BMC Biology |百邁客重測序遺傳圖譜助力水稻產量與質量相關遺傳位點研究

2018年9月18日,國際知名期刊BMC Biology在線發表了沈陽農業大學水稻研究所徐銓老師關于水稻產量和質量遺傳位點研究的文章,該文章不僅解析超級稻品種“沈農265”的基因組,同時也分析了在不同生態環境和不同遺傳背景下功能基因的功能變化,同時鑒定了多個候選基因,并使用CRISPR/Cas9基因編輯技術驗證了基因的功能,該結果將會促進不同稻區秈粳稻雜交聚合亞種的遺傳研究。百邁客有幸參與完成了高密度重測序遺傳圖譜的構建和QTL定位等工作,為后續基因挖掘奠定了堅實的基礎。

英文題目Genome sequencing of rice subspecies and genetic analysis ofrecombinant lines reveals regional yield- and quality-associated loci

出版期刊: BMCBiology

五年影響因子:7.55

發表年份: 2018年

合作單位:沈陽農業大學水稻研究所

實驗材料

親本:沈農265(SN265,粳稻)×R99(秈稻)子代群體:單粒傳法構建RIL群體,大小151

試驗設計:3個種植環境(沈陽、江蘇、深圳),2年(2015-2016)

研究方法

測序:二代HiSeq2500,三代SMRT

分析:重測序遺傳圖譜,轉錄組測序,基因注釋

實驗驗證:CRISPR/Cas9

研究背景

秈稻和粳稻為亞洲栽培水稻的兩個亞種,它們的地理分布以及形態學性狀差異明顯,揭示其農藝性狀背后的遺傳基礎對于水稻生產非常重要,然而,其遺傳背景、生態條件以及農藝性狀之間的關系尚不清楚。沈農265(SN265)是我國第一個商用的超級稻,它作為中國北方骨干親本引領著育種方向。本研究利用二代和三代測序對北方粳型超級稻SN265和R99進行測序,并獲取SN265高質量基因組,又構建了RIL群體重測序遺傳連鎖圖譜,并對多個重要農藝性狀進行了QTL分析。此外,還發現若干基因功能隨生態環境的變化而改變,并且許多等位基因對不同的遺傳背景呈現差異性的響應。

主要結果

1、遺傳圖譜構建

對RIL群體及其親本進行全基因組重測序,每個RIL系測序深度為6.25×,親本R99與SN265測序深度分別為30×與32×。通過SOAP進行比對和SNPcalling,共得到1,708,775個SNP,過濾低質量后得到1,456,445個高質量的SNP;利用劃bin策略進行圖譜構建,得到3569個bins,平均長度為58.17 kb(圖1);使用百邁客作圖軟件HighMap進行圖譜構建,總圖距為1965.33 cM,平均圖距僅為0.55cM,與參考基因組共線性分析分析顯示,最小相關系數為0.9725

圖1 利用重測序SNP構建的bin圖和遺傳圖譜與參考基因組共線性分析

2、親本基因組組裝

為了填補北方超級稻高質量基因組序列的gaps,作者對SN265基因組進行了de novo測序和組裝。利用P5-C3 SMRT測序,獲得24.94 Gb的原始數據,平均讀長為9.6 kb,二代測序共獲得22.05 Gb的原始數據,組裝得到SN265的基因組,大小為364.45 Mb,contig N50 達到6.96 Mb,通過從頭預測、同源預測以及RNA-seq分析后共獲得37,609個基因(圖2)。對R99進行低深度(30×)三代重測序和基因組組裝,獲得了R99389.6 Mb的基因組,contig N50也達到3.05 Mb(圖2)。

圖2 親本基因組組裝結果展示

3、秈稻型血緣百分比影響產量與質量性狀

為了闡釋遺傳背景與農藝性狀的關系,作者以粳稻和秈稻亞種間特異SNP計算得到每個RIL系的秈型血緣百分比。結果顯示,秈型血緣百分比主要影響穗長與粒形(圖3)。

圖3 不同秈稻型血緣比例的RIL子代在不同環境下農藝性狀表現

4、QTL的檢測與分析

通過收集三個地點15個產量與質量相關的表型數據,進行QTL的挖掘,結果共檢測到79個QTL,許多QTL呈現成簇分布的特點,暗示多種性狀可能由一個基因或多個緊密連鎖的基因控制。有些QTL在3個環境下均被檢測到,另有一些位點僅在1個環境下被檢測到。

5、QTL簇基因的精細定位

為了確定QTL簇的候選基因,進一步做了基因的精細定位。首先,關注的是chr9上的 qPL9簇,候選基因被定位在43kb的區間內,其中包含7個注釋基因,通過序列比對分析發現一個候選基因DEP1上的exon5中存在堿基序列的替換,即R99中637bp的片斷在SN265中被替換成12bp的序列;接著共分離分析發現SN265型的dep1具有明顯短于R99的穗長(圖5)。為了證明DEP1qPL9的候選基因,利用 CRISPR/Cas9技術對Sasanishiki品種中的DEP1基因誘變,獲得五個突變體株系,其中四個突變體發生移碼突變,呈現短穗長,另外一個突變體產生兩個氨基酸的替換,其穗長與Sasanishiki無顯著性差異(圖5),暗示DEP1qPL9簇中控制穗長的基因。

圖5? DEP1精細定位及CRISPR/Cas9突變結果

接著在Chr1短臂上的qGP1簇上定位到候選基因Gn1a,在長臂定位到SD1為控制株高的候選基因;在Chr5上鑒定到的GW5上游存在1212bp序列的缺失;在qGS12簇中的Os12g0610600存在一個SNP,負調控水稻耐旱反應。而且,基因GW5qGS12的不同組合形式會顯著影響水稻種子的粒型。此外, DTH8SDG708phytochrome B (PHYB)分別位于Chr8、4、3上,是控制抽穗期的候選基因。

6、生態環境與遺傳背景對基因功能的影響

為了揭示生態環境與遺傳背景對基因功能的影響,首先,作者發現Gn1a對水稻單穗籽粒數目的貢獻主要集中在江蘇與沈陽兩個實驗點,而DEP1僅僅在深圳被檢測到是控制單穗籽粒數目的QTL(圖6)。對以上三個種植區,又進一步比較攜帶有 DEP1/dep1與Gn1a/gn1a的不同水稻材料,結果發現在高緯度生態區dep1對單穗籽粒數目的貢獻減少,而gn1a對其貢獻明顯增強(圖6)。類似地,DTH8、 SDG708與PHYB在江蘇均被檢測到,而PHYB在深圳也被檢測到,同樣, DTH8、 SDG708在沈陽也被檢測到;結果顯示DTH8、SDG708幾乎不會影響在深圳的抽穗期,PHYB在沈陽有較弱的作用(圖6)。概括起來,Gn1a、 SDG708、SD1與GW5的功能在高緯度地區被增強,另一方面,PHYB與DEP1的功能隨著緯度的北移被破壞,有趣的是,DTH8在中緯度地區具有較強的功能,緯度的南移或北移都會削弱其功能。

圖6 不同生態環境與不同遺傳背景下基因表現的差異

為了揭示遺傳背景對基因功能的影響,根據秈型血緣百分比將RIL群體分為三組:粳型、中間型與秈型。經分析發現,不同遺傳背景的基因功能也不同,例如,粳型SD1隨著秈型血緣百分比的增加,株高降低,而秈型sd1隨著百分比的增加,株高增加。又比如,在深圳,粳型PHYB隨著秈型血緣百分比增加延遲抽穗期,而在江蘇與沈陽加快抽穗期。此外,在三組群體中,中間型的農藝性狀表現最差,例如,在DEP1Gn1a遺傳背景下,中間型擁有最低的單穗籽粒數目。

結論

本研究為水稻育種功能基因的利用提供信息,即合適的生長環境與遺傳背景對基因功能的影響;北方粳稻品種沈農265基因組參考序列的發布為植物科學家與作物遺傳改良提供寶貴資源。

點評:讀完整篇文章,圖譜君認為該文章能夠發表BMCBiology上有4點原因;

1、重測序遺傳圖譜為研究打下堅實基礎。

2、不同稻區多年的表型數據,定位到了多個QTL簇,從而將研究重點放在這些QTL簇上。

3、結合3代和2測序獲得了沈農265高質量的基因組序列。

4、獨辟蹊徑地闡述了基因在不同環境和不同遺傳背景下功能的轉變,這也是本文最大的亮點。

 

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