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

1、“荷蘭植物基因組學(xué)研究中心(CBSG)”由荷蘭幾家大學(xué)、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?yàn)檫@兩種作物的消費(fèi)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(dòng)了一項(xiàng)主要以番茄和馬鈴薯為研究對(duì)象的基因組學(xué)和代謝組學(xué)研究項(xiàng)目。在這些研究項(xiàng)目中，以提高番茄品質(zhì)，探明影響番茄品質(zhì)的基因表達(dá)及代謝網(wǎng)絡(luò)路徑是一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容。該項(xiàng)目旨在揭示決定番茄(Solanumlycopersicum)

2、感官(風(fēng)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(biāo)記、生化代謝物和蛋白質(zhì)等，對(duì)94個(gè)番茄品種進(jìn)行鑒定與評(píng)價(jià)。主要目標(biāo)首先是闡明分子標(biāo)記、生化代謝物等與番茄感官(風(fēng)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(fēng)味)等品質(zhì)性狀有關(guān)的基因表達(dá)的層次、網(wǎng)絡(luò)及路徑。 該項(xiàng)目選擇的94個(gè)番茄品種來自荷蘭5家育種公司，這些品種中，56個(gè)果實(shí)大小正常，形狀為圓形，稱為圓形番茄；20個(gè)果實(shí)較大，稱

3、為牛肉型番茄；18個(gè)果實(shí)較小，稱為櫻桃型番茄。該研究分以下幾個(gè)方面：第一是對(duì)這些番茄品種進(jìn)行分子標(biāo)記，研究它們的遺傳多樣性，二是測(cè)定與番茄果實(shí)風(fēng)味品質(zhì)相關(guān)的生化代謝物等性狀，三是通過培訓(xùn)嘗味員，讓他們對(duì)25個(gè)番茄感官(風(fēng)味)性狀進(jìn)行評(píng)價(jià)，四是對(duì)消費(fèi)者進(jìn)行問卷調(diào)查，研究相關(guān)的消費(fèi)品質(zhì)。 在這個(gè)項(xiàng)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(jìn)行分析處理。本文的主要研究?jī)?nèi)容是運(yùn)用遺傳學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)以及生物信息學(xué)的知識(shí)對(duì)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)標(biāo)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(xiàn)綜述和本文研究的背景知識(shí)。近年來分子遺傳學(xué)迅猛發(fā)展，越來越多的諸如SNP、AFLP、RFLP等分子標(biāo)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(duì)標(biāo)記與性狀進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析來檢測(cè)影響作物復(fù)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(duì)影響作物重要性狀的基因或者QTL進(jìn)行精細(xì)定位。在高密度連鎖圖譜中，鄰近標(biāo)記間彼此相關(guān)，一個(gè)標(biāo)記的信息往往可以預(yù)測(cè)鄰近標(biāo)記的信息。一條染色體上相鄰位點(diǎn)的集合可以看作一個(gè)超位點(diǎn)，在這樣一個(gè)超位點(diǎn)，或者單倍型模塊內(nèi)，標(biāo)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(biāo)記可以包含整個(gè)模

6、塊大部分的信息。由于單倍型模塊一般包含多個(gè)標(biāo)記，和單個(gè)標(biāo)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(jìn)行關(guān)聯(lián)分析時(shí)，其檢測(cè)效能一般要高于單個(gè)標(biāo)記。 第二章利用882個(gè)AFLP標(biāo)記(其中304個(gè)標(biāo)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(qiáng)度及衰減等。研究結(jié)果顯示AFLP標(biāo)記在染色體上的分布不均一，第4、6和9號(hào)染色體上相鄰標(biāo)記平均距離小于1cM，75％的相鄰標(biāo)記間距離小于3cM；但第2

7、、3和7號(hào)染色體上相鄰標(biāo)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(zhǎng)，直到20cM才開始衰減，適于進(jìn)行標(biāo)記－性狀關(guān)聯(lián)分析。不同染色體上標(biāo)記間連鎖不平衡強(qiáng)度差異較大，第4、5、6和9號(hào)染色體上連鎖不平衡較強(qiáng)，不同染色體上標(biāo)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(biāo)記處于強(qiáng)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(biāo)記在第1、4、5、6、9、11和12號(hào)染色體上劃分單倍型模塊，在得到的56個(gè)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(biāo)記的

9、多少有關(guān)。9號(hào)染色體上第3和第5個(gè)單倍型模塊內(nèi)標(biāo)記數(shù)量超過40個(gè)，而這兩個(gè)模塊的遺傳距離分別為12.45cM和9.45cM；與此相反，1號(hào)染色體上的第5個(gè)模塊與9號(hào)染色體上第1個(gè)模塊僅僅含有2個(gè)標(biāo)記，而這兩個(gè)模塊的遺傳距離較大，分別為24.95cM和19.15cM。對(duì)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(yīng)用AFLP標(biāo)記進(jìn)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(gè)單倍型模塊及未進(jìn)行單倍型模塊劃分的標(biāo)記，我們同時(shí)應(yīng)用貝葉斯算法及鄰接聚類算法進(jìn)行遺傳多樣性分析。與之前應(yīng)用單個(gè)AFLP標(biāo)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(gè)的標(biāo)記相比，單倍型模塊能減少標(biāo)記密集分布區(qū)域?qū)垲惙治鰩淼钠睢?本文研究的94個(gè)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(duì)它們進(jìn)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(biāo)記。 第四章中我們利用AFLP標(biāo)記對(duì)主要品質(zhì)性狀進(jìn)行關(guān)聯(lián)研究，結(jié)果顯示在使用未校正數(shù)據(jù)時(shí)，基因組許多區(qū)域與性狀都呈現(xiàn)很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。特別是在第4和第5號(hào)染色體上，我們發(fā)現(xiàn)許多標(biāo)記與性狀呈現(xiàn)很強(qiáng)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(gè)感官性狀中，檢測(cè)到與AFLP標(biāo)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(hào)染色體的一些區(qū)域存在較強(qiáng)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(rèn)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(cè)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(duì)主要品

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

14、創(chuàng)新點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面： 1)基于單個(gè)AFLP標(biāo)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(zhǎng)，直到20cM才開始衰減； 2)首次利用AFLP標(biāo)記在番茄部分染色體上建立單倍型模塊； 3)和利用單個(gè)AFLP標(biāo)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(shì)更為明顯； 4)在遺傳多樣性研究中，與AFLP標(biāo)記相比，應(yīng)用單倍型模塊可得到更好

15、的聚類結(jié)果。分子標(biāo)記的權(quán)重信息可少受標(biāo)記在基因組上不均一分布的影響； 5)將94個(gè)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(hào)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(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，其檢測(cè)效能比利用單個(gè)標(biāo)記進(jìn)行分析要高； 8)本研究采用的單倍型模塊與性狀