本文關(guān)鍵詞：甘藍(lán)型油菜遺傳結(jié)構(gòu)分析和選擇馴化研究

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【摘要】：大約在一萬(wàn)年前,甘藍(lán)型油菜(基因組為AnAnCnCn)由甘藍(lán)(基因組為CoCo)和白菜(基因組為ArAr)異源雜交并多倍化形成。油菜的馴化歷史很短,大概只有三四百年的時(shí)間,由于對(duì)不同氣候和緯度的環(huán)境適應(yīng)而分化為冬性、春性和半冬性三種類型。隨著測(cè)序技術(shù)和方法的不斷更新,群體遺傳學(xué)已成為挖掘植物復(fù)雜性狀關(guān)于自然變異和人工選擇最有力的工具。與此同時(shí),新一代測(cè)序技術(shù)的出現(xiàn)使得基因分型的成本越來(lái)越低,加上白菜、甘藍(lán)和甘藍(lán)型油菜基因組序列和注釋信息的釋放,利用組學(xué)的數(shù)據(jù)對(duì)甘藍(lán)型油菜遺傳結(jié)構(gòu)和選擇馴化的研究將越來(lái)越受到關(guān)注。本研究利用國(guó)際蕓薹屬聯(lián)盟開發(fā)的新一代測(cè)序技術(shù)Brasscia SNP 60K基因芯片對(duì)327份從全世界收集的不同來(lái)源的油菜進(jìn)行基因分型,隨后又結(jié)合101份油菜葉片的轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù)和擬南芥的Microarray數(shù)據(jù)對(duì)甘藍(lán)型油菜遺傳結(jié)構(gòu)和選擇馴化進(jìn)行研究,最終目的是想闡明油菜適應(yīng)不同環(huán)境和地區(qū)的分子機(jī)制。該研究對(duì)于挖掘油菜種質(zhì)資源的潛力,增強(qiáng)油菜品種的適應(yīng)性具有重要的理論和實(shí)踐意義。研究結(jié)果主要有以下幾個(gè)方面：一、甘藍(lán)型油菜遺傳結(jié)構(gòu)和核苷酸多樣性分析1.全基因組水平的連鎖不平衡(LD)和遺傳結(jié)構(gòu)分析本研究利用過(guò)濾后的SNP數(shù)據(jù)(32641個(gè)SNP標(biāo)記)在全基因組水平對(duì)所有材料進(jìn)行連鎖不平衡(LD)分析,結(jié)果顯示,當(dāng)LD衰退到最大值一半時(shí),衰減距離大約為150 kb,這和其他一些自交作物的衰退基本一致。另外,當(dāng)r2=0.1時(shí),A亞基因組的衰退距離為0.35-0.4 Mb,而C亞基因組的衰退距離為3.5-4 Mb,說(shuō)明甘藍(lán)型油菜A亞基因組發(fā)生了更多的重組,使得衰退距離顯著小于C亞基因組。重組的發(fā)生會(huì)打破LD,所以本文將那些容易發(fā)生重組,LD相對(duì)也低的區(qū)域稱為L(zhǎng)D熱點(diǎn)；相反,則稱為L(zhǎng)D冷點(diǎn)。通過(guò)全基因組水平的LD熱點(diǎn)和LD冷點(diǎn)研究發(fā)現(xiàn),78.16%的LD熱點(diǎn)分布在A亞基因組而72.59%的LD冷點(diǎn)分布在C亞基因組。另外,LD熱點(diǎn)區(qū)間的基因密度是冷點(diǎn)區(qū)間的2倍多,GC含量也多于冷點(diǎn)區(qū)間,但是冷點(diǎn)區(qū)間內(nèi)含有更多的轉(zhuǎn)座子,這和LD反映的結(jié)果一致,都說(shuō)明了油菜A亞基因組的遺傳變異更加豐富。2.群體結(jié)構(gòu)和遺傳多樣性分析為了從全基因組水平比較三個(gè)生態(tài)型的不同,本文基于過(guò)濾后的SNP數(shù)據(jù)對(duì)所有材料進(jìn)行群體結(jié)構(gòu)和遺傳多樣性的分析。群體結(jié)構(gòu)和PCA清晰地將所有材料分為冬性、春性和半冬性三個(gè)亞群,并且材料相互之間有遺傳滲透,尤其是半冬性材料中滲入了很多的冬性和春性遺傳成分。三個(gè)生態(tài)型組合的遺傳多樣性和LD分析說(shuō)明,半冬性材料在A亞基因組有更高的核苷酸多樣性(π)和更快的LD衰退距離,說(shuō)明中國(guó)半冬性油菜從歐洲引入亞洲后導(dǎo)入了油菜的親本之一白菜的遺傳成分,拓寬了半冬性油菜A亞基因組的遺傳多樣性,導(dǎo)致半冬性油菜在A亞基因組上的遺傳距離增加,LD衰退加快。3.群體擴(kuò)張分析在油菜的育種過(guò)程中,研究發(fā)現(xiàn)遺傳多樣性有所丟失,但群體中低頻等位基因不斷累積,所以本文通過(guò)稀有SNP的變化來(lái)研究不同生態(tài)型油菜的群體擴(kuò)張現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn),半冬性油菜組合在每條染色體上的稀有SNP數(shù)目都顯著多于冬性和春性油菜(T測(cè)驗(yàn),p=5.17×10-7),同時(shí)半冬性油菜稀有SNP分布的區(qū)間內(nèi)Tajima's D值顯著小于0,這說(shuō)明半冬性油菜在上世紀(jì)30-40年代從歐洲直接或間接通過(guò)日本引進(jìn)中國(guó)后,正在經(jīng)歷群體擴(kuò)張,而且這種擴(kuò)張還在繼續(xù)。二、不同生態(tài)型油菜的群體分化和選擇信號(hào)研究1.不同生態(tài)型油菜組合間的群體分化(Fst)研究冬性(W)、春性(S)和半冬性(SW)油菜在春化、開花等環(huán)境適應(yīng)性方面存在明顯的差異,本文首先通過(guò)Genepop v4.2軟件計(jì)算三個(gè)生態(tài)型組合(S-W, W-SW和SW-S)的Fst值,接著利用滑動(dòng)窗口分析對(duì)Fst值進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)果表明,冬性和半冬性油菜群體之間的平均分化程度最大(Fst=0.235),春性和半冬性油菜群體之間的平均分化程度最小(Fst=0.173)。并在頂部5%的Fst群體分化區(qū)間,本文發(fā)現(xiàn)一些與適應(yīng)性相關(guān)(比如開花期,黑脛病抗性及菌核病抗性等)的基因和QTL,這些結(jié)果可為將來(lái)不同生態(tài)型油菜的群體分化研究提供依據(jù)。2.中國(guó)半冬性油菜組合(SW)與歐洲冬性和北美春性油菜組合(WS)的選擇信號(hào)研究油菜從歐洲引入中國(guó)不到一百年的栽培歷史,由于瓶頸效應(yīng)的影響和本地白菜型油菜遺傳成分的導(dǎo)入,中國(guó)半冬性油菜(SW)與歐洲冬性和北美春性油菜(WS)在抗性、品質(zhì)和開花行為等方面都有明顯的不同�；谝陨犀F(xiàn)象,本文對(duì)這兩組不同類型的油菜進(jìn)行群體分化和選擇信號(hào)的研究,本文將頂部5%的Fst群體分化區(qū)間內(nèi)的基因通過(guò)在線軟件agriGO進(jìn)行基因富集分析,結(jié)果顯示SW與WS組合的差異基因主要富集在響應(yīng)春化、硫苷代謝進(jìn)程、油脂代謝進(jìn)程、頂端分生組織的發(fā)育調(diào)控、開花、晝夜節(jié)律的調(diào)控和水楊酸介導(dǎo)的信號(hào)途徑等生物學(xué)進(jìn)程。另外,本文通過(guò)頂部5%的Fst和核苷酸多樣性的比值(πSW/πWS)的交集來(lái)衡量選擇信號(hào),結(jié)果表明,在WS組合選擇信號(hào)區(qū)間A09上檢測(cè)到一個(gè)與黑脛病抗性相關(guān)的QTL,在SW選擇信號(hào)區(qū)間C06上發(fā)現(xiàn)一個(gè)與菌核病抗性相關(guān)的QTL,這反映了不同生態(tài)型油菜適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境后表現(xiàn)出對(duì)病害抗性的不同選擇。3.冬性和春性油菜的差異分析本文通過(guò)兩種分析方法(第一種同上利用Fst分析,第二種通過(guò)GSAA軟件)對(duì)冬性和春性油菜的差異基因(頂部5%的Fst群體分化區(qū)間)進(jìn)行富集分析,二者共同富集在響應(yīng)刺激、防御反應(yīng)和開花行為這三個(gè)生物學(xué)進(jìn)程,這同樣反映了不同類型油菜對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。4.冬性和春性油菜開花期的全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)為了研究冬性和春性油菜開花差異的內(nèi)在因素,減少環(huán)境等地域的影響,本研究將60份冬油菜和71份春油菜種植于中國(guó)半冬性環(huán)境下,對(duì)開花期性狀進(jìn)行GWAS分析。為了控制開花期表型數(shù)據(jù),本文進(jìn)行了最佳線性無(wú)偏預(yù)測(cè)(BLUP)矯正,最后通過(guò)Tasselv5.0軟件對(duì)矯正后的數(shù)據(jù)通過(guò)PCA+K模型進(jìn)行GWAS分析。結(jié)果在A02、A03、A09和C08染色體上共檢測(cè)到38個(gè)顯著的SNP位點(diǎn),解釋的變異的從5%到28%。其中C08顯著SNP區(qū)間(35.01-35.38 Mb)與A09上顯著SNP區(qū)間(30.00-31.21 Mb)是同源的。另外,除了A02上顯著位點(diǎn)附近有一個(gè)開花基因FLC,其他的位點(diǎn)都是新發(fā)現(xiàn)的,在前人研究的開花期QTL和基因中未被檢測(cè)到。這些位點(diǎn)可能是冬性和春性油菜適應(yīng)中國(guó)半冬性環(huán)境后,表現(xiàn)出與環(huán)境相適應(yīng)的位點(diǎn),結(jié)果還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。5.不同作物開花基因FT的保守性分析本文利用Lu等(2014)的轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù)和Des Marais等(2012)的Microarrays表達(dá)量數(shù)據(jù)進(jìn)行生物通路富集分析,最終發(fā)現(xiàn)冬性和春性的差異基因與植物H3K27me3調(diào)控機(jī)制有關(guān),該機(jī)制參與植物的春化反應(yīng),并對(duì)FT基因進(jìn)行調(diào)控,隨后對(duì)FT基因的結(jié)構(gòu)分析,發(fā)現(xiàn)不同物種在生態(tài)型開花適應(yīng)性方面,存在基因保守性現(xiàn)象。
【關(guān)鍵詞】：甘藍(lán)型油菜 基因組 群體分化 選擇信號(hào) 全基因組關(guān)聯(lián)分析
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：S565.4
【目錄】：

• 摘要7-10
• ABSTRACT10-14
• 第1章 文獻(xiàn)綜述14-36
• 1.1 甘藍(lán)型油菜的起源和進(jìn)化14-16
• 1.1.1 蕓薹屬的起源14-15
• 1.1.2 甘藍(lán)型油菜的起源和栽培歷史15
• 1.1.3 甘藍(lán)型油菜在我國(guó)的分布15-16
• 1.2 重要農(nóng)作物基因組測(cè)序的研究進(jìn)展16-19
• 1.2.1 從一代測(cè)序到高通量測(cè)序的發(fā)展16-17
• 1.2.2 重要植物的全基因組測(cè)序17-18
• 1.2.3 高通量測(cè)序在植物中的應(yīng)用18-19
• 1.3 甘藍(lán)型油菜及其親本種測(cè)序進(jìn)展19-22
• 1.3.1 白菜基因組的測(cè)序19-20
• 1.3.2 甘藍(lán)基因組的測(cè)序20-21
• 1.3.3 油菜基因組的測(cè)序21-22
• 1.3.4 其他高通量測(cè)序在油菜中的應(yīng)用22
• 1.4 SNP的檢測(cè)方法比較及在油菜中的應(yīng)用22-25
• 1.4.1 SNP的定義、特點(diǎn)和研究意義22-23
• 1.4.2 SNP檢測(cè)方法23-25
• 1.4.3 SNP芯片技術(shù)在油菜中的應(yīng)用25
• 1.5 關(guān)聯(lián)分析的研究進(jìn)展及在植物中的應(yīng)用25-31
• 1.5.1 關(guān)聯(lián)分析的基礎(chǔ)-連鎖不平衡26
• 1.5.2 LD的原理和度量26-27
• 1.5.3 影響LD的因素27-28
• 1.5.4 關(guān)聯(lián)分析的基本方法28-30
• 1.5.5 GWAS的常用分析軟件30-31
• 1.5.6 關(guān)聯(lián)分析與傳統(tǒng)連鎖作圖的比較31
• 1.6 基因組學(xué)在研究農(nóng)作物起源和馴化中的應(yīng)用31-34
• 1.6.1 栽培水稻的起源和馴化32
• 1.6.2 玉米從短日照向長(zhǎng)日照的馴化32
• 1.6.3 黃瓜苦味的選擇馴化32-33
• 1.6.4 番茄從小變大的育種馴化歷史33
• 1.6.5 大豆的馴化與改良33-34
• 1.7 本研究的目的和意義34-36
• 第2章 甘藍(lán)型油菜遺傳結(jié)構(gòu)和多樣性分析36-56
• 2.1 引言36
• 2.2 材料與方法36-40
• 2.2.1 材料來(lái)源36
• 2.2.2 主要實(shí)驗(yàn)試劑和儀器36-37
• 2.2.3 植物材料總DNA的提取和純化37
• 2.2.4 甘藍(lán)型油菜60K SNP芯片雜交技術(shù)37-38
• 2.2.5 SNP基因型分型檢測(cè)38
• 2.2.6 SNP和基因的電子比對(duì)38
• 2.2.7 連鎖不平衡和LD衰退的檢測(cè)38-39
• 2.2.8 群體結(jié)構(gòu)和親緣關(guān)系的估計(jì)39
• 2.2.9 系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建39
• 2.2.10 遺傳多樣性分析39-40
• 2.2.11 Tajima's D值檢驗(yàn)40
• 2.2.12 部分同源序列比較分析40
• 2.2.13 生態(tài)型稀有SNP和生態(tài)型特有SNP分析40
• 2.3 結(jié)果分析40-51
• 2.3.1 SNP的評(píng)價(jià)和分布40-42
• 2.3.2 全基因組水平的連鎖不平衡分析42-44
• 2.3.3 LD熱點(diǎn)和冷點(diǎn)事件44-46
• 2.3.4 三個(gè)生態(tài)型間的多樣性和遺傳滲透分析46-49
• 2.3.5 稀有SNP檢測(cè)群體擴(kuò)張49-50
• 2.3.6 甘藍(lán)型油菜A和C亞基因組的基因流滲透50-51
• 2.4 討論51-56
• 2.4.1 油菜遺傳多樣性和LD衰退的比較研究51-53
• 2.4.2 半冬性甘藍(lán)型油菜的遺傳改良53
• 2.4.3 影響LD及LD熱點(diǎn)和冷點(diǎn)的因素53-55
• 2.4.4 基因流滲透分析55-56
• 第3章 甘藍(lán)型油菜生態(tài)型間的群體分化和選擇適應(yīng)性分析56-84
• 3.1 引言56
• 3.2 材料與方法56-59
• 3.2.1 材料種植和數(shù)據(jù)來(lái)源56-57
• 3.2.2 群體分化系數(shù)的掃描57
• 3.2.3 選擇性消除分析57-58
• 3.2.4 基因富集分析58
• 3.2.5 畫圖工具Circos的安裝和使用(Win 7版本)58
• 3.2.6 全基因組關(guān)聯(lián)分析58-59
• 3.2.7 GSAA基因集關(guān)聯(lián)分析59
• 3.2.8 開花期的統(tǒng)計(jì)59
• 3.2.9 數(shù)據(jù)處理和結(jié)果整理59
• 3.3 結(jié)果分析59-79
• 3.3.1 甘藍(lán)型油菜生態(tài)型間的群體分化研究59-61
• 3.3.2 不同生態(tài)型問(wèn)差異基因的富集分析61-62
• 3.3.3 不同生態(tài)型油菜在DNA和RNA水平下群體分化的互補(bǔ)分析62-63
• 3.3.4 中國(guó)半冬性油菜與冬性和春性油菜之間的群體分化63-64
• 3.3.5 中國(guó)半冬性與歐洲油菜的選擇性消除分析64-70
• 3.3.6 冬性和春性油菜的差異基因分析70-71
• 3.3.7 開花期的全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)71-76
• 3.3.8 基于GSAA的生物通路富集分析76-79
• 3.4 討論79-84
• 3.4.1 SNP芯片和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的互補(bǔ)性79
• 3.4.2 不同種植環(huán)境下油菜抗病的選擇信號(hào)分析79-80
• 3.4.3 影響冬性和春性油菜分化的因素80
• 3.4.4 開花期關(guān)聯(lián)位點(diǎn)的比較分析80-81
• 3.4.5 全基因組關(guān)聯(lián)分析方法的發(fā)展81-82
• 3.4.6 正向選擇分析方法的探討82-84
• 第4章 主要結(jié)論及創(chuàng)新點(diǎn)84-86
• 4.1 主要結(jié)論84-85
• 4.2 創(chuàng)新點(diǎn)85-86
• 參考文獻(xiàn)86-98
• 縮略詞表98-100
• 附錄 1100-104
• 附錄 2104-112
• 附錄 3112-114
• 附錄 4114-118
• 附錄 5118-120
• 附錄 6120-122
• 附錄 7122-124
• 附錄 8124-126
• 致謝126-128
• 發(fā)表論文128

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本文編號(hào)：633453