單倍型模塊與AELP標記在番茄遺傳多樣性與關(guān)聯(lián)研究中的應用.pdf

1、“荷蘭植物基因組學研究中心(CBSG)”由荷蘭幾家大學、研究所及十幾家育種公司組成，主要研究作物為番茄和馬鈴薯，主要研究方向為這兩種作物的消費品質(zhì)、環(huán)境品質(zhì)以及與種植和加工技術(shù)等方面相關(guān)的農(nóng)藝性狀。五年前，該中心啟動了一項主要以番茄和馬鈴薯為研究對象的基因組學和代謝組學研究項目。在這些研究項目中，以提高番茄品質(zhì)，探明影響番茄品質(zhì)的基因表達及代謝網(wǎng)絡(luò)路徑是一項重要的研究內(nèi)容。該項目旨在揭示決定番茄(Solanumlycopersicum)

2、感官(風味)等品質(zhì)性狀的遺傳基礎(chǔ)，通過一系列技術(shù)分析不同的分子標記、生化代謝物和蛋白質(zhì)等，對94個番茄品種進行鑒定與評價。主要目標首先是闡明分子標記、生化代謝物等與番茄感官(風味)等品質(zhì)性狀組成成分的關(guān)系；其次是將不同層次的信息聯(lián)系起來，并建立與番茄感官(風味)等品質(zhì)性狀有關(guān)的基因表達的層次、網(wǎng)絡(luò)及路徑。 該項目選擇的94個番茄品種來自荷蘭5家育種公司，這些品種中，56個果實大小正常，形狀為圓形，稱為圓形番茄；20個果實較大，稱

3、為牛肉型番茄；18個果實較小，稱為櫻桃型番茄。該研究分以下幾個方面：第一是對這些番茄品種進行分子標記，研究它們的遺傳多樣性，二是測定與番茄果實風味品質(zhì)相關(guān)的生化代謝物等性狀，三是通過培訓嘗味員，讓他們對25個番茄感官(風味)性狀進行評價，四是對消費者進行問卷調(diào)查，研究相關(guān)的消費品質(zhì)。 在這個項目中，許多研究小組得到的大量數(shù)據(jù)都由生物信息小組進行分析處理。本文的主要研究內(nèi)容是運用遺傳學、統(tǒng)計學以及生物信息學的知識對所得到的數(shù)據(jù)進行

4、分析處理，研究番茄的遺傳多樣性、連鎖不平衡、單倍型結(jié)構(gòu)與模塊的建立、單個標記與性狀的關(guān)聯(lián)以及單倍型模塊與性狀的關(guān)聯(lián)等。 本文分為六章， 第一章緒論包括文獻綜述和本文研究的背景知識。近年來分子遺傳學迅猛發(fā)展，越來越多的諸如SNP、AFLP、RFLP等分子標記使作物的高密度連鎖圖譜的建立成為可能，利用全基因組掃描對標記與性狀進行關(guān)聯(lián)分析來檢測影響作物復雜性狀的基因或者QTL越來越受到研究人員的重視。和傳統(tǒng)的連鎖分析相比，連鎖

5、不平衡作圖(關(guān)聯(lián)作圖)不需要建立F2，BC和RILs等作圖群體，并且可以利用群體歷史重組信息，因此連鎖不平衡作圖可以節(jié)省大量人力物力，并且可以對影響作物重要性狀的基因或者QTL進行精細定位。在高密度連鎖圖譜中，鄰近標記間彼此相關(guān)，一個標記的信息往往可以預測鄰近標記的信息。一條染色體上相鄰位點的集合可以看作一個超位點，在這樣一個超位點，或者單倍型模塊內(nèi)，標記之間的連鎖不平衡值很高。在這些模塊內(nèi)只有少數(shù)單倍型出現(xiàn)，并且部分標記可以包含整個模

6、塊大部分的信息。由于單倍型模塊一般包含多個標記，和單個標記相比，它們能提供更多信息，因此利用單倍型模塊與性狀進行關(guān)聯(lián)分析時，其檢測效能一般要高于單個標記。 第二章利用882個AFLP標記(其中304個標記圖譜位置已知)研究這些來源不同的番茄品種的遺傳多樣性、群體結(jié)構(gòu)、連鎖不平衡的強度及衰減等。研究結(jié)果顯示AFLP標記在染色體上的分布不均一，第4、6和9號染色體上相鄰標記平均距離小于1cM，75％的相鄰標記間距離小于3cM；但第2

7、、3和7號染色體上相鄰標記間距離一般要大于3cM。這些番茄品種的連鎖不平衡值很高，而且在基因組上跨度較長，直到20cM才開始衰減，適于進行標記－性狀關(guān)聯(lián)分析。不同染色體上標記間連鎖不平衡強度差異較大，第4、5、6和9號染色體上連鎖不平衡較強，不同染色體上標記間連鎖不平衡一般較小。群體結(jié)構(gòu)分析表明可以至少將這些番茄品種分為兩組：一組主要包括櫻桃型番茄，另外較大的一組主要包括牛肉型和圓形番茄。櫻桃型番茄組內(nèi)品種間遺傳距離比牛肉型與圓形番茄組

8、內(nèi)遺傳距離要大，而這兩組品種之間的遺傳距離則最大。在第二章中我們發(fā)現(xiàn)部分染色體上緊密連鎖的標記處于強連鎖不平衡，使基因組的這些區(qū)域呈現(xiàn)單倍型模塊結(jié)構(gòu)。 第三章中利用AFLP標記在第1、4、5、6、9、11和12號染色體上劃分單倍型模塊，在得到的56個模塊中，Brillouin多樣性指數(shù)變化范圍為0.244-0.996，75％的單倍型模塊的Brillouin多樣性指數(shù)超過了0.5。模塊內(nèi)單倍型的數(shù)量變化幅度較大，并且與模塊內(nèi)標記的

9、多少有關(guān)。9號染色體上第3和第5個單倍型模塊內(nèi)標記數(shù)量超過40個，而這兩個模塊的遺傳距離分別為12.45cM和9.45cM；與此相反，1號染色體上的第5個模塊與9號染色體上第1個模塊僅僅含有2個標記，而這兩個模塊的遺傳距離較大，分別為24.95cM和19.15cM。對模塊內(nèi)單倍型分布研究發(fā)現(xiàn)，櫻桃型番茄具有特定的單倍型，而牛肉型和圓形番茄則傾向共有相同的單倍型。與之前應用AFLP標記進行連鎖不平衡分析相比，基于單倍型模塊的分析能更好地反

10、映連鎖不平衡隨遺傳距離的增加而衰減。利用所建立的56個單倍型模塊及未進行單倍型模塊劃分的標記，我們同時應用貝葉斯算法及鄰接聚類算法進行遺傳多樣性分析。與之前應用單個AFLP標記所得到的結(jié)果相比，基于單倍型模塊能得到更好的聚類結(jié)果，這可能是由于和單個的標記相比，單倍型模塊能減少標記密集分布區(qū)域?qū)垲惙治鰩淼钠睢?本文研究的94個番茄品種來自5家育種公司，多數(shù)是栽培種，因此不能按照常規(guī)的QTL作圖來發(fā)掘影響番茄品質(zhì)性狀的QTL。

11、但這些番茄品種來源較廣，包括牛肉型、櫻桃型和圓形番茄，因此可以對它們進行連鎖不平衡作圖來尋找與品質(zhì)性狀緊密關(guān)聯(lián)的分子標記。 第四章中我們利用AFLP標記對主要品質(zhì)性狀進行關(guān)聯(lián)研究，結(jié)果顯示在使用未校正數(shù)據(jù)時，基因組許多區(qū)域與性狀都呈現(xiàn)很強的關(guān)聯(lián)性。特別是在第4和第5號染色體上，我們發(fā)現(xiàn)許多標記與性狀呈現(xiàn)很強的關(guān)聯(lián)性。原始數(shù)據(jù)經(jīng)番茄類型校正后，許多原先所觀察到的關(guān)聯(lián)很多都消失了。25個感官性狀中，檢測到與AFLP標記關(guān)聯(lián)的主要是與

12、味道有關(guān)的性狀，其次是與口感和氣味有關(guān)的性狀?？偟膩碚f，與品嘗后相關(guān)的性狀沒有顯示多少遺傳變異。許多彼此相關(guān)的揮發(fā)性代謝物與第6和9號染色體的一些區(qū)域存在較強的關(guān)聯(lián)。這些成分中的甲基丁醇，甲基丁醛和2-異丁基噻唑被認為與典型的番茄氣味有關(guān)。這些成分都是異亮氨酸代謝途徑中的中間產(chǎn)物，并且它們彼此之間呈顯著性相關(guān)，因此我們可以推斷這些檢測到的關(guān)聯(lián)與影響異亮氨酸代謝途徑的遺傳因子有關(guān)。 第五章是在前兩章的基礎(chǔ)上，利用單倍型模塊對主要品

13、質(zhì)性狀進行關(guān)聯(lián)分析，并重點比較基于單倍型模塊與單個AFLP標記的關(guān)聯(lián)結(jié)果。單倍型模塊實際上是將基因組上彼此鄰近而又處于強連鎖不平衡的標記看作一個模塊，或者是一個超位點。應用單個AFLP標記與應用單倍型模塊得到的關(guān)聯(lián)結(jié)果相近，但單個AFLP標記檢測不到的關(guān)聯(lián)，利用單倍型模塊則可以檢測到。表明利用單倍型模塊進行關(guān)聯(lián)研究，在全基因組水平上控制第一類統(tǒng)計錯誤時，其檢測效能要高于單個AFLP標記。 第六章是全文的結(jié)論和討論。 本文

14、創(chuàng)新點主要包括以下幾個方面： 1)基于單個AFLP標記的連鎖不平衡分析結(jié)果顯示本研究所采用番茄材料連鎖不平衡值很高，而且在基因組上跨度較長，直到20cM才開始衰減； 2)首次利用AFLP標記在番茄部分染色體上建立單倍型模塊； 3)和利用單個AFLP標記得到的連鎖不平衡結(jié)果相比，利用單倍型模塊所得到的結(jié)果發(fā)現(xiàn)連鎖不平衡的衰減趨勢更為明顯； 4)在遺傳多樣性研究中，與AFLP標記相比，應用單倍型模塊可得到更好

15、的聚類結(jié)果。分子標記的權(quán)重信息可少受標記在基因組上不均一分布的影響； 5)將94個番茄品種分為兩組(櫻桃型番茄一組、牛肉型和圓形番茄為另一組)，這可以減少關(guān)聯(lián)分析的假陽性； 6)第6和9號染色體的一些區(qū)域與甲基丁醇，甲基丁醛和2-異丁基噻唑存在顯著性關(guān)聯(lián)，這些關(guān)聯(lián)與影響異亮氨酸代謝途徑的遺傳基因有關(guān); 7)利用單倍型模塊進行關(guān)聯(lián)分析，其檢測效能比利用單個標記進行分析要高； 8)本研究采用的單倍型模塊與性狀