甘蓝型油菜生态型分化的遗传基础解析

来源 :华中农业大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:lvjjvl
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甘蓝型油菜是世界第二大油料作物,在长期驯化栽培过程中产生了广泛的变异。根据油菜开花对低温的需求将其分为3种生态类型:冬性油菜(WORs)、春性油菜(SORs)和半冬性油菜(SWORs),其生态型分化的基础尚不明确。甘蓝型油菜是异源四倍体物种,基因组复杂,尽管已发布多个品种基因组草图,但其质量和代表性不足以满足功能基因组研究和品种改良的需求。本研究中,我们结合多种测序技术对中双11(ZS11)等代表3种不同生态型的8个甘蓝型油菜品系进行了测序和de novo组装,得到了的8个高质量参考基因组,鉴定了开花相关基因及相关的PAV,并结合开花期全基因组关联分析(GWAS)及8个油菜品系春化前后共5个时期叶片的转录组测序,确定了调控油菜开花期的关键基因,初步揭示了甘蓝型油菜生态型分化的遗传基础。主要研究结果如下:1.8个甘蓝型油菜品系包括2个冬油菜品种(Quinta和Tapidor)、2个春性油菜品种(Westar和No2127)和4个半冬性油菜品系(ZS11、Gangan、浙油7号、胜利油菜)。分别对这8个品系进行Pac Bio和Illumina测序及de novo组装,并以Hi C测序辅助组装和矫正,获得8个高质量参考基因组。基因组大小为1.001-1.003Gb,contig N50为2.1-3.1Mb,scaffold N50为50.90-57.88 Mb;与Darmor-bzh v4.1相比,连续性和完整性大幅度提升。ZS11与另外7个油菜品系之间存在187-394万个单核苷酸变异(SNP)和97-148万个小片段插入/缺失(In Del)变异以及1.8-3.4万存在/缺失变异(PAV),PAV片段累计长度达77-150Mb,与PAV相关的基因有1,619-4,810个。2. 利用拟南芥280个开花基因在ZS11基因组中共鉴定到1,204个同源基因,平均每个拟南芥开花基因在ZS11中有4.3个同源基因。甘蓝型油菜中不同开花基因拷贝数差异表明同源基因内发生了加倍、丢失;春化途径及开花关键调控因子拷贝数扩张,有利于甘蓝型油菜整合环境因子调控开花时间。3. 对210份油菜关联分析群体的2个春环境、3个冬环境开花期进行GWAS分析,在冬环境鉴定到8个显著性位点,在春环境鉴定到38个显著性位点(其中3个位点与冬环境重叠),共鉴定到60个开花基因,其中在两个以上环境鉴定到10个基因,包括Bna A02.FT、Bna A05.FPA、Bna A10.FLC等。4. 将ZS11的1,204个开花基因(基因区及上下游各10Kb序列)与另外7个品系的对应基因进行比较,共鉴定到15,173个PAV,总长超过16Mb(含冗余),平均长度1,083bp。去冗余后,共有670个基因存在PAV,其中149个开花基因在基因区存在PAV,两个冬油菜共有6个基因(Bna A02.FLC、Bna A03.FLCb、Bna A07.AGL1、Bna A09.GA1、Bna A10.FLC、Bna C04.AAT)在基因区含PAV,两个春油菜也有6个基因(Bna A03FCA、Bna A03.VGT1、Bna A06.TEL2、Bna A08.EIF2、Bna C01.PBP1、Bna A03.CRP)在基因区含PAV,推测上述12个基因不仅参与甘蓝型油菜开花调控,还可能与生态型分化相关。5. 对8个油菜自交系中10个Bna.FLC及6个Bna.FT基因区及启动子区进行了精细比对,在Bna A10.FLC、Bna A02.FLC、Bna A03.FLCa、Bna A03.FLCb和Bna C02.FLC中共鉴定到12个PAV,主要为转座子插入。其中,Bna A10.FLC、Bna A02.FLC和Bna A03.FLCb中的PAV与油菜的开花时间和生态型类型密切相关。Bna A02.FLC和Bna C02.FLC存在拷贝数变异(CNV)。而Bna A03.FLCa及Bna A02.FT、Bna A07.FTa、Bna C02.FT等3个Bna.FT在非编码区存在多个PAV,但基因结构均未发生改变,可能与生态型分化无关。6. 分析8个油菜品系春化前后5个时期的叶片转录组测序结果发现,3个Bna.FT基因(Bna A02.FT、Bna A07.FTa和Bna C06.FT)和5个Bna.FLC(Bna A10.FLC、Bna A02.FLC、Bna A03.FLCa、Bna A03.FLCb和Bna C02.FLC)在油菜开花调控中起主要作用。Bna A03.FLCa可能参与开花调控,无生态型特异性,与油菜的生态型分化无关,另外4个Bna.FLCs m RNA转录水平在不同生态型材料中差异显著,与生态型分化相关。在开花前,Bna A10.FLC在春油菜中不表达,在冬油菜中m RNA转录水平显著高于半冬性油菜,是油菜开花及不同生态型分化的主要控制基因。Bna A03.FLCb也是调控油菜开花及不同生态型分化的关键基因,但m RNA转录水平相对较低。此外,Bna A02.FLC和Bna C02.FLC的春化前m RNA转录水平高,两个基因的PAV和CNV导致了各生态类型品种间开花期差异,是影响开花期的微调基因。7. 基于BN-NAM群体6个冬环境和2个春环境的开花期对Bna A02.FLC、Bna A10.FLC和Bna C02.FLC影响开花期的效应进行了比较,发现在不同的环境中,这3个Bna.FLC对开花的调控能力存在较大差异。有功能的非春型Bna A02.FLCNS在冬、春环境均能推迟开花,能造成开花期10天以上的变异。在冬、春环境中,半冬型Bna A10.FLCSW比Bna A02.FLCNS对开花的推迟效应弱。在春环境,Bna A10.FLCSW推迟开花作用明显,在Bna A10.FLCS、无Bna C02.FLC背景下推迟开花效应最大,能产生5天左右的变异。Bna C02.FLC基因的效应可能弱于Bna A02.FLC。综上,5个Bna.FLC(Bna A10.FLC、Bna A02.FLC、Bna A03.FLCa、Bna A03.FLCb和Bna C02.FLC)和3个、Bna A07.FTa和)在油菜开花调控中起主要作用;其中,Bna A10.FLC是油菜开花及不同生态型分化的主要控制基因,Bna A10.FLC、Bna A02.FLC、Bna A03.FLCb和Bna C02.FLC基因区及启动子区的PAV和CNV变异对油菜开花期调控具有重要作用,对油菜遗传改良、新品种选育和种质资源创制具有重要意义。
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