大豆开花时间的驯化研究与关联分析

来源 :南京农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:CaT614
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开花时间是植物受光温敏感性导致的,也是植物长期进化过程中形成的特性。大豆是典型的短日照作物,其开花时间对日照十分敏感,研究大豆开花时间对于大豆生长具有重要意义。因而,挖掘开花时间基因及其分子机制对大豆生产具有重要作用。目前,有关大豆开花期基因的报道较少,远落后于拟南芥等模式植物,主要表现在:1)虽然连锁分析和关联分析报道的大豆开花期QTL较多,但是经功能验证的基因很少;2)虽然利用全基因组测序与重测序信息发掘了许多驯化候选基因,但是与开花期性状关联的报道很少。为此,本研究利用RAD测序技术对119份大豆育成品种、153份地方品种和14份野生大豆进行重测序,并观测这些材料的开花期性状,从以下几个方面进行分析。首先,通过对上述三个大豆亚群的遗传多样性分析、中性检验(TajimaD检验)以及FST值和ROD值计算,鉴定与开花时间相关的驯化基因;其次,利用286个大豆材料的SNP和开花期信息,进行全基因组关联分析,以挖掘开花期相关的候选基因,剖析其遗传基础;最后,利用单个SNP与进化类型(野生、地方及育成大豆)的x2独立性测验、野生和栽培种质之间等位基因频率显著性差异的U测验和FST值筛选出驯化相关位点,并将这些位点与大豆开花期及种子大小相关驯化性状进行关联,鉴定出其驯化基因,并推测其分子机制。主要结果如下:  1、大豆种质资源遗传多样性分析、驯化分析和开花候选驯化基因的鉴定  重测序获得了106013个SNPs,其中61.5%(65200个)的SNPs位于基因内部或者基因2kb范围内;在25100个稀有SNPs中(频率<5%),野生大豆包含4389个特有SNPs,而育成大豆仅包含702个特有SNPs,这表明大豆驯化丢失了较多特有SNPs。利用群体结构分析、主成分分析和进化树分析,将286份种质资源分为4个亚群;在50kb范围内,野生大豆LD衰减速度显著快于地方与育成品种。  根据野生大豆、地方品种和育成品种群体多样性指标π和θ的计算结果,表明栽培大豆遗传多样性在驯化过程中被降低;中性检验发现,地方品种和育成品种群体的总TajimaD值均高于野生大豆,表明栽培大豆经历了一次较近的群体扩张事件;利用Tajima|D|>2,筛选出166个驯化区域,鉴定出1344个候选基因;利用FST>0.45和ROD>0.98,筛选出45个驯化区域,鉴定出241个候选基因。  GO富集分析识别出96个候选基因参与调控开花时间相关的4个生物过程;96个进行基因大豆表达谱分析识别出54个在花组织中高表达的候选基因,其中6个与拟南芥开花时间基因同源,推测这些同源基因的调控机制。利用基因共表达分析鉴定出:12个大豆基因与拟南芥同源的4个候选基因的共表达关系是高可靠性的;54个候选基因中的14个基因是调控开花时间的关键基因。  2、大豆开花时间的全基因组关联分析  全基因组关联分析依据-log10P≥3的筛选标准,在2010~2012三年中分别检测到2479、2053和4476个显著的始花期关联SNPs,2456、2698和4413个显著的盛花期关联SNPs。两个性状都显著关联SNP标记有987个。  987个标记的LD区域内有1483个候选基因,对这些候选基因进行大豆表达谱分析识别出684个在花组织中高表达的候选基因;对这684个基因进行GO富集分析,识别出两个与开花相关的生物过程包含25个候选基因。将这25个候选基因与拟南芥基因进行同源比对,发现6个拟南芥开花时间基因,其中5个基因是包含MADS-box结构域的转录因子家族蛋白,1个基因是包含CYCLING DOF结构域的转录调控因子。这6个基因调控大豆开花时间的机制可能与拟南芥相似。  3、大豆开花时间的驯化位点与分子机制  利用106013个SNP标记进行x2独立性测验、U测验和Fst统计,鉴定出分布在10条染色体上的48个驯化相关位点,其中染色体11和15占了52%,表明驯化位点在基因组上分布的不均匀性。  将这48个位点与大豆开花时间性状进行关联分析,鉴定出6个驯化位点是与开花时间关联。利用大豆基因组信息,识别6个候选基因与这6个驯化位点紧密连锁;利用大豆表达谱数据分析,识别出5个驯化基因在花组织中高表达。  开花时间驯化基因Glyma11g18720与拟南芥抑制FLC(与Glyma05g28130同源)基因表达并促使开花时间提前的OTLD1基因同源;利用大豆表达谱数据,对Glyma11g18720(x1)和Glyma05g28130(x2)进行了(y)=b0+b1x1+b2x2+b12x1x2回归分析,发现5个与拟南芥开花基因同源的大豆基因是与这两个基因显著相关的,可能通过光信号途径来调控开花时间。
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