACS基因的突变体验证为例证明非生育酚途径基因的作用。在GWAS检测到的32个显著位点中，有18个位点与本研究QTL定位结果吻合。本研究通过利用关联群体转录组数据，构建了以生育酚途径核心基因为中心的生育酚调控网络。此外，关联分析中生育酚变异的有利等位基因很多为稀有变异，且关联群体中有利等位基因数目的叠加为生育酚含量增加的主要因素。
　　本研究对8号染色体短臂一个同时影响多种生育酚性状的主效QTL进行了精细定位。通过利用RIL群体得到的剩余杂合系(HIF)，本研究进行了重组单株筛选与后代测验，最终将该主效QTL定位于860kb的区间内。该区间内仅有一个生育酚途径同源基因，即DXR2，通过对该基因进行候选基因分析，并未找到可能的多态位点，因此推断该QTL的功能基因可能为非已知生育酚途径基因。另外，GWAS中有一个显著位点落在QTL精细定位区间内的基因间区。因此，精细定位验证了GWAS和连锁分析的检测效力和定位精确度。
　　综上，本研究揭示了玉米籽粒的生育酚变异由少数主效位点及多个微效位点共同控制，并发现了若干生育酚合成途径外的新基因参与调控玉米籽粒生育酚变异。本研究检测到的许多显著位点/QTL的有利等位基因在自然群体中都是稀有等位基因。将这些新鉴定到的基因的有利等位基因聚合起来可以大幅提高玉米籽粒中的生育酚含量。

目录

声明

摘要

缩略语表

1 前言

1．1 玉米的重要性及生物强化

1．2 生育酚的研究进展

1．2．1 生育酚简介

1．2．2 生育酚的生物合成途径

1．2．3 植物中生育酚自然变异的正向遗传研究

1．2．4 植物生育酚基因工程

1．3 植物关联分析

1．3．1 连锁不平衡与关联分析

1．3．2 关联分析简介

1．3．3 关联分析的统计方法

1．3．4 关联分析在玉米中的研究进展

1．4 连锁分析(即QTL定位)

1．4．1 QTL与分子标记简介

1．4．2 QTL定位方法

1．4．3 QTL定位群体

1．4．4 图位克隆与精细定位

1．4．5 结合关联分析与连锁分析的优势

1．5 本研究的目的和意义

2 材料与方法

2．1 材料来源

2．2 田间试验

2．3 高通量基因型数据的获得

2．4 生育酚含量测定

2．5 全基因组关联分析

2．5．1 表型统计分析

2．5．2 全基因组关联分析

2．6 基因注释

2．7 候选基因的GO分析

2．8 候选基因重测序

2．9 关联群体转录组及eQTL分析

2．10 基因互作网络构建

2．11 连锁分析

2．11．1 表型统计分析

2．11．2 QTL定位

2．11．3 QTL上位检测

2．12 利用剩余杂合家系(HIF)进行精细定位

2．12．1 分子标记的开发

2．12．2 重组筛选及后代测验

3 结果与分析

3．1 全基因组关联分析

3．1．1 关联群体的生育酚表型统计分析

3．1．2 全基因组关联分析结果

3．1．3 根据转录组数据构建生育酚途径调控网络

3．2 利用6个重组自交系(RIL)群体进行连锁分析

3．2．1 表型统计分析

3．2．2 6个RIL群体的QTL定位

3．2．3 QTL互作

3．2．4 连锁分析与GWAS的结果比较

3．3 一个主效QTL(qVTE8)的精细定位

4 讨论

参考文献

附录

致谢