蓖麻高密度遗传图谱构建和种子大小性状的QTL定位与遗传分析

	蓖麻高密度遗传图谱构建和种子大小性状的QTL定位与遗传分析
	于安民
导师	刘爱忠
学位专业	生物化学与分子生物学
关键词	蓖麻种子大小 QTL 种皮木质素
摘要	蓖麻是重要的非食用油料作物之一，可用于生产生物柴油。蓖麻种子油中特殊不饱和脂肪酸的含量非常高，且具有广泛的工业用途。随着工业上对蓖麻油需求量的迅速增加，迫切需要通过遗传育种的方式提高蓖麻种子的产量。目前，由于缺少遗传连锁图谱，蓖麻的遗传育种与基因改良研究受到很大限制。蓖麻基因组草图的公布，为基因鉴定、分子标记开发、转录组数据比对和比较基因组学的研究提供很大便利。随着高通量测序技术的发展，通过全基因组重测序或简化基因组测序能够将物理图谱与遗传图谱的信息整合在一起。借助于高通量、低成本的GBS（genotyping-by-sequencing）简化基因组测序技术能够获得全基因组水平的SNPs位点信息，用于遗传连锁图谱构建、基因型变异与表型变异之间的关联分析。目前，应用这一技术已经构建了多个物种的遗传图谱，如水稻、玉米、大麦、大豆、香蕉等。籽粒大小与重量是决定蓖麻产量的重要因素，因此要增加蓖麻产量，首先要在遗传图谱上找到控制籽粒大小与重量的QTLs位点。蓖麻是典型的双子叶胚乳型种子，成熟的种子拥有持续存在的大型胚乳和坚硬的外种皮。籽粒大小形成的生理与分子机制十分复杂，而种皮（由珠被细胞发育而来）则在体积上为种子的发育提供了最终上限，进而决定了种子大小。本研究采用高通量的GBS简化基因组测序技术对蓖麻200个重组自交系（RIL，recombinant inbred line）群体的个体进行重测序，用于构建遗传连锁图谱。基于首个高密度的遗传图谱，参考基因组的996个scaffolds被锚定到假染色体水平，并进行了籽粒大小、重量和含油量性状的QTL区间定位。结合蓖麻（ZB107和ZB306）种皮的形态学、化学成分以及转录组学分析结果，解析了蓖麻种皮对种子大小的调控机理并为有坚硬种皮的胚乳型种子籽粒大小形成的分子机制的研究提供了新思路。总之，该研究为蓖麻的分子遗传育种和品种改良奠定了坚实的基础，为通过调控种子大小来增加蓖麻产量提供了重要参考。主要研究成果如下：1. 遗传图谱构建、辅助基因组组装及比较基因组分析以籽粒大小性状差异明显的两个蓖麻品系ZB107和ZB306为亲本，构建了包含200个株系的RIL群体。基于简化基因组GBS测序技术进行基因分型，共筛选出亲本基因型均为纯合的多态性SNP差异位点808,191个。经过基因频率（≥ 0.2）、SNP覆盖度（≥ 75%）和偏分离过滤，最后筛选出15,789个SNP用于遗传图谱构建。使用MSTMap软件构建遗传图谱并最终得到10个连锁群，上图标记的SNP数目为8,896个，遗传距离总长度为1,852.33 cM。基于该遗传图谱上的SNP序列信息，将蓖麻参考基因组的996个scaffolds锚定到了10条假染色体上，并组装获得了296.01 Mb的假染色体水平基因组，占参考基因组大小的84.43%。通过蓖麻基因组的共线性分析以及比较基因组分析，验证了假染色体水平基因组的组装质量，解析了蓖麻基因组的进化过程，并为证明蓖麻在大戟科物种进化中特殊的地位提供了新的证据。2. 籽粒性状的QTL定位分析基于蓖麻的遗传连锁图谱，我们共定位到16个与种子大小和重量相关的QTL区间（共包含851个候选基因）和2个与种子含油量相关的QTL区间（共包含300个候选基因）。其中与籽粒长、宽、厚、单粒重相关的QTL各四个。所有QTL置信区间的大小范围为1.3~5.3 cM，对表型变异的解释度为4.40%~20.70%。控制粒长的qSL1、粒宽的qSW1、粒厚的qST1三个QTL区间，它们在遗传图谱上的位置是有重叠的，且对表型变异的解释度分别为8.2%，11.8%，17.2%。这表明种子大小是由籽粒长、宽、厚三个性状之间相互作用的结果，而共定位的区域中可能存在控制籽粒大小形成的关键基因位点。控制种子单粒重的两个主效QTL位点为qSSW3和qSSW6，对表型变异的解释度分别为10.9%和20.7%，置信区间大小为2.6和1.6 cM，最大LOD值分别为10.78和19.31。与含油量相关的两个QTL位点qOC6-1和qOC6-2的置信区间大小为3.8和2.1 cM，对表型变异的解释度分别为6.1%和7.0%，且来自亲本ZB306的加性效应值分别为0.72和0.73。籽粒大小与重量相关候选基因的KEGG功能分析表明，前5个富集的通路分别为翻译，折叠、分类与降解，氨基酸代谢，碳水化合物代谢，脂类代谢。大量的基因是参与代谢、泛素化介导的蛋白水解、植物激素信号转导等过程。而含油量性状相关的QTL区间内候选基因总共有300个，主要参与代谢调节、脂肪酸生物合成等过程，如甘油醛-3-磷酸脱氢酶GAPDH（Glyceraldehyde-3-Phosphate Dehydrogenase，29633.m000917）、脂肪酶（Lipase，30205.m001585）、GDSL酯酶/脂肪酶（esterases/lipases，30190.m011297）等基因。3. 种皮对种子大小的调控机理种子大小性状QTL定位的结果中有多个基因是与种皮木质素合成相关的，这预示着种皮可能在决定籽粒大小中发挥重要作用。首先，种皮组织的细胞学观察结果表明，ZB107与ZB306种皮细胞的大小没有显著性差异，也就是说ZB107种皮面积较大主要是由细胞数目较多造成的。而种皮的纤维组成（主要包括木质素、纤维素、半纤维素）分析表明，小种子ZB306种皮中木质素的含量（54.80%）显著高于ZB107（49.48%）。通过发育中期大种子ZB107与小种子ZB306种皮组织的差异基因表达发现，与ZB107相比，在ZB306中有815个基因是上调表达的，有813个基因下调表达。差异基因功能分析表明，在大种子ZB107中，与细胞分裂调节相关基因的表达是上调的，而在小种子ZB306中，与木质素生物合成（包括NAC转录因子，MYB46/83，MYB58/63）及细胞程序性死亡（CysEP1和βVPE）相关基因的表达是上调的。上述基因在种子发育过程中的表达模式分析表明，小种子ZB306种皮组织木质化发生时间提前且木质化程度更高。基于上述结果我们提出了蓖麻中种皮控制种子大小的分子机制，即大种子的种皮细胞分裂能力强，细胞木质化发生的较晚，导致种皮面积较大，种子体积变大。
	2019-06
学位授予单位	中国科学院昆明植物研究所
学位名称	博士
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.kib.ac.cn/handle/151853/74073
专题	昆明植物所硕博研究生毕业学位论文
推荐引用方式 GB/T 7714	于安民. 蓖麻高密度遗传图谱构建和种子大小性状的QTL定位与遗传分析[D]. 中国科学院昆明植物研究所,2019.

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20151080615022蓖麻高密度遗（4501KB）	学位论文		限制开放	CC BY-NC-ND	请求全文