一种植物多倍体优势检测方法

摘要

本发明首次公开了一种植物多倍体优势检测方法：该方法包括以下步骤：(1)材料选取，包括多样性自然群体或人工群体；(2)表型鉴定：对目标性状进行鉴定；(3)基因型鉴定：高密度SNP标记、芯片或者重测序SNP均可，用部分同源基因组合成新的基因型；(4)多倍体优势位点检测：用部分同源等位基因与表型进行关联分析，获得多倍体优势位点HQTL；(5)多倍体优势基因型选择：从多倍体优势位点中检测多倍体优势等位基因。该方法将多倍体的部分同源基因组合成新的单倍型，并以单倍型组合的方式进行全基因组关联分析，突破了传统的每个亚基因组位点每个基因单独分析的局限。

说明书

技术领域

本发明属于多倍体育种技术领域，具体涉及一种植物多倍体优势检测方法。

背景技术

从广义上讲，世界上主要农作物都是多倍体。多倍体优势(polyploid heterosis)是一种普遍存在的现象，并已得到广泛的认可。但至今没有准确有效地检测多倍体优势的方法。

普通小麦为异源六倍体，有A、B、D三个亚基因组，是天然的杂交种。在普通小麦基因组结构、基因表达和表观修饰分析的基础上，我们发现各亚基因组部分同源基因(homoeologous genes)二倍化与分化是多倍体优势的基础，同源基因相互协调、共同调控表型性状。在此基础上，我们提出了多倍体优势的检测方法HGWAS。

传统的QTL与全基因组关联分析(GWAS)是基于二倍体基因组建立的，无法检测部分同源基因/旁系同源基因的互作效应。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提出一种植物多倍体优势检测方法，是一种全新的全基因组水平检测基因互作，即杂种优势的方法，命名为HGWAS (homoeologousGWAS)。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为

提供一种植物多倍体优势检测方法HGWAS，其包括以下步骤：

S1、选取材料：选取100份以上具有多样性的自然或人工群体；

S2、表型鉴定：对供试群体目标性状进行表型鉴定；

S3、基因型鉴定：通过高密度SNP芯片、外显子捕获测序、重测序方法获得供试群体高密度SNP；根据部分同源基因物理位置，利用供试群体高密度SNP 标记重组部分同源等位基因单倍型；

S4、以重组的部分同源等位基因单倍型为供试群体基因型，结合表型进行全基因组关联分析，获得部分同源HQTL位点，即多倍体优势位点；

S5、计算供试群体中每个多倍体优势位点包含的各种部分同源等位基因单倍型效应值，获得最优的多倍体优势基因型；

S6、用获得的最优多倍体优势基因型与中亲值、与高亲值进行比较，计算多倍体优势。

进一步地，S1中，选取300-500份具有多样性的自然或人工群体。

进一步地，S2中，产量是最重要的多倍体优势性状，产量性状应基于材料小区，不小于4×1.5平方米面积种植。

进一步地，S6中，自然群体的中亲值为参试材料的平均值，人工群体的中亲值为亲本平均值；高亲值为优良品种值。

进一步地，该方法适用于所有现有的多倍体或部分多倍体物种的多倍体优势检测，其中，多倍体植物：小麦、棉花、油菜、花生、大豆、玉米；部分多倍体：水稻；多倍体动物：多倍体鱼类。

本发明的有益效果为：

1.本发明将多倍体的部分同源基因组合成新的单倍型，并以单倍型组合的方式进行全基因组关联分析，突破了传统的每个亚基因组位点每个基因单独分析的局限。

2.HGWAS可展示部分同源基因单倍型对性状的效应，明确多倍体优势位点及其作用大小。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1

本实施例以400份六倍体小麦人工群体F2群体为例，说明多倍体优势检测方法HGWAS的计算方法及其检测多倍体杂种优势的能力。F2群体中，设亲本 P1和P2的基因型分别为a和c，杂合个体基因型为h。

具体检测方法如下：

第一步，HGWAS确定性状显著相关染色体区间。

对六倍体小麦进行表型鉴定，其中产量是最重要的多倍体优势性状，产量性状应基于材料小区，不小于4×1.5平方米面积种植。

基因型数据按照同源/部分同源基因格式进行整理。例如，六倍体小麦亚基因组A的基因gene1(命名为gene1A)、亚基因组B的基因gene1(命名为gene1B) 和亚基因组D的基因gene1(命名为gene1D)是同源基因，根据其物理位置，将每个亚基因组同源基因以紧密连锁的标记(以SNP标记为代表)进行组合。假设 gene1A紧密连锁标记为SNP-gene1A，gene1B紧密连锁标记为SNP-gene1B， gene1D紧密连锁标记为SNP-gene1D，则所有同源基因都有其代表性的标记组合 SNP-gene1A_SNP-gene1B_SNP-gene1D。之后，基于此SNP标记形成的同源基因单倍型组合进行HGWAS分析。

优选的，可通过高密度SNP芯片、外显子捕获测序、重测序等方法获得供试群体高密度SNP。

第二步，确定多倍体优势位点HQTL。

以F2群体为例，首先计算中亲值。传统QTL定义中亲值(mid-parent value，MPvalue)为F1群体中两亲本性状的中间值；HGWAS分析小麦F2群体时，定义亲本1(P1)基因型为a，亲本1(P2)基因型为c，F2群体中杂合个体基因型为h，三个亚基因组A、B、D对应的部分同源基因分别有a、h和c三种基因型，MP value则定义为所有基因型的平均值。接着，计算每种单倍型组合性状值。具体地说，针对某个性状位点，所有F2群体中，就会出现27种基因型组合(亲本P1基因型aaa，亲本P2基因型ccc，纯合基因型组合aac，aca，acc， cca，cac，caa；杂合基因型aha，aah，ahh，haa，hah，hha，chc，cch，chh， hcc，hch，hhc，ach，ahc，hac，hca，cah，cha，hhh)。三联基因型表示三个亚基因组同源基因基因型，例如aaa表示该基因在三个亚基因组同源基因都与亲本 P1基因型相同，aac表示A、B亚基因组同源基因与亲本P1基因型相同，而D 亚基因组基因型同P2亲本，aha表示A、D亚基因组同源基因与亲本P1基因型相同，B亚基因组基因型为杂合型。每种基因型组合为一种单倍型。确定单倍型后，计算F2个体单倍型性状平均值及其与中亲值差异显著性，据此确定多倍体优势单倍型。

过程总结如下表：从表中可以看出，穗长(spike length，SL)位点 SL_G5_473.7_489.9中亲值为8.7厘米，F2群体中亲本P1单倍型aaa、P2单倍型ccc穗长平均值分别为8.4厘米和8.0厘米，纯合单倍型aca、caa、cca穗长分别为9.2、9.3、9.3厘米，显著长于中亲表型，表现出多倍体杂种优势。

实施例2

本实施例以自然群体为例，计算各亚基因组单倍型性状值，同实施例1所记录的方法。由于是自然群体，没有亲本，中亲值为各亚基因组基因型平均值。以穗长位点SL_G5_473.7_489.9为例，每个亚基因组部分同源基因单倍型分别有 2、3、1个，命名为A-1、A-2；B-1、B-2、B-3；D-1，则三个亚基因组，该基因将会出现如下单倍型组合：A-1_B-1_D-1、A-1_B-2_D-1、A-1_B-3_D-1、 A-2_B-1_D-1、A-2_B-2_D-1、A-2_B-3_D-1，即2×3×1＝6种单倍型组合。较GWAS增加了多样性等位基因数目，如gene1D只有一种单倍型，在标记-性状关联分析时为无效标记；但是在HGWAS分析时为有效标记。之后，计算每种单倍型对应的表型平均值及其显著性测验，以确定自然群体中该性状多倍体优势单倍型。从表中可以看出，单倍型A-1_B-2_D-1单倍型穗长平均9.2厘米，显著长于中亲8.7厘米，为多倍体优势单倍型。

HGWAS适用于所有现有的多倍体作物如棉花、油菜、花生、以及古多倍体作物大豆、水稻、玉米、谷子多倍体优势检测。该方法已经在油菜、花生、大豆、玉米分析的所有农艺性状均检测到多倍体优势/杂种优势位点，优势率较中亲值与高亲值均增产显著。

多倍体优势位点检测方法HGWAS将多倍体的部分同源基因组合成一个单倍型(homoeoallele haplotype)，并以单倍型组合的方式进行全基因组关联分析，突破了传统的每个亚基因组位点每个基因单独分析的局限。HGWAS展示部分同源基因单倍型对性状的效应，明确多倍体优势位点及其作用大小；而普通GWAS 则只能反映单个亚基因组单位点对性状的影响。

该项技术既可用于常规育种，也可用于杂种优势利用。

于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。