Nature Communications:中國研究團隊利用QTG-Miner系統(tǒng)解析玉米雄穗分枝數(shù)遺傳基礎(chǔ)
日期:2023-09-04 17:27:00
關(guān)鍵詞:玉米,QTG-Miner,快速克隆,雄穗分枝數(shù)

玉米(Zea mays ssp. Mays)是種植最廣泛的作物之一,占世界谷物產(chǎn)量的38%以上。由于緊湊的植物結(jié)構(gòu),玉米可以高密度種植進而推動產(chǎn)量的增加。更少的雄穗分枝數(shù)(TBN)是玉米緊湊植株結(jié)構(gòu)的重要影響因素,受許多數(shù)量性狀位點(QTL)的控制,因此剖析TBN的遺傳結(jié)構(gòu)對于進一步改良植株結(jié)構(gòu)和玉米產(chǎn)量具有重要意義。目前仍缺乏快速大規(guī)??寺?shù)量性狀位點的方法,這限制了現(xiàn)代玉米改良的發(fā)展。


2023年8月26日,華中農(nóng)業(yè)大學(xué)李林教授(通訊作者)等研究團隊在Nature Communications在線發(fā)表了題為“QTG-Miner aids rapid dissection of the genetic base of tassel branch number in maize”的研究論文,開發(fā)了一種基于多組學(xué)數(shù)據(jù)的玉米數(shù)量性狀基因(QTGs)大規(guī)模快速克隆技術(shù)QTG-Miner,定位克隆并驗證了7個雄穗分枝數(shù)QTL基因,構(gòu)建了一個全面的TBN分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò),并揭示了現(xiàn)代玉米遺傳改良過程中雄穗分枝數(shù)性狀調(diào)控基因的馴化選擇和相關(guān)的生物學(xué)途徑。QTG-Miner是系統(tǒng)解析作物重要農(nóng)藝性狀遺傳和分子機制的高效方法。


首先該團隊介紹了QTL-Miner的基本原理和分析流程。該方法有三個分析步驟,分別是QTL的初定位、單個QTL位點分離材料的篩選和測序及利用QTG-Miner進行候選基因的挖掘(圖1)。在對QTL的初定位,QTG-Miner可以分析F2、DH、RIL和NIL群體。在QTL初定位基礎(chǔ)上,利用轉(zhuǎn)錄組測序(RNA-seq)鑒定群體中目標(biāo)QTL區(qū)間內(nèi)具有不同基因型但在該區(qū)域外遺傳距離盡可能近的個體,以鑒定差異表達基因(DEGs)和序列變異。利用QTG-Miner進行候選基因挖掘,QTG-Miner集成了多組學(xué)網(wǎng)絡(luò)圖,人工智能(最短距離,SD和機器學(xué)習(xí)算法,ML),以及對上述對比個體之間檢測到的突變或多態(tài)性的生物學(xué)后果的解釋。在候選基因預(yù)測過程中,已鑒定的DEGs和基因序列變異根據(jù)比例權(quán)重來進行優(yōu)先排序。和根據(jù)目標(biāo)QTL區(qū)間內(nèi)所有基因的預(yù)測結(jié)果和功能注釋,篩選出高置信度的候選基因。


65002da395f44.jpg

圖1 QTG-Miner的基本原理和工作流程


研究團隊利用QTG-Miner預(yù)測了12個雄穗分枝數(shù)QTL的候選基因,并通過SD算法和NeuralNet的加權(quán)權(quán)重對候選基因進行排序(圖2)。并利用EMS誘變和CRISPR基因編輯對候選基因進行表型驗證,成功驗證了7個TBN候選基因?qū)π鬯敕种?shù)的調(diào)控功能(圖3)。通過多組學(xué)網(wǎng)絡(luò)圖構(gòu)建了玉米TBN的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò),分析了網(wǎng)絡(luò)中基因富集的12種生物學(xué)途徑,和qTBN8-2lrs1)網(wǎng)絡(luò)中的重要基因(圖4)。


65002db40b7ce.jpg

圖2 QTG-Miner鑒定了12個玉米雄穗分枝數(shù)QTL的候選基因


65002dc6c4cb5.jpg

圖3 QTG-Miner鑒定的qTBN3-1qTBN7-1候選基因的驗證


圖423090501.jpg

圖4 玉米中TBN的綜合分子網(wǎng)絡(luò)和基因富集分析


通過分析7個候選基因在大芻草、農(nóng)家種和玉米自交系間的核苷酸多樣性,發(fā)現(xiàn)在玉米馴化和改良過程中等位基因的頻率逐漸增加,說明關(guān)鍵雄穗分枝數(shù)QTG在玉米改良中受到選擇(圖5)。此外雄穗分枝數(shù)QTG在雌性雜種優(yōu)勢群(FHGs)和雄性雜種優(yōu)勢群(MHGs)之間的多個生物學(xué)途徑中,特別是在分生組織穩(wěn)定和決定途徑中,具有顯著的同向選擇(圖6)。


圖523090501.jpg

圖5 包括qTBN8-2lrs1)的7個候選基因的選擇分析


圖623090501.jpg

圖6 現(xiàn)代玉米雜交育種過程中FHGs和MHGs之間TBN途徑的同向選擇


—— 參考文獻 ——


Wang, X., Li, J., Han, L., et alQTG-Miner aids rapid dissection of the genetic base of tassel branch number in maize[J]. Nature Communications, 14, 5232 (2023).

北大荒墾豐種業(yè)-澤泉科技生物技術(shù)與表型服務(wù)中心是由北大荒墾豐種業(yè)股份有限公司和上海澤泉科技股份有限公司共同建設(shè)的開放式高通量植物基因型-表型-育種服務(wù)平臺。中心建立了基因克隆和載體平臺、作物轉(zhuǎn)化系統(tǒng)、基因型分析平臺、表型鑒定分析平臺、數(shù)據(jù)分析和利用平臺等現(xiàn)代化生物技術(shù)和信息支持平臺,是定位于為植物科研和作物育種提供植物基因型-表型-育種數(shù)據(jù)分析的科研服務(wù)平臺。


基因編輯服務(wù)
為了縮短您的育種進程,提高您的育種成功率,北大荒墾豐種業(yè)-澤泉科技生物技術(shù)與表型服務(wù)中心將為您提供水稻基因編輯服務(wù)。本方案利用基因編輯酶系統(tǒng)編輯供試材料的目的基因,在不改變其他基因的情況下迅速獲取一批目的基因缺失型突變體。解決傳統(tǒng)雜交選育中存在的周期長,基因連鎖等難題。
如您需要了解更多信息,請識別下方二維碼填寫登記表,我們會為您提供專業(yè)的服務(wù),真誠期待與您的合作!
電話:021-32555118
郵箱:sales@zealquest.com


相關(guān)閱讀:


新基因:水稻穗型調(diào)控和稻曲病抗性相關(guān)新基因SPR9
BREEDIT:一種多重基因編輯策略,改良復(fù)雜數(shù)量性狀


收 藏