基于全基因组重测序的多世代粗皮桉遗传变异研究及材性性状关联分析

来源 :中国林业科学研究院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liuqin1225
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我国木材需求量大,进口占比高,发展速生人工林是解决供需矛盾的重要途径之一。粗皮桉是优良的桉树树种,可做纸浆材和实木用材,其材性性状的改良是提高粗皮桉利用价值的关键。我国目前对粗皮桉的改良进行到第二世代,在构建粗皮桉第三代群体之前,需要对前2个世代粗皮桉群体有深入的了解。本研究基于全基因组重测序(WGR)技术,分析粗皮桉第一代群体23个种源196个家系、第二代群体220个家系的变异位点,目的是分析2个世代粗皮桉群体分子水平的群体遗传结构和世代间变异特征;分析2个世代粗皮桉群体受选择压力下基因型变化和进化情况;获得第二代代粗皮桉群体的材性性状表现情况,并基于重测序对粗皮材性相关性状进行全基因组关联分析(GWAS),寻找材性性状关联位点。为了达到以上目的,进行如下研究:(1)对2个世代粗皮桉416个家系进行全基因组重测序,分析测序质量,比对到基因组,分析SNP、In Del的构成,并进行SNP、In Del的功能注释。(2)基于获得的变异位点,构建2个世代系统发育树(Phylogenetic Tree),分析群体结构,进行群体主成分分析和群体亲缘关系分析,并借助近红外光谱技术(NIRs)验证粗皮桉群体结构,以了解2个粗皮桉世代的群体结构和世代间遗传变化情况。(3)基于获得的变异位点,对2个世代粗皮桉进行选择清除分析,分析粗皮桉的遗传进化;对群体各分组进行选择清除分析后获得的受选位点和基因进行功能注释,分析粗皮桉在选择下基因型变化情况。(4)以第二代粗皮桉群体为材料,测量粗皮桉17个材性相关性状数据并进行遗传学分析。(5)基于重测序数据对第二代粗皮桉群体材性性状进行全基因组关联分析,并对关联基因进行功能注释。得到的主要结论:(1)416个粗皮桉样品测序质量Q30达到91.41%;与参考基因组的比对率达到93.55%;平均测序覆盖深度14.34×,基因组覆盖较均匀;测序质量较高。416个样品共检测到SNP632.67万个,每样品平均164.86万个,转换颠换比例平均1.96,杂合占比平均36.81%;对SNP进行注释,在蛋白编码区(CDS)的SNP占14.60%。416个样品共检测到In Del215.25万个,其中插入98.72万个,在蛋白编码区检测到的In Del总计47251个,占2.41%,其中插入19522个。(2)第一代粗皮桉群体23个种源的系统发育树、群体聚类和主成分分析都显示其可分为3大组,这3大组的划分并不与3大来源地昆士兰州(QLD)、巴布亚新几内亚(PNG)和印度尼西亚(IDN)完全吻合,但他们之间有较强相关性。第二代粗皮桉群体也可分为3大组,但是3大组与粗皮桉3大来源地之间没有明显相关性,即第二代群体的基因型经历了重组。(3)粗皮桉第一代群体具有不低的遗传多样性,其总体的期望杂合度(He)、Nei多样性指数(Nei DI)、香农-威纳指数(SHI)、多态性信息含量(PIC)分别是0.29、0.46、0.24、0.29,第二代群体遗传多样性比第一代还高点,其总体的期望杂合度(He)、Nei多样性指数(Nei DI)、香农-威纳指数(SHI)、多态性信息含量(PIC)分别是0.30、0.30、0.46、0.25,这与粗皮桉第二代群体构建时材料丰富有关。同样第二代粗皮桉群体的核酸多态性(π)比第一代群体高。(4)中性检验显示2个世代之间有选择清除结果,但整体不强烈。群体分化指数(Fst)的分析结果为之前学者关于粗皮桉有2个天然起源中心(QLD和PNG)的推测提供了依据,同时笔者推断PNG中的来源地PNG1是由大来源地QLD传播而来,这是本研究的重要结论之一。(5)基于选择清除分析,第一代群体中来源地QLD和PNG2的平均受选基因数量是最多,达到66.4个,这与遗传距离和群体分化指数分析结果一致,说明QLD和PNG2内种源差异明显。对第二代群体受选基因数量分析显示其出现了选择清除结果。(6)粗皮桉平均基本密度为0.518g/cm~3,纤维长度、宽度分别为590.9μm、28.9μm,纤维长宽比为20.34,扭结指数为0.29,弹性模量为13.49Gpa,纤维素含量为43.10%,纸浆得率为48.07%。从粗皮桉生长和材性性状分析,适合做纸浆材原料,也具备作为实木用材的条件。综合比较,种源A20659作为优良种源。(7)粗皮桉全基因组关联分析得到6个位点92个基因,涉及到胸径、抽提物含量、总木质素、纸浆得率等性状,各性状关联基因的GO注释涉及的基因功能分别有蛋白质磷酸化、离子跨膜转运、有机磷酸酯转运和细胞群增殖的负调控等。本研究对粗皮桉的遗传改良和分子育种具有显著的理论意义和潜在应用价值。
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