甘蓝型油菜千粒重全基因组关联分析

千粒重是油菜产量构成的重要因素之一。本研究利用高通量SNP芯片对496份具有代表性的油菜种质资源进行基因型分析,考察群体在3个环境(14NJ、15TZ、16TZ)中的千粒重表型,利用混合线性模型(mixed linear model,MLM)和一般线性模型(general linear model,GLM)进行全基因组关联分析。结果表明,本群体在3个环境中千粒重的广义遗传力为63.12%。MLM模型检测到6个显著位点,解释28.92%的表型变异;GLM模型检测到61个显著位点,解释47.08%的表型变异。合并共同位点后得到62个显著位点,联合解释47.31%的表型变异。这些位点分布在基因组所有染色体上,在A07、A03和C06染色体上分别检测到数目最多的9、8和7个位点。其中效应最大的位点Bn-scaff_17526_1-p1066214位于C09染色体,在MLM和GLM模型中表型贡献值分别为5.55%和15.26%。21个位点与前人报道的QTL重叠,其中8个位点得到至少2个群体的验证。其余41个位点为新鉴定的位点,其中多个位点效应高且在多环境中被检测到,如位点Bn-A03-p560769、Bn-scaff_15743_1-p599416和Bn-scaff_15743_1-p590955等。在11个位点附近找到DGAT、EOD3、AGL61、WRI1、DA2、RAV1等拟南芥已报道千粒重基因的同源基因。本研究结果有助于解析甘蓝型油菜千粒重的遗传基础,为研究千粒重的调控机制、指导千粒重的遗传改良奠定基础。     

甘蓝型油菜茎高QTL定位及株高相关位点整合

甘蓝型油菜主茎高度(茎高)是株型的构成因子之一,研究其遗传机理对油菜株型改良具有重要的理论指导意义。目前对甘蓝型油菜茎高研究的报道较少。本研究以2个油菜茎高差异较大的亲本构建的重组自交系群体为材料,利用SNP高密度遗传图谱, 2年共检测到11个茎高QTL,分布在A04、A06、C04、A08和C01染色体上,位点的表型贡献率为7.25%～19.61%。同时,以455份来源不同的甘蓝型油菜为材料,结合重测序产生的SNP标记,对茎高进行全基因组关联分析, 2年共检测到5个SNP与茎高性状显著关联,分布在A08、A10、C02和C06染色体上。根据茎高定位结果,找到一些与激素途径(生长素、赤霉素和油菜素内酯)、光形态建成及植物生长发育相关的候选基因。在此基础上,结合国内外株高相关性状定位研究结果,将株高相关性状位点整合到甘蓝型油菜参考基因组上,发现4个以上群体都在A01、A03、A07、C03和C06染色体上找到株高定位的区间,2个群体在A10染色体上找到主花序长度共同定位的区间,在A02和C03染色体上找到一次分枝高度共同定位的区间。本研究中的茎高定位结果与整合后的株高相关性状QTL定位区间有部分重叠,位于A04、A06、A08、C04和C06染色体上。上述结果为甘蓝型油菜理想株型育种提供了理论依据。     

用全基因组关联作图和共表达网络分析鉴定油菜种子硫苷含量的候选基因

油菜籽饼粕是畜禽养殖中重要的蛋白原料, 但饼粕中的硫苷是一种抗营养物质, 食用过多会对禽畜产生毒害, 因此挖掘油菜籽粒硫苷含量的候选基因对油菜种子低硫苷育种具有重要现实意义。本研究连续4年种植1个含157份材料的油菜自然群体, 结合重测序数据对种子硫苷含量进行全基因组关联分析(GWAS), 并对15份低硫苷和15份高硫苷材料进行种子发育早期的转录组测序, 通过权重基因共表达网络分析(WGCNA)鉴定种子硫苷含量的候选基因。用GWAS共检测到45个与种子硫苷含量显著相关的SNP, 单个位点解释的表型变异为13.5%~23.3%, 主要分布在A09、C02和C09染色体的3个区间中, 覆盖5个已知的硫苷代谢基因。用WGCNA分析发现高、低硫苷材料之间的2275个差异表达基因, 可分为12个基因模块, 其中1个模块的基因显著富集在已知的硫苷生物合成途径, 对该模块内163个基因的权重分析得到13个候选基因。经检测, GWAS和WGCNA共得到的18个候选基因中, 有14个候选基因的表达量与种子硫苷含量显著相关(r = 0.376~0.638, P<0.05)。用两种方法鉴定到1个共同的候选基因BnaC02g41790D (基因名MAM1), 与该基因连锁的5个SNP构成5种单体型, 等位基因效应分析发现, 自然群体中63%的材料(99/157)为Hap 5, 平均硫苷含量为50.79 μmol g^-1, 与另外4种单体型(95.04~110.28 μmol g^-1)存在极显著差异(P<0.01)。本研究结合GWAS和WGCNA两种方法鉴定了油菜种子硫苷含量的候选基因, 可为复杂性状候选基因的筛选提供参考。     

基于QTL定位和全基因组关联分析筛选甘蓝型油菜株高和一次有效分枝高度的候选基因

株高和一次有效分枝高度是与甘蓝型油菜结荚层厚度、收获指数紧密关联的重要农艺性状,有关株高的数量性状位点(quantitative trait locus,QTL)和全基因组关联分析(genome-wide association study,GWAS)已有很多报道,但对一次有效分枝高度的QTL和GWAS定位以及候选基因筛选的研究报道较少。本研究利用已构建的高密度遗传连锁图对2016和2017年2个环境的186个株系组成的重组自交系群体株高和一次有效分枝高度及其最佳线性无偏预测(best linear unbiased prediction,BLUP)值进行QTL定位共检测到8个株高的QTL,分别位于A03、A04和A09染色体,单个QTL解释4.60%~13.29%的表型变异,其中位于A04染色体上的QTL(q-2017PH-A04-2和q-BLUP-PH-A04-2)在2017年和BLUP中均被检测到;检测到9个一次有效分枝高度QTL,分别位于A01、A02、A05、A09、C01和C05染色体上,单个QTL解释5.12%~19.10%的表型变异,其中q-2017BH-A09-1、q-BLUP-BH-A09-2和q-BLUP-BH-A09-3有重叠区段。同时,利用课题组前期完成的588份重测序自然群体进行全基因组关联分析,2年共检测到与株高显著关联的50个SNP位点和与一次有效分枝高度显著关联的12个SNP位点;根据SNP的物理位置,筛选出参与细胞增殖、细胞扩增、细胞周期和细胞壁活动的13个株高候选基因,以及参与赤霉素、亚精胺等合成代谢途径、核糖体组成和在光合、萌发等过程中有一定作用的一次分枝高度的11个候选基因,并利用荧光定量PCR技术验证候选基因在极端材料中的表达情况。本研究结果将为油菜株型改良及后续基因的功能研究提供理论依据。     

全基因组关联分析在油菜遗传育种中的应用和研究进展

全基因组关联分析(genome-wide association studies,GWAS)是近几年发展起来的解析作物表型多样性遗传基础的有效分析手段。GWAS以连锁不平衡为基础鉴定某一作物群体内农艺性状即表型数据与全基因组基因型数据或候选基因间的具体关系,具有高通量(即在全基因组范围有效检测性状与基因位点的关联性)、精度高和花费时间少等显著优点,其在作物遗传育种中的作用日益凸显。本综述在系统介绍GWAS这种方法的基础上,详尽总结了其在油菜遗传育种中的应用和研究进展、存在的潜在问题及解决途径,以期为进一步利用GWAS进行油菜各种性状遗传基础的研究提供依据和参考。     

锌胁迫下甘蓝型油菜发芽期下胚轴长的全基因组关联分析

锌(Zn)是重要的微量元素之一,但土壤中过量的锌累积会影响植物的生长发育。本研究以不同遗传来源的140份甘蓝型油菜为材料,利用芸薹属60K SNP芯片对锌胁迫下(30 mg L-1)甘蓝型油菜发芽期相对下胚轴长(RHL)进行全基因组关联分析,筛选与甘蓝型油菜发芽期下胚轴长度显著关联的SNP位点及候选基因。群体结构分析表明,供试的140份甘蓝型油菜被分为2个亚群,其中89%材料间亲缘关系小于0.1,说明供试群体材料亲缘关系比较远。GWAS分析共检测到8个与RHL显著关联的SNP位点,单个SNP位点分别可解释22.0%~33.2%的表型变异。转录组分析获得的差异基因GO富集分析结果表明,上调表达基因主要参与氧化还原反应、离子转运、胁迫反应、防御反应和硫化合物转运。综合全基因组关联分析和转录组测序结果,共鉴定到19个与锌胁迫相关的候选基因,包括编码锌指蛋白家族成员(B-box型和ZFP1)、谷胱甘肽转移酶GSTU21、过氧化物酶家族蛋白、ABC和MFS转运蛋白及细胞壁相关激酶蛋白和一些重要的转录因子(BnaA07g27330D、BnaA02g30270D、BnaA07g27840D、BnaA07g31860D和BnaA07g28000),为深入解析油菜锌胁迫分子机制提供了参考。     

用全基因组关联分析筛选甘蓝型油菜叶片叶绿素含量候选基因

提高油菜产量是保障国家粮油安全的重要举措。作物"源""流""库"理论表明,充足的光合产物(源)是高产的前提,而叶绿素是直接参与光合作用的物质,因此,选育高叶绿素含量的甘蓝型油菜是提高产量的重要途径。本课题组前期对全球收集的588份优异油菜种质资源进行5X重测序,获得385,692个高质量SNP标记。利用SPAD-502叶绿素仪于2018—2019连续2年测定苗期完全伸展的叶片叶绿素总量,结合获得的SNP标记进行全基因组关联分析(genome-wide association study, GWAS),筛选与叶绿素含量显著关联的SNP位点。结果表明, 2018年鉴定到5个显著关联的SNP位点,贡献率为5.51%～7.89%,其中S6_3493805位点贡献率最大;2019年检测到46个SNP位点,贡献率为7.29%～10.34%,其中S13_11413088位点贡献率最大。将显著关联SNP位点上下游各500 kb区间内的基因与参考基因组比对,初步筛选出2022个油菜基因。将其基因序列在拟南芥基因组内进行BLAST比对,结合前人已报道的拟南芥同源基因功能,筛选到23个候选基因,其中5个属于叶绿素合成途径同源基因。本研究结果为后续油菜叶片叶绿素含量的遗传改良奠定了基础。     

甘蓝型油菜SnRK基因家族生物信息学分析及其与种子含油量的关系

蔗糖非发酵相关蛋白激酶(sucrose non-fermenting-1-related protein kinase,SnRK)是植物中广泛存在的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,它们参与调控植物的信号传导、逆境响应和种子生长等生物学过程。为了解析甘蓝型油菜(Brassica napus L.)中SnRK基因家族的性质及其对种子含油量的影响,本研究对BnSnRK基因家族的系统进化、基因结构、蛋白质理化性质、保守基序、蛋白质二级结构、顺式作用元件和亚细胞定位预测等进行分析,并通过候选基因关联分析、单倍型分析和qRT-PCR筛选影响种子含油量的BnSnRK基因。结果显示,鉴定得到92个BnSnRK成员,分为3个亚族,分布于甘蓝型油菜19条染色体上,亚族之间蛋白质理化性质差异显著。多数基因拥有7~14个外显子;同一亚族的motif分布情况更相似。BnSnRK家族主要在细胞质中表达,蛋白质二级结构主要以α-螺旋和不规则卷曲为主。关联分析筛选出与油菜种子含油量相关的12个家族成员,基因BnaC02g10730D可能负向调控甘蓝型油菜种子含油量,基因BnaA07g12290D、BnaA10g22850D、BnaA08g18050D、BnaC04g44390D可能正向调控甘蓝型油菜种子含油量。不同环境之间种子含油量差异显著,且与含油量相关的12个成员均含有MYB、MYC和ABA响应元件,环境特异的含油量关联基因可能与植物非生物胁迫响应相关。本研究为BnSnRK基因功能验证及育种工作提供了理论参考。     

基于QTL定位和全基因组关联分析挖掘甘蓝型油菜收获指数相关位点

收获指数是一个重要的农艺性状,甘蓝型油菜的收获指数偏低,有较大的改良空间,研究油菜收获指数的遗传机理对该性状的改良具有重要的指导意义。本研究利用已构建的高密度遗传图谱对由高、低收获指数亲本衍生而来的包含186个株系的重组自交系进行收获指数的数量性状位点(quantitative trait locus, QTL)定位, 2016—2018连续3年环境及最佳线性无偏预测(best linear unbiased prediction, BLUP)值共定位到12个收获指数相关QTL,分别位于A03、A05、A06、A07、A09、C04和C05＿random染色体上,单个QTL解释的表型变异在1.27%～14.20%之间。同时,利用588份重测序自然群体对收获指数性状开展了全基因组关联分析(genome-wide association study,GWAS),2016、2017、2019年及BLUP值共检测到6个显著关联位点,分别位于A09、C01和C03染色体上,其中2019年环境检测到的位于A09上的S9＿25882060与S9＿25961704重叠,且与2016年环境检测到的位于A...     

甘蓝型油菜角果长度性状的全基因组关联分析

角果长度是油菜重要的农艺性状,适度增加角果长度有利于扩大角果库容量,增加光合面积,提高油菜的籽粒产量。本研究利用Illumina60KSNP芯片对496份具有代表性的油菜资源进行基因型分析,考察群体在4个环境中的角果长度表型,利用MLM和GLM模型进行全基因组关联分析。结果表明, MLM模型检测到7个位点,联合解释25.01%的表型变异; GLM模型检测到25个位点,联合解释41.77%的表型变异。合并共同位点后得到27个位点,其中7个与前人报道的QTL重叠,其余20个是新鉴定的位点。效应最大的位点Bn-A09-p29991443位于A09染色体,在MLM和GLM模型中分别解释13.89%和12.86%的表型变异,携带其优异等位基因的材料平均角果长度增加0.89cm。同时,在该位点附近找到已克隆的油菜角果长度基因ARF18和BnaA9.CYP78A9。此外,在5个位点附近发现拟南芥已知角果长度基因GID1b、FUL、EOD3、DOF4.4和GA20ox1的同源拷贝。本研究结果有助于解析角果长度的遗传基础,为研究角果长度的调控机理,指导角果长度的遗传改良打下基础。     

甘蓝型油菜每角粒数的全基因组关联分析

每角粒数是油菜重要的产量构成因子,增加每角粒数有助于提高油菜的籽粒产量。利用Illumina 60K SNP芯片对496份具有代表性的油菜资源进行基因型分析,考察该群体在2个环境中的每角粒数,利用MLM和GLM模型进行全基因组关联分析。结果表明,本群体在2个环境中每角粒数的广义遗传力为57.7%。利用MLM和GLM模型分别检测到9个和20个位点,所有MLM位点均得到GLM结果的验证。6个位点与前人定位的QTL重叠,其中2个位点得到2次验证,其余14个是新位点。在7个位点附近找到了候选基因,其中在C09染色体的位点Bn-scaff155761-p74980附近找到已克隆的油菜每角粒数基因BnaC9.SMG7b,在其余6个位点附近找到GRDP1、SPATULA、HVA22D、DA2等已知的拟南芥每角粒数基因的同源基因。本研究结果有助于解析油菜每角粒数的遗传基础及其调控机制,为每角粒数的遗传改良奠定了基础。     

砷胁迫下甘蓝型油菜苗期根、下胚轴和鲜重的全基因组关联分析

油菜是修复土壤重金属污染的理想作物,为筛选甘蓝型油菜耐砷性的显著关联单核苷酸多态性位点及相关候选基因,本研究以140份不同来源的甘蓝型油菜自交系为材料,测定和利用油菜60KSNP芯片对正常和砷胁迫条件下的相对根长(RRL)、相对下胚轴长(RHL)和相对鲜重(RFW)进行了全基因组关联分析。结果表明,与RRL、RHL和RFW显著关联的SNP位点分别为15、20和35个,单个SNP位点表型贡献率分别介于13.31%～24.39%、18.04%～33.82%和20.19%～25.06%之间;其中在A02、A07和C02染色体上同时存在与RRL、RHL和RFW显著关联的LD区间。基于油菜基因组信息在LD区间内共筛选到61个可能与砷胁迫相关的候选基因,其中PHT3;3、PHT1;9、GST、OTC5、NRAMP1和ZIP12等与重金属吸收和转运相关。实时荧光定量PCR分析结果表明, PHT3;3和PHT1;9是与甘蓝型油菜砷离子吸收转运相关的重要候选基因。本研究结果对于甘蓝型油菜耐砷胁迫机理的研究、性状的改良具有重要参考价值。     

整合GWAS和WGCNA分析挖掘甘蓝型油菜黄籽微效作用位点

甘蓝型油菜是世界上最重要的油料作物之一, 黄籽是提高品质的重要育种目标。本研究以520份具有代表性的甘蓝型油菜品种(系)为材料, 结合种子发育过程中8个时期的转录组数据, 采取整合全基因组关联分析(GWAS)和权重基因共表达网络分析(WGCNA)的策略, 挖掘油菜黄籽性状微效作用位点, 2年共检测到199个SNP位点, 在SNP位点附近共挖掘出1826个名义候选基因。利用R语言中的WGCNA软件包构建了8个共表达模块, 基因功能富集分析显示, turquoise模块和blue模块与黄籽表型相关。苯丙烷代谢途径、类黄酮途径的关键基因BnATCAD4、BnF3H以及BnANS为turquoise模块的枢纽基因(hub gene)。通过已知的黄籽相关基因, 挖掘出了一部分黄籽微效作用基因, 这些基因多参与苯丙烷、类黄酮以及原花青素代谢途径。本研究挖掘的这些位点和候选基因可作为影响油菜黄籽形成的重要候选区域和基因, 有助于探究甘蓝型油菜黄籽基因资源信息、揭示油菜黄籽性状的遗传基础和分子机制、丰富分子育种理论以及提高油菜品质。     

甘蓝型油菜开花相关基因的鉴定及进化与表达分析

开花是开花植物繁衍后代的前提,控制开花时间对农作物获得高产稳产具有重要影响。然而,关于甘蓝型油菜基因组水平上开花相关基因的信息报道较少。本研究对甘蓝型油菜开花相关的基因进行了鉴定、特征分析、进化与表达模式分析。结果表明,基因组水平上共鉴定到甘蓝型油菜1173个开花相关基因,这些基因分为9类,且不均匀地分布在染色体上;与白菜(AA,2n=20)和甘蓝(CC,2n=18)相比,甘蓝型油菜(AACC,2n=38)经过自然杂交和染色体加倍后,使开花相关基因的数目显著扩增;选择压力分析表明,糖代谢信号途径的基因比自发途径的开花相关基因受到的选择压力更大;仍有一些开花相关基因在拟南芥和油菜基因组内非常保守。甘蓝型油菜基因数目的扩增和功能分化导致其开花调控机制更加复杂,本研究为油菜开花途径提供更多的信息,也为阐明拟南芥和油菜开花基因的进化关系指明了方向。     

利用异源六倍体(A~rA~rA~nA~nC~nC~n)与甘蓝种间杂交合成甘蓝型油菜的新方法

利用亲本种的遗传变异是改良油菜的重要途径,本研究提出一种利用甘蓝拓宽甘蓝型油菜遗传多样性的新方法。以甘蓝型油菜(AnAnCnCn)品种中双11号为母本,与白菜型油菜(ArAr)品系SWU07杂交,经染色体加倍获得异源六倍体(ArArAnAnCnCn),再与甘蓝(CoCo)杂交,创建出具有亲本种遗传成分的新型甘蓝型油菜(ArAnCnCo)。该六倍体连续3个世代核型稳定,各世代中的自交和自由授粉结实率无显著差异,花粉育性在94.6%～98.8%之间,3个世代自交平均结实率为每角果5.47粒,自由授粉平均结实率为每角果7.93粒;各世代六倍体(ArArAnAnCnCn)与不同类型甘蓝杂交平均结实率分别为每角果0.05、0.04、0.05粒,世代间无显著差异,且六倍体与栽培、野生甘蓝杂交结实性无显著差异,可交配性不受六倍体世代及甘蓝类型的影响。尽管该六倍体与甘蓝可交配性较低,但仍可在田间条件下成功杂交,获得新型甘蓝型油菜(ArAnCnCo),表明以ArArAnAnCnCn六倍体为桥梁与甘蓝杂交,是一种有效导入甘蓝遗传成分、创建新型甘蓝型油菜的新方法。     

甘蓝型春油菜早花位点加密及位点聚合创建优异早花资源

cqDTFA7a and cqDTFC8, two major effects of early flowering QTL, were identified in the NNDH population of spring Brassica napus, and closely linked markers SSR G1803, InDel IA7-4, and SSR S035 with cqDTFC8 developed in previous studies. In this study, a BC₂F₂ population for early flowering QTL locus cqDTFC8 was constructed, and a closely linked SNP marker was further developed. The early flowering genotypes of one natural resources contained 93 spring B. napus varieties were identified used four closely linked markers with two loci, and selected 3164 and 2216 resources with cqDTFA7a site, 3484 and 2857 resources with cqDTFC8 site. Two site resources were aggregated by site polymerization through reciprocal hybridization. The polymerized DH system was rapidly obtained by microspore culture and maker assisted selection. A hybrid combination was created between polymeric line with good traits and early flowers and the Polima CMS, and the utilization value of the polymeric line was further analyzed by the production test at multiple environments for two consecutive years. cqDTFC8 encryption results showed that this site was located in the SNP11 and SNP12 interval, and separated from SNP11 altogether. The identification results of early flowering genotypes of natural resources showed that there were 50 individuals containing cqDTFA7a locus, with an average initial flowering period of 58.1 days; 16 single plants containing cqDTFC8 locus, with an average flowering period of 58.3 days; and 16 single plants containing two loci, with an average flowering period of 55.2 days, indicating the more early flowering sites containing, the earlier flowering. The results of polymerization showed that the flowering time of the polymerized lines of cqDTFC8 and cqDTFA7a was 2-3 days earlier than that of the single locus parents, among which the polymerized DH18 from 3164 of cqDTFA7a and 3484 of cqDTFC8 was 3 days earlier than that of the parents, and the yield-related traits were better than those of other lines. The combination of DH18 and the Polima CMS 025A was further utilized, and the combination was named TZG18. Yield results of two years and nine environments showed that yield of TZG18 was above 17.5% higher than the Haoyou 11, a local B. rapa variety on the Qinghai-Tibet plateau. Those results indicated that the early flowering site polymeric lines had an obvious advantage over the single locus lines in flowering time, and had an effect on the increasement of rapeseed yield. This study is a preliminary exploration of MAS breeding for early flowering traits of Brassica napus, providing materials support for replacing B.rapa varieties using early maturity Brassica napus varieties in spring rapeseed region, and approaches for gene polymerization breeding technology.