埃塞俄比亚粮食作物苔麸(Eragrostis tef)居群基因组学及重要农艺性状全基因组关联分析

来源 :中国科学院大学(中国科学院武汉植物园) | 被引量 : 0次 | 上传用户:yanwuhui
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苔麸(Eragrostis tef)是埃塞俄比亚种植最广泛的谷类作物之一,具有重要农业价值,同时也是一种在全球广受欢迎的健康食品。埃塞俄比亚生物多样性研究中心基因库中已保存了从不同的农业生态区域中收集的大量苔麸种质资源,然而,目前对这些种质资源的基础生物学研究十分有限,其遗传变异水平及地理分布模式、农艺性状的遗传学基础等仍不十分清楚。全基因组关联研究和开发高分辨率的分子标记对于Eragrostis tef的居群遗传学研究及分子育种等至关重要。本研究对来源于埃塞俄比亚生物多样性研究中心基因库中保存的苔麸种质资源进行了农艺性状表型的统计分析;基于叶绿体基因组测序开发了分子遗传标记并进行了代表种质资源的遗传变异及其地理分布模式分析;基于基因组重测序进行了样本的亲缘关系及重要农艺性状全基因组关联分析。相关的研究结果如下:(1)对32个E.tef样品进行了叶绿体全基因组测序及组装,结果显示,其叶绿体基因组的大小从134,349-134,437 bp,GC含量约38.3%。基因组注释得到112个基因,其中包括77个蛋白质编码,31个tRNA和4个rRNA基因。叶绿体基因组比较分析表明,其种内序列变异程度较低,且无明显的结构差异。此外,还发现了34个(13个cpSSR,12个InDel和9个SNPs)多态性位点,可以用作DNA条形码。其中,大多数(88%)多态性位点在非编码基因组区域中,其余位于基因编码区域中。Ka/ks分析发现所有的蛋白质编码基因都处于纯化选择作用。基于叶绿体全基因组和多态性区域序列分别进行系统进化发育分析,结果能很好地区分南方区域植物样本,表明这些序列具有用作超级条形码的潜力。(2)采用聚类分析及主成分分析方法,对来自两种农业生态区域的121个样本的16重要农艺特征和形态特征进行了评价。对样品的表型性状PCA分析能够判断各性状对居群内总体变异的贡献情况。然而,PCA聚类结果并没有与其地理来源一致。最后汇总数据显示各样本表型间变异程度很大,这些数据为后续全基因组关联分析提供了数据。(3)对93份E.tef样本进行了全基因组重测序,在全基因组层面鉴定SNP位点用于群体进化研究。经过数据过滤,共得到5,633,228,310(98.75%)的clean reads,平均每个样本有6090万个clean reads。通过比较分析,在E.tef样本基因组中共发现1,379,234个DNA变异,最常见的变异为SNPs约有54,793,占83.72%,其次是删除和插入,分别有113,615个和110,826个,各占总变异的8.23%和8%。我们发现在染色体中这些变异是非随机分布的,并与染色体的大小存在一定的相关性。我们的研究还利用检测到的SNP分析了其遗传多样性、居群结构及系统发育关系。结果显示所研究的品种其平均核苷酸多样性较低,总位点的平均核苷酸多样性(π)约为0.002。E.tef四个地理亚群的FST值在-0.001到0.007,表明各亚群之间差异较小。同时,系统发育相关性与其生物地理分布并不十分一致,表明这可能是由于地理边界区存在频繁的种子交换导致的。然而,系统发育树表明四个地理亚群间材料存在一定程度的相关性,部分表现出一定相似的地理分布模式。(4)采用全基因组关联分析研究方法,对E.tef中控制农艺性状的数量性状位点进行鉴定。利用16个农艺性状和高密度SNP标记来进行关联分析。结果发现与茎生物量、秆、穗和秆长相关的基因组区域主要在1号染色体,而其他染色体区域仅有微弱信号。对于植株高度,2号、6号及7号染色体的P值显示出显著性相关。一些性状的关联分析,包括籽粒灌浆时期并没有提供显著的性状标记关联信号。总之,本研究的结果不仅揭示了E.tef的遗传结构,同时为未来的进化生物学及遗传育种研究提供了基础资料。
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