一粒小麦高密度遗传图谱的构建及应用

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一粒小麦包含两个亚种,野生一粒与栽培一粒小麦;其基因组与乌拉尔图小麦、六倍体普通小麦A基因组都来自同一个祖先。因此一粒小麦在小麦进化上具有重要的地位。一粒小麦A基因组上存在许多控制重要农艺性状的位点,对其基因组的研究将为解析控制普通小麦基因组上的相关位点提供重要参考。由于普通小麦基因组庞大且尚未有完整的参考物理图谱,这给小麦遗传学研究带来了挑战。高密度遗传图谱作为遗传学研究的重要工具,可为复杂性状的QTL解析、基因组序列的组装及重要基因的图位克隆奠定基础。  本研究利用一粒小麦作图群体,结合高通量技术开发了SSR与SNP标记,构建了其高密度遗传连锁图谱。基于遗传图谱,解析了控制重要农艺性状的QTL位点,并辅助于乌拉尔图小麦A基因组的序列定位。主要的研究结果如下:  1.SSR标记开发、验证及遗传图谱构建  基于乌拉尔图小麦基因组框架图序列开发了985,885个SSR标记,从中随机挑选1,000对引物进行有效性验证。在小麦祖先种(A-、B-和D-基因组)、硬粒小麦(2n=28,AABB)和普通小麦(2n=42,AABBDD)中的鉴定结果表明,33.61%的引物具有A基因组特异性;在二倍体小麦与普通小麦中分析了标记的多态性及其群体结构,进一步验证了SSR标记的有效性。  利用开发的SSR标记,以野生一粒小麦(Triticum boeoticum)×栽培一粒小麦(T.monococcum)的重组自交系群体(F10)为作图群体,构建了包含SSR、DArT、RFLP、基因、蛋白和形态等标记的遗传连锁图谱TmMAP V1。该图谱含有7个连锁群,全长为715.688 cM,标记数目726个,标记间的平均间距为0.986cM。之后利用196个小麦SSR、DArT、STS、基因和蛋白等标记,进一步加密遗传图谱,加密后遗传图谱命名为TmMAP V1.1,覆盖长度为2,372.421 cM,665个bin,标记数目为922个,是目前二倍体A基因组小麦研究中标记数目最多、密度最高的遗传连锁图谱。基于该图谱,将227个乌拉尔图小麦基因组scaffold序列(全长26.15Mb)定位到染色体上。  2.SNP标记开发及高密度遗传图谱构建  利用RAD-seq技术,发掘了20,993个SNP位点。根据个体缺失率筛选出高质量的SNP标记10,954个,首先构建了由8,076个SNP标记组成的高密度SNP图谱(命名为ref-biSNP),图谱具有1,774个bin,全长3,579.124 cM。为实现数据的有效利用,根据距离判定方法和二项式检验方法又分别将2,154个cdSNP与6,755个dSNP定位到了ref-biSNP图谱的bin中。最终构建了包含17,907个标记的图谱(ref-biSNP-cdSNP-dSNP),平均每个bin包含10个标记、长度为2.017cM,标记的平均间距达到0.2 cM,在基因组上平均每300 kb存在一个SNP标记。利用该图谱,定位了乌拉尔图小麦37.42%(1.87 Gb/5Gb)的基因组序列及57.20%(19,955/34,879)的基因,在基因组覆盖度、基因密度上比ref-biSNP图谱有较大提升。从物理距离与遗传距离的比值来看,3A与5A比值较低,1A与2A反之,4A、6A与7A处于中等水平,结果说明在3A与5A上发生了较多的重组。  3.农艺性状的QTL定位及重要区段解析  利用TmMAP V1图谱进行农艺性状的QTL定位分析,共发现227个所考察性状的QTLs分布于7条染色体上,平均R2值为17.60%,平均QTL区间长度为1.473 cM。通过比较基因组学方法开发SSR标记,实现了对3AL上控制抽穗期相关位点(qHD-3A)的区间进行加密和位点的初步精细定位,使该QTL区间从8.47 cM降到1.14 cM。  利用高密度SNP图谱,QTL定位分析共检测到219个农艺性状的QTL位点,关联到1,227条基因序列。粒重是产量的决定因素之一,QTL分析发现5A上322.6 cM位置存在一个同时控制粒宽和粒重的位点,分别能够解释表型变异的20.40%与15.96%。根据以上结果推测此位点通过控制粒宽而影响粒重,在这个位点附近可以关联到12个SNP标记和1个SSR标记,为进一步QTL精细定位乃至图位克隆奠定了基础。  本研究以现有二倍体基因组序列为基础开发SSR标记,构建了一粒小麦的参考遗传图谱;利用简化基因组测序技术,构建高密度SNP图谱,并辅助基因组序列的定位,为小麦A基因组重要农艺性状的候选基因挖掘提供了重要资源。
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