《基于图泛基因组的全基因组关联分析(GWAS)荟萃分析提升水稻农艺性状基因挖掘效率》

  • 来源专题:生物育种
  • 编译者: 季雪婧
  • 发布时间:2025-04-07
  •     为解决 GWAS 受种群结构和样本量限制的问题,研究人员开展水稻重要农艺性状基因挖掘的大规模 GWAS 荟萃分析研究。结果识别出 156 个数量性状位点(QTLs),验证了两个新基因。该研究为水稻育种基因挖掘提供新方法。

         在全球人口不断增长的背景下,水稻作为至关重要的粮食作物,其产量提升迫在眉睫。从遗传学角度看,挖掘水稻遗传变异中的有益基因,是实现水稻遗传改良的关键。全基因组关联分析(Genome-Wide Association Study,GWAS)是探寻复杂性状相关功能基因的重要手段,能在广泛的种质资源中对相关基因进行高效探索与评估 。然而,GWAS 存在诸多局限性,比如对种群结构和样本量较为敏感,分析低频变异的能力有限,这使得其在定位新的数量性状位点(Quantitative Trait Locus,QTL)时效果不佳,无法充分解释一些复杂性状的遗传机制。为了解决这些问题,山西农业         大学和中国农业科学院深圳农业基因组研究所等机构的研究人员展开了一项大规模的 GWAS 荟萃分析研究。该研究成果发表在《Nature Communications》上,为水稻遗传研究和育种工作带来了新的突破。

        研究人员为开展此项研究,运用了多种关键技术方法。首先,从 6 个独立的水稻种群面板收集了原始短测序数据和表型数据,涵盖来自 126 个国家或地区的 7765 份栽培稻种质资源。利用 Trimmomatic 进行测序数据质量控制,BWA 将数据映射到日本晴基因组,Sentieon pipeline 进行单核苷酸多态性(Single Nucleotide Polymorphism,SNP)检测,基于前期构建的泛基因组,借助 VG Giraffe 和 SURVIVOR 进行存在缺失变异(Presence/Absence Variation,PAV)检测。之后,通过 PLINK 进行主成分分析,GEMMA 计算亲缘关系,运用混合线性模型开展 GWAS 分析。对各面板的 GWAS 汇总数据,采用逆方差加权固定效应模型进行荟萃分析。

  • 原文来源:http://www.ebiotrade.com/newsf/2025-4/20250404071206582.htm
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    • 6月21日,Nucleic Acids Research 期刊在线发表中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所张一婧研究组与中国科学院遗传与发育生物学研究所童依平研究组合作完成的题为CGT-seq: epigenome-guided de novo assembly of the core genome for divergent populations with large genome 的方法学论文。该工作开发并优化实验与计算流程,实现低成本组装小麦等大基因组作物的核心基因组。 博士研究生齐美芳、李子娟和刘春梅为共同第一作者,水稻实验材料及数据获得植生生态所研究员林鸿宣的帮助。相关工作得到中国科学院A类先导及自然科学基因项目的资助。 植物高度的遗传多态性为分子育种提供了丰富的遗传资源,确定重要农艺性状的根本方法在于比较不同群体或比较栽培种和野生种间遗传多态性与表型的关联。然而,很多经济物种经历了长期的驯化,基因组复杂而庞大。例如,目前普遍种植的小麦是6倍体,全基因组有17Gb,另外,广泛栽培的大麦、棉花、玉米、花生和大豆都具有Gb尺度的基因组,即便是覆盖度要求较低的重测序实验都需要极高的成本。而且,还存在不少未测序的大基因组经济物种,全基因组测序成本非常高,特别是对于群体水平的研究全基因组测序不现实。怎样有效刻画大基因组多态性群体的遗传多样性是一个挑战性的工作。由于很多研究并不需要知道基因组所有的碱基序列,所以人们针对大基因组物种开发了各种低成本的替代测序技术。其基本原理通常是对全基因组序列进行选择性测序,但是这些方法普遍对已有的基因组序列信息要求高,而对于遗传变异大的群体,依赖参考基因组的技术,包括外显子测序,甚至全基因组重测序,都会显着低估多态性。因而,开发不依赖参考基因组直接捕获基因及调控区序列的简化基因组测序方法对于研究多态性高的群体具有重要价值。该方法的理论依据在于调控基因活性的重要表观修饰普遍富集在基因及启动子区(图A-B),通过免疫共沉淀技术及优化拼接方案从而有效获得基因及附近序列(图C)。对小麦中国春品种进行核心基因组组装获得的片段与基因区域高度吻合(图D),能够高效挖掘新基因(图E-F)、调控区域(图G)及多态性位点(图H-J)。该方法已申请专利,其优势在于不依赖参考基因组序列,直接捕获基因及调控区序列,从而极大地降低群体核心基因组拼接的成本,有力地提高大基因组物种的分子遗传与群体遗传学研究效率。
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    • 发布时间:2020-12-31
    • 株高和一次有效分枝高度是与甘蓝型油菜结荚层厚度、收获指数紧密关联的重要农艺性状, 有关株高的数量性状位点(quantitative trait locus, QTL)和全基因组关联分析(genome-wide association study, GWAS)已有很多报道, 但对一次有效分枝高度的QTL和GWAS定位以及候选基因筛选的研究报道较少. 本研究利用已构建的高密度遗传连锁图对2016和2017年2个环境的186个株系组成的重组自交系群体株高和一次有效分枝高度及其最佳线性无偏预测(best linear unbiased prediction, BLUP)值进行QTL定位共检测到8个株高的QTL, 分别位于A03、A04和A09染色体, 单个QTL解释4.60%~13.29%的表型变异, 其中位于A04染色体上的QTL (q-2017PH-A04-2和q-BLUP-PH-A04-2)在2017年和BLUP中均被检测到; 检测到9个一次有效分枝高度QTL, 分别位于A01、A02、A05、A09、C01和C05染色体上, 单个QTL解释5.12%~19.10%的表型变异, 其中q-2017BH-A09-1、q-BLUP-BH-A09-2和q-BLUP-BH-A09-3有重叠区段. 同时, 利用课题组前期完成的588份重测序自然群体进行全基因组关联分析, 2年共检测到与株高显著关联的50个SNP位点和与一次有效分枝高度显著关联的12个SNP位点; 根据SNP的物理位置, 筛选出参与细胞增殖、细胞扩增、细胞周期和细胞壁活动的13个株高候选基因, 以及参与赤霉素、亚精胺等合成代谢途径、核糖体组成和在光合、萌发等过程中有一定作用的一次分枝高度的11个候选基因, 并利用荧光定量PCR技术验证候选基因在极端材料中的表达情况. 本研究结果将为油菜株型改良及后续基因的功能研究提供理论依据.