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​華中農大博士後繪制結構變異組圖譜助力玉米遺傳改良

時間:2019-07-03 來源:

    2019年5月31日,《Nature Genetics》在線發表了由華中農業大學嚴建兵團隊主導,華大基因等單位參與的玉米基因組研究成果:“Genome assembly of a tropical maize inbred line provides insights into structural variation and crop improvement”。該研究公布了迄今為止質量最高的熱帶玉米參考基因組,并公布了首份玉米結構變異圖譜,結合這些信息首次從自然變異中克隆到影響玉米粒重的關鍵基因。華中農業大學博士後楊甯、劉傑博士和華大基因高強博士為論文共同第一作者。嚴建兵教授為通訊作者。華中農業大學“長江學者”講座教授David Jackson博士,嚴建兵教授課題組的多位博士後和研究生,華大基因的多位合作夥伴也一同參與了該研究。ChIA-PET數據的獲得得到了李興旺教授的支持,SK種子由中國農大李建生教授提供。工作得到了國家自然科學基金和國家重點研發計劃,以及作物遺傳改良國家重點實驗室自主課題和學校自主創新課題等項目的支持。

構建熱帶玉米基因組的重要性與必要性

    玉米是世界四大主糧作物之一,全球玉米年産量超過10億噸。玉米在大約9000年前起源于熱帶地區,經人類馴化後,種植範圍不斷擴大,覆蓋到廣大溫帶地區。相比于其他地區,熱帶起源地的玉米種質有獨特的抗逆性狀, 如抗病蟲、耐旱等。然而玉米遺傳多樣性高,取自任意地域、任意品種的兩個玉米材料之間的遺傳差異均大于人類與黑猩猩的差異。已發表玉米基因組材料均來自溫帶,用作參考基因組,不能全面揭示熱帶玉米的遺傳多樣性。因此,構建高質量熱帶玉米基因組圖譜對熱帶玉米優勢抗逆性狀的遺傳學研究意義重大,是玉米優勢農藝性狀相關基因與位點信息得到更充分挖掘的必要前提。

圖1: 熱帶玉米SK的植株及果穗形态。




    該項研究首先以一個熱帶小粒玉米品種(SK)為材料,應用三代Pacbio測序技術、Bionano Genomics雙酶切光學圖譜、10X Genomics和Illumina雙端測序産出的數據,組裝得到迄今為止質量最好的玉米參考基因組,大小為2.32Gb, contig N50達到15.78Mb,注釋獲得了43,271個基因,為後續通過比較基因組學分析對熱帶玉米品系遺傳多樣性進行表征,和對重要農藝性狀相關基因進行定位提供了高質量的參考基因組和基因集。

圖2:SK參考基因組概貌



基于該基因組構建結構變異組圖譜

    基因組結構變異可直接影響基因的表達和生物個體的性狀表現,随着測序成本的降低,結構變異研究逐漸成為基因組學領域的熱點。該項目研究人員基于新構建的SK參考基因組,結合之前已發表的溫帶玉米B73和Mo17參考基因組,應用521份玉米自交系的深度重測序數據,鑒定出了80,164個多态性結構變異,其中約22%的變異是傳統單核苷酸多态性(SNP)檢測方法所不能及的。研究人員應用這些變異信息構建了玉米的結構變異組圖譜,為後續玉米重要農藝性狀相關位點和基因的定位提供了精細的參照。


發現結構變異對基因表達量的多種調控機制

    該項研究發現,結構變異相比于SNP更容易引起基因表達量的變化。結合染色質三維交互(ChIA-PET)數據,研究人員證實,結構變異除可通過插入基因功能區引起基因表達量變化外,還可以通過重建或破壞基因組的三維交互,進而引起基因表達量的變化。



圖3:野生玉米大刍草、SK以及現代玉米自交系ZHENG58的籽粒形态及百粒重


    玉米籽粒的重量與産量相關,是玉米馴化和改良過程中的關鍵選擇性狀之一。此前雖已針對該性狀的控制位點開展了多項研究,但還從未用正向遺傳學的手段定位過影響該性狀的基因。

    在該項目中,研究人員利用ZHENG58和SK構建的重組自交系群體在玉米的1号染色體上定位到了一個同時控制粒型和粒重的位點(qHKW1),随後将其精細定位在長度為177Kb的基因組區間内,進一步定位出該位點所在的基因——ZmBAM1d,通過基因表達實驗證實該基因正向調控玉米粒重,且在該基因過表達和敲除實驗中均未檢出對其他農藝性狀的影響,表明該基因在玉米品質改良當中有應用前景,可用于提升作物産量。

研究人員進一步将SK和B73的ZmBAM1d基因區域進行比較,發現了與粒重表型直接相關的結構變異,由此說明,結構變異是表型差異的基礎,也證明了該項研究中所構建的結構變異組圖譜在農藝性狀相關基因與位點定位當中的直接作用和未來應用前景。


全文鍊接:https://www.nature.com/articles/s41588-019-0427-6


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