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谷类食品的代谢和农艺性状与全基因组的关联

发布日期:2019.09.03 浏览次数(44)

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谷类粮食一直是人们生活中不可缺少的食品,为人们的生活提供了丰富多彩的食物,但不知是否有人发现,其实无论是什么样的物种,不同品牌的种子所生长出来的果实在各方面都会有所差异,今天小编就给大家分享一篇关于谷类食品的代谢和农艺性状与全基因组的关联。

摘要


植物的代谢组具有广泛的多样性,常被认为是基因组与酚体之间的桥梁。作者报告了水稻籽粒的代谢型和表现型全基因组研究(mGWAS和pGWAS),除了以前在水稻叶片和玉米籽粒中的代谢全基因组关联分析外,还显示了对种内和种间代谢的遗传控制的不同和重叠方面。作者发现新的候选基因可能影响重要的代谢和/或形态特征。结果表明,不同组织间的水稻代谢的遗传结构差异部分是由组织特异性表达决定的。利用平行的mGWAS和pGWAS,作者发现了新的候选基因,这些基因可能对谷物颜色和大小等性状的变异负责,并提供了metabotype-表现型连锁的证据。

作者用实验研究证明了一种有效的植物功能基因组学和代谢组学相互作用的策略,特别是针对复杂表型性状的小QTLs克隆。

前言


在自然界中,植物产生大量的代谢物来生长、发育和适应不断变化的环境。在过去的十年中,人们对整合代谢和遗传方法来揭示植物的代谢多样性及其潜在的遗传变异越来越感兴趣。随着植物代谢组学和大规模剖面研究的进展,已经发现了植物物种之间和物种内部的定性和定量变异。通过地图绘制方法将这种变异与遗传因素联系起来。这些方法通常是通过使用与双亲群体的连锁映射来实现的,最近通过集成使用具有广泛目标代谢物的下一代测序生成的高分辨率地图来寻找变异和遗传因素的联系。此外,通过广泛收集植物中各种各样的自然或人工制图面板,进行综合代谢图谱分析和关联制图,促进了大规模的基因鉴定,揭示了植物代谢的遗传和生化基础。除了物种水平的多样性,许多研究表明,植物的代谢物也以时空的方式积累(尤其是次生代谢物和较小程度的代谢物)。然而,物种之间以及物种内部不同组织的基因控制机制在很大程度上仍是未知的。

水稻和玉米是养活世界上大多数人口的两种最重要的作物。这些作物已被深入研究,以确定许多代谢和表型特征。在这些自交和外交物种中,基因分析,如全基因组关联研究(GWAS),显示了力量和分辨率的权衡。然而,它们高度保守的基因组表明一些共同的基因控制。因此,将这两个物种的相似性和差异性结合起来使用,可以为大家了解这两个物种的复杂生物系统提供一些思路。

材料与方法


植物材料:在世界范围内收集了502份实验品种,包括地方品种和优良品种。

生长条件:植物生长采用随机整块设计(每行两行,每行十株),每年进行两次重复。在五叶期,从随机选择的三种植物各收货两片叶子,并收集到一起作为叶片样本。从剩余的17株植物中随机抽取3株成熟的种子,集中起来进行代谢剖析。总共4个样本集(2年*2次重复)用于代谢组学研究。

代谢物提取:对大米干燥样本中广泛靶向的代谢物进行了相对定量分析。干燥的米粒用粉碎机碾碎,称取100mg,4℃过夜,用1.0mL含0.1mg/L利多卡因的纯甲醇(或70%水甲醇)萃取脂溶性代谢物(或水溶性代谢物)。

数据分析:采用液相色谱-串联质谱联用技术对代谢物进行定量。

研究结果


在叶片和籽粒中分别检测到的2947个和1489个显著相关性中,只有105个在两个组织中重复检测到。全基因组分析的重要潜在位点透露48 mGWAS“热点”的谷物,主要位于染色体6,7,9,11,这不同于“热点”中发现树叶在数量和位置。比较位点的底层个体代谢物组透露,大多数的代谢产物在不同的组织,不同的遗传控制由相关基因座及其效应大小反映,见图1。

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图1   

为探索稻谷中相互作用的代谢产物和基因鉴定,作者进行了主成分分析和使用高斯函数的图形化模型来构建网络直接相关代谢物。观察总结表明,这些代谢物是色氨酸衍生图。通过对其进一步的处理分析,确定了未知代谢物(图2)。这些发现为水稻中应激反应性苯丙氨酸的生物合成提供了新的见解。

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图2

小麦、玉米和水稻等作物之间的比较连锁作图揭示了作物QTL在种子大小、破碎习性和开花时间等性状上的对应关系,并被认为是预测同源主基因座的有效工具。这个概念被修改并拓展到我们的mGWAS中,用于基于不同物种间目标代谢特征的协同调控的候选基因挖掘。对水稻和玉米共检测的123个代谢特征,分别获得420个和292个基因库。寻找由相同代谢物绘制的同源位点,确定了42个位点,这些位点事两个物种共检测到的23个代谢特征的基础(图3)。为了检验GWAS重叠的显著性,使用Churchill等人的随机化检验,结果表明,平均而言,在42个观察到的重叠中,只有3.0个可能是单独由于偶然因素造成的。

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图3

讨论


了解亚洲水稻的基因型和表现型之间的联系可能有助于在可持续性和可靠性以及质量和安全性方面改善世界粮食供应。基于连锁图谱的QTL(或GWAS)联合定位研究表型和代谢性状之间的遗传推断联系,为这些性状的遗传协同调控提供了证据,在某些情况下,还为在模式植物相互作用的基础上分配候选性状提供了证据。由于GWAS相对于QTL分析具有较高的分辨率,利用平行mGWAS和pGWAS对影响代谢和表型性状的共同区域进行评估,已经确定了诸如颗粒颜色和颗粒大小等性状的候选生物标志物。此外,作者通过生成可验证的假设,并以实验进一步验证烟酸-N-甲基转移酶在确定颗粒宽度方面的作用(图4)对表型性状的致病因素,特别是小QTL和代谢成分的分析。

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图4

综上所述,本文所述的综合方法是水稻功能基因组学和代谢组学相互作用的有力策略,有助于阐明代谢和农艺性状的整体遗传和生化调控,使作物的遗传改良更加合理、快速。

参考文献:Comparative and parallel genome-wide association studies for metabolic and agronomic traits in cereals.



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