華中農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)QTL快速定位克隆的RapMap方法并發(fā)現(xiàn)水稻粒形的定向馴化特征

來源：鄭州天順食品添加劑有限公司發(fā)布時間：2021-10-04 16:01:22 關(guān)注： 0 次

標(biāo)簽： 克隆 , 基因 , 標(biāo)準(zhǔn) , 水稻

　　2021年9月28日，Nature Communications線上發(fā)布了華中農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)作物基因遺傳改進我國重點實驗室稻谷精英團隊、湖北省孝南試驗室李一博專家教授研究組名為“The identification of grain size genes by RapMap reveals directional selection during rice domestication”的研究分析畢業(yè)論文。該科學(xué)研究研發(fā)了一種迅速、高通量測序復(fù)制總數(shù)特性結(jié)構(gòu)域（QTL）遺傳基因的新方式——RapMap（圖1），發(fā)覺了企業(yè)點基因遺傳的實質(zhì)分辨規(guī)范，迅速復(fù)制了八個水稻種子大小QTL遺傳基因，并闡明了粳稻長細(xì)粒形是在稻谷長期性訓(xùn)化和改進過程中定向選擇的結(jié)果。

　　圖1 RapMap定位克隆QTL遺傳基因的機理和步驟

　　農(nóng)作物的生產(chǎn)量、質(zhì)量及其抗微生物和非生物因素威逼有關(guān)特性大多數(shù)是由QTL操縱的，對這種QTL開展基因遺傳分析和分子克隆是了解物種多樣性與基因遺傳改進農(nóng)作物的基本。獲得企業(yè)點分離出來的基因遺傳精準(zhǔn)定位人群，是復(fù)制QTL遺傳基因的前提條件。傳統(tǒng)式QTL復(fù)制方式根據(jù)搭建繁雜基因遺傳人群（RIL、MAGIC和NAM等）開展QTL精準(zhǔn)定位、運用高級做圖人群（NIL、SSSL和IL）完成企業(yè)點基因遺傳，可是該全過程用時費力，大大的局限了QTL分子克隆的效果和運用過程。

　　為提升獲得企業(yè)點基因遺傳人群的高效率，該科學(xué)研究最先依據(jù)顯性基因、半顯性基因和超顯性三種遺傳效應(yīng)匯總出了12種企業(yè)點基因遺傳分離出來實體模型，并在這個基礎(chǔ)上明確提出企業(yè)點基因遺傳分離出來的本質(zhì)屬性是在隨意基因遺傳分離出來人群中總體目標(biāo)QTL/遺傳基因區(qū)間的二種純合基因型可以與相匹配基因型共分離出來，即共分離出來規(guī)范（圖1c）；該“共分離出來規(guī)范”是企業(yè)點基因遺傳的充要條件，對細(xì)胞生物學(xué)中企業(yè)點基因遺傳分離出來的傳統(tǒng)式分辨規(guī)范（如雙峰分布、3:一分離比等）起更改和回應(yīng)的功效，這一分辨規(guī)范的升級，進一步提高了獲得企業(yè)點分離出來人群的效果和概率。為了更好地較大也許地達到分離出來人群的共分離出來規(guī)范，該探究明確提出并操作了從關(guān)鍵種源選擇基因型差別較小的父母搭建一系列F2梯度方向人群（F2GP）開展基因遺傳精準(zhǔn)定位的對策（圖1a），以求至少化每一個基因遺傳人群中保障措施特性的分離出來結(jié)構(gòu)域總數(shù)，并復(fù)制不一樣父母組成中的主效QTL；不符合共分離出來規(guī)范的人群，可根據(jù)自交低、中、低值的F2或F3的多個家系，依據(jù)子孫后代分離出來狀況，選擇總體目標(biāo)區(qū)間雜合而環(huán)境分離出來結(jié)構(gòu)域純合的家系來完成企業(yè)點分離出來。F2梯度方向人群融合企業(yè)點基因遺傳的共分離出來規(guī)范，完成了QTL精準(zhǔn)定位、認(rèn)證以及類近等遺傳基因系（NIL-LL）挑選的“三位一體”的基因組精準(zhǔn)定位與復(fù)制對策，大大的減少了獲得企業(yè)點基因遺傳精準(zhǔn)定位人群的時長和成本費。該探討根據(jù)搭建15個種籽尺寸F2梯度方向人群，在三年內(nèi)復(fù)制了八個種籽尺寸遺傳基因（圖2），在其中除開GS3、GW5、GS2、GW8和GW7/GL7等已報道基因外，也有2個新遺傳基因GL1和GW5.1及2個GS3強作用新等位基因GS3-5和GS3-6也獲得復(fù)制，這說明RapMap在QTL復(fù)制層面具備很大發(fā)展?jié)摿Α?/div>

　　圖2 粒長度粒寬F2梯度方向人群的親本組成

　　與傳統(tǒng)式做圖人群和精準(zhǔn)定位方式對比，RapMap的優(yōu)點具體在以下層面：一是RapMap兼顧父母本基因遺傳人群的準(zhǔn)確度和多親本基因遺傳人群的物種多樣性；二是F2梯度方向人群完成了父母挑選和人群搭建的簡潔性、協(xié)調(diào)能力和廣泛性的統(tǒng)一，搭建時間較短、低成本；三是RapMap根據(jù)共分離出來規(guī)范將QTL精準(zhǔn)定位、QTL效用認(rèn)證和類近等遺傳基因系挑選三個QTL復(fù)制重要環(huán)節(jié)完成“三位一體”，進一步提高了QTL復(fù)制的準(zhǔn)確性和高效率，是以分子克隆為目標(biāo)導(dǎo)向的方式；四是RapMap不但能夠復(fù)制當(dāng)然基因變異中的主效遺傳基因，還能評定復(fù)制出當(dāng)然人群中的稀缺基因變異和微效遺傳基因；五是RapMap不依賴于繁雜的手機軟件和統(tǒng)計分析方法，只是根據(jù)基因型和基因型的立即相匹配，防止了陽性和假陰性的影響，提升了QTL定位克隆的穩(wěn)定性；六是根據(jù)F2梯度方向人群融合共分離出來規(guī)范，RapMap可高效地將繁雜的多遺傳基因減少到簡易的企業(yè)點基因遺傳，進而完成一個人群只復(fù)制一個主效QTL遺傳基因、好幾個人群大批量復(fù)制好幾個QTL遺傳基因的提升。之上特性說明，以梯度方向基因遺傳人群的搭建和企業(yè)點基因遺傳的“共分離出來規(guī)范”為關(guān)鍵的RapMap方式，是一個集QTL精準(zhǔn)定位、認(rèn)證以及類近等遺傳基因系挑選“三位一體”的迅速、高通量測序分子克隆對策；該方式一樣也適用別的一切便于混種雜交和繁殖充足混種雜交子孫后代的綠色植物和小動物的隨意特性，或?qū)⒆兂?QTL遺傳基因定位克隆的實用與優(yōu)選方式，將助推作用分子生物學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)科學(xué)研究。

　　RapMap復(fù)制獲得的八個種籽尺寸遺傳基因能夠表述77.2%的粒形基因變異，對粒長、粒寬和寬高比基因型預(yù)測分析的精確度可以達到0.82、0.79和0.87，說明這種遺傳基因?qū)αＰ位蛐途邆涓叩恼急群拖笳餍?，為人群水?zhǔn)剖析粒形訓(xùn)化給予了不錯的前提條件。根據(jù)科學(xué)研究這八個遺傳基因在野生稻、農(nóng)家院種和種植品種的等位基因頻率轉(zhuǎn)變，發(fā)覺長粒和細(xì)砂等位基因在訓(xùn)化全過程中是逐漸積累的，粒長度粒寬均值也相對地拉長和變?。▓D3a-c），說明稻谷粒形在訓(xùn)化和改進過程中發(fā)生了定向選擇，且這類定向選擇的硬度在粳稻中比粳稻中更強。與此同時，該定向選擇隨著著多肽鏈多元性減少的發(fā)展趨勢，說明在稻谷訓(xùn)化改進全過程中，長細(xì)粒等位基因被喜好性地選用和聚集了。挑選消除分析表明主效遺傳基因GS3、GW5及GW7/GL7遭受明顯訓(xùn)化挑選，暗示著了遺傳基因效用和挑選工作壓力的關(guān)聯(lián)性（圖3d）。相關(guān)分析進一步說明，DNA基因變異、挑選工作壓力、基因型基因變異表述率及基因型關(guān)系顯著性差異中間具有明顯成正比（圖3e），這表明對種籽尺寸遺傳基因的選用工作壓力讓人們有更多的機遇在當(dāng)然人群中評定到大效用的遺傳基因，例如根據(jù)全基因相關(guān)性分析（GWAS）等方式；而GWAS對微效遺傳基因或稀缺基因變異檢驗功能的不夠，可根據(jù)RapMap方式來開展填補。

　　圖3 八個粒形遺傳基因的定向選擇及其DNA基因變異、挑選工作壓力、基因型基因變異表述率及基因型間的顯著性差異相關(guān)性分析

　　綜上所述說明，RapMap為繁雜特性QTL遺傳基因定位克隆和遺傳性基本分析給予了合理方式，明確提出了企業(yè)點基因遺傳的實質(zhì)分辨規(guī)范，該研究發(fā)現(xiàn)的新遺傳基因和新等位基因為種籽尺寸基因遺傳改進帶來了新遺傳基因資源；種籽尺寸遺傳基因的挑選消除剖析及粳稻粒形在訓(xùn)化改進全過程中的定向選擇等結(jié)果為稻谷粒形科學(xué)研究帶來了新看法。

　　我院性命科技學(xué)校博士研究生張俊成、博士生張德建、博士生樊亞偉為論文的并列第一創(chuàng)作者，李一博研究組別的7名博士研究生和7名碩士研究生均參加了該工作中，李一博專家教授為文章內(nèi)容通訊作者。稻谷精英團隊練興明專家教授和中國科學(xué)院分子結(jié)構(gòu)綠色植物科學(xué)研究非凡創(chuàng)新中心韓斌工程院院士精英團隊為本分析帶來了野生稻、農(nóng)家院種和種植稻的材質(zhì)和數(shù)據(jù)信息。該科學(xué)研究取得了我國要點科研開發(fā)方案、自然科學(xué)基金、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新股票基金的支助。

　　【Abstract】

　　Cloning quantitative trait locus （QTL） is time consuming and laborious, which hinders the understanding of natural variation and genetic diversity. Here, we introduce RapMap, a method for rapid multi-QTL mapping by employing F2 gradient populations （F2GPs） constructed by minor-phenotypic-difference accessions. The co-segregation standard of the single-locus genetic models ensures simultaneous integration of a three-in-one framework in RapMap i.e. detecting a real QTL, confirming its effect, and obtaining its near-isogenic line-like line （NIL-LL）。 We demonstrate the feasibility of RapMap by cloning eight rice grain-size genes using 15 F2GPs in three years. These genes explain a total of 75% of grain shape variation. Allele frequency analysis of these genes using a large germplasm collection reveals directional selection of the slender and long grains in indicarice domestication. In addition, major grain-size genes have been strongly selected during rice domestication. We think application of RapMap in crops will accelerate gene discovery and genomic breeding.

　　畢業(yè)論文連接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-25961-1