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Frontiers in Genetics |通过全基因组关联分析挖掘水稻抗倒伏基因
发布日期:2022-09-08 浏览次数:  信息来源:太阳集团城娱8722


水稻倒伏性问题一直是制约其产量的关键因素,培育抗倒伏品种可以有效缓解这一问题,但是由于数量性状的复杂性,这一目标的实现就显得十分缓慢。

为了快速挖掘抗倒伏基因,本研究对795份来自全球的核心种质的抗倒伏相关表型(截面模量、抗折力、抗推力和抗倒伏系数)进行了评价,结果显示抗倒伏相关表型分布呈现明显的偏正态分布。相关性分析表明,除抗折力(PR)和抗倒伏系数(cLr)之间相关性不显著,其他所有性状两两之间具有显著相关性

图1 抗倒伏相关表型频率分布

 

表1 4个抗倒伏相关性状的相关性分析


PR

SM

M

cLr

PR

1

0.339

0.9

0.799

SM

0.293

1

0.339

0.68

M

0.894

0.608

1

0.799

cLr

0.023ns

0.74

0.266

1

根据群体结构,采用GLMCMLM模型分别对水稻的3个群体(混合群体、粳稻亚群和籼稻亚群)的3个抗倒伏性状进行全基因组关联分析。本研究中,将阈值定为–log10 (P) ≥ 4,同时将170 Kb范围内包含至少3SNPs定义为1QTL。根据此标准,截面模量(SM)、抗折力(M、抗推力(PR)和抗倒伏系数(cLr)分别鉴定到55个、140个、67个和111QTLs,其中显著SNP位点个数分别为22103548383766

图2 抗折力(M)的曼哈顿图

对于一些QTL可以同时在多个表型检测到,进一步说明了该QTL的准确性。在所有的QTL中,有39QTL至少在两种及以上表型中可被检测到,14QTL至少在三种及以上表型中可被检测到。1号染色体检测到的QTL最多,有10个,其次是7号和10号染色体,分别为5个和4个,其中7号染色体上有一个QTLqSM7-1, qPR7-1, qM7-2, qcLr7-1)可以在4种抗倒伏相关表型中检测到。针对此,后续研究主要是针对7号染色体这一QTL展开的。

表2 4个抗倒伏相关性状检测到的QTLs

QTL

Chr.

Start position

End Position

Traits

QTLs count

Candidate ORFs

SM

PR

M

cLr

1

1

3,538,854

3,683,583

qSM1-1

qPR1-3

qM1-1


3

19

2

1

5,566,150

5,744,781


qPR1-4

qM1-3

qcLr1-1

3

19

3

1

5,849,743

5,971,020

qSM1-3


qM1-4


2

14

4

1

6,271,684

6,376,084

qSM1-4

qPR1-5



2

17

5

1

6,581,990

7,070,411


qPR1-6

qM1-5


2

70

6

1

14,353,502

14,890,707


qPR1-7

qM1-7


2

73

7

1

24,957,693

27,134,674

qSM1-8


qM1-14, qM1-15

qcLr1-5

4

317

8

1

31,504,595

31,969,329


qPR1-13

qM1-19

qcLr1-6

3

74

9

1

32,366,242

33,807,002


qPR1-14

qM1-21

qcLr1-7

3

62

10

1

40,397,326

42,294,223

qSM1-12

qPR1-15

qM1-26


3

291

11

2

15,454,980

17,571,479


qPR2-5

qM2-4


2

311

12

2

24,657,034

24,799,865


qPR2-10


qcLr2-5

2

46

13

3

14,879,518

15,135,921

qSM3-2

qPR3-2

qM3-6


3

44

14

3

20,883,680

24,068,489


qPR3-10

qM3-13


2

479

15

3

27,631,508

27,677,782


qPR3-11


qcLr3-6

2

6

16

4

33,314,165

33,457,154


qPR4-12

qM4-12


2

24

17

5

5,161,253

5,348,092

qSM5-2



qcLr5-2

2

26

18

6

29,687,352

29,709,960

qSM6-2


qM6-6

qcLr6-3

3

3

19

7

5,261,202

5,577,829

qSM7-1

qPR7-1

qM7-2

qcLr7-1

4

52

20

7

7,234,758

7,608,752

qSM7-2


qM7-3


2

56

21

7

9,435,313

9,925,095

qSM7-3


qM7-4


2

64

22

7

10,111,738

11,910,229

qSM7-4


qM7-5


2

280

23

7

16,028,149

16,517,487


qPR7-3

qM7-7

qcLr7-3

3

74

24

8

18,109,039

18,657,995


qPR8-5

qM8-5


2

74

25

8

18,278,186

20,416,330

qSM8-1

qPR8-5

qM8-6


3

249

26

9

16,303,469

16,907,874


qPR9-4

qM9-8


2

96

27

10

871,334

1,056,808

qSM10-1


qM10-1


2

29

28

10

2,641,123

2,829,097

qSM10-2


qM10-2


2

30

29

11

7,873,690

8,601,084

qSM11-3, qSM11-4


qM11-2


2

110

30

11

15,327,195

15,530,521


qPR11-8

qM11-3


2

22

31

11

16,648,356

22,483,866

qSM11-5, qSM11-6

qPR11-9,   qPR11-10

qM11-5

qcLr11-3,   qcLr11-4, qcLr11-5, qcLr11-6

8

823

32

11

21,216,213

23,048,708

qSM11-8

qPR11-11

qM11-8


3

83

33

12

10,232,335

10,956,543

qSM12-2


qM12-1

qcLr12-1

3

94

为了确定7号染色体的候选基因,我们对该QTL内的所有基因进行了分析。结果发现,该QTL中一共有59个候选基因,根据功能注释我们发现,OsFBA2, OsFBX222LTPL84-proteae inhibitor基因可能是我们的候选基因。接下来我们利用两份材料(茎粗种质IRAT109和茎细种质YueFu)对这3个基因进行了qRT-PCR分析,结果发现OsFBX222基因在两份种质中的表达量很低,并且无显著差异;LTPL84-proteae inhibitor在两份种质中表达量无显著差异;OsFBA2在两份种质中的表达量差异极显著,并且茎粗种质的表达量高于茎细种质的表达量。该结果显示OsFBA2可能是抗倒伏的候选基因。

图3 候选基因的表达量分析

为了进一步确定该基因是否为候选基因,接下来我们利用463份种质的10SNPs(启动子8SNPCDS 2SNP)对该基因进行了单倍型分析。结果显示,所有种质一共划分为4个单倍型,其中籼稻亚群主要分布在单倍型Hap1Hap2,粳稻亚群主要分布在单倍型Hap3Hap4。表型分析发现,在籼稻亚群中,Hap1Hap2MSM中无明显差异;在粳稻亚群中,Hap3Hap4MSM中存在显著差异,因此Hap3是优势单倍型。结合基因型结果表明,SNP 5248026为功能SNP。综上,OsFBA2是抗倒伏的候选基因。

综上,该研究通过全基因组关联分析对795份来自全球的核心种质的抗倒伏相关表型(截面模量、抗折力、抗推力和抗倒伏系数)进行了评价,为抗倒伏育种提供了重要资源,同时检测到多个与抗倒伏相关的QTLs。进一步结合表达量分析和单倍型分析等方法确定一个候选基因OsFBA2,为解析抗倒伏提供了理论基础。

该文章太阳集团tcy8722农学院水稻中心李自超教授和张战营副教授及广西农科院李丹婷研究员为通讯作者,已毕业博士Muhammad Abdul Rehman Rashid和在读博士研究生赵勇为本文的共同第一作者。该研究得到了中国国家重点研发计划(2021YFD1200502),国家自然科学基金(32072036),广西开放课题(2022-36-Z01-KF032018-15-Z06-KF10)的资助。


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