全 文 :书蒺藜苜蓿耐酸铝性状的全基因组关联分析
姜格格,宋丽莉,郭东林,蔡洪生,郭长虹,束永俊
(黑龙江省分子细胞遗传与遗传育种重点实验室 哈尔滨师范大学生命科学与技术学院,黑龙江 哈尔滨150025)
摘要:铝毒害是酸性土壤耕种的主要限制因素,每年造成大量作物减产。蒺藜苜蓿是紫花苜蓿的一年生近缘种,广
泛分布于世界各地,是紫花苜蓿遗传改良的重要基因资源。本研究利用蒺藜苜蓿群体的耐酸铝性状差异,进行全
基因组关联分析,筛选蒺藜苜蓿耐酸铝性状相关的遗传位点,共得到58个与蒺藜苜蓿耐酸铝性状相关的SNP标
记。对其周围基因进行功能注释分析,发现这些SNP位点主要参与苜蓿的细胞壁、脂质代谢、环境胁迫响应过程、
氧化还原反应过程以及小分子转运等过程。最后,通过基因组选择方法将发掘SNP标记应用到蒺藜苜蓿耐酸铝
性状的预测,预测准确性达到0.80,这说明本研究发掘的SNP标记可以用于蒺藜苜蓿及其近缘物种紫花苜蓿耐酸
铝性状的遗传改良。
关键词:蒺藜苜蓿;全基因组关联分析;EMMA;基因组选择;岭回归
中图分类号:S816;S551+.703.4 文献标识码:A 文章编号:10045759(2013)04017009
犇犗犐:10.11686/cyxb20130421
铝元素(Al)约占地壳总物质的7%,是自然界中分布最多的金属元素。由于气候和长期施用化肥等原因,世
界上40%的耕地都是酸性土壤,而且土壤的酸化具有进一步扩大的趋势[1,2]。在一般情况下,土壤中的铝以硅酸
盐、磷酸盐、氧化物和硫化物等形式存在,这种化合物状态的铝对植物没有毒害作用。但是,在酸性条件下,它则
以三价阳离子(Al3+)的状态存在,Al3+对植物具有毒害作用,它可以抑制植物根部的生长,从而使植物生长缓
慢、畸形,导致植物生产减产[13]。为了减少Al3+毒害对植物生产的影响,传统的方法是采用石灰法对酸性土壤
进行改良,但是该方法的成本较高,且改善的土壤主要集中在地表,地表深处的土壤依然是酸性,改良的效果有
限。
近年来,研究人员开始在酸性土壤种植耐酸铝的植物,通过植物生长,缓慢改善土壤的性质。紫花苜蓿
(犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪)是一种富含蛋白质等营养成分的优良牧草,具共生固氮能力,根系非常发达,抗逆能力较强,
是理想的土壤改良植物。但是,紫花苜蓿也是对酸铝胁迫最为敏感的植物之一[46],如何提高紫花苜蓿耐酸铝胁
迫能力成为紫花苜蓿在酸铝地区推广首要解决的问题。而紫花苜蓿是一种杂交植物,其基因组异源化、多倍体化
严重,基因组异常复杂,导致其遗传研究工作改良进展缓慢。
蒺藜苜蓿(犕犲犱犻犮犪犵狅狋狉狌狀犮犪狋狌犾犪),是一种一年生的二倍体苜蓿,是紫花苜蓿的近缘物种,具有基因组小,自花
授粉、易于操作等优点,成为豆科,特别是研究苜蓿属植物的模式植物[7,8]。蒺藜苜蓿在长期的自然选择过程中,
适应了多样化的生态环境,形成多样化的表型,如对酸铝胁迫的耐性呈现出多样化。Sledge等[3]通过对蒺藜苜蓿
的耐酸铝性状鉴定,筛选出一些耐酸铝胁迫的蒺藜苜蓿种质资源。近年来的分子遗传学研究表明,蒺藜苜蓿和紫
花苜蓿的基因组高度相似,蒺藜苜蓿中的基因资源可以直接应用到紫花苜蓿的遗传改良工作[9]。因此,耐酸铝蒺
藜苜蓿中优异基因资源可以直接通过遗传或者基因工程的方法导入到紫花苜蓿中,改良栽培的紫花苜蓿对酸铝
胁迫的耐性。那么,如何发掘苜蓿中耐酸铝的基因资源成为当前面临的亟需解决问题。
随着新一代测序技术的发展,测序的成本迅速降低,而效率快速提升,研究人员启动了各种生物的重测序工
作和单倍型计划,如人类[1013]、水稻(犗狉狔狕犪狊犪狋犻狏犪)[1416]、玉米(犣犲犪犿犪狔狊)[17]、拟南芥(犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊狋犺犪犾犻
170-178
2013年8月
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
第22卷 第4期
Vol.22,No.4
收稿日期:20130222;改回日期:20130318
基金项目:国家高技术研究发展计划项目(2013AA102607),国家科技支撑项目(2011BAD17B04),黑龙江省科技攻关项目(GC12B304)和哈尔滨
师范大学研发专项(YF201201)资助。
作者简介:姜格格(1989),女,黑龙江牡丹江人,在读硕士。Email:jianggege1234@163.com
通讯作者。Email:syjun2003@126.com,kaku_2008@163.com
ana)[18,19]等。Branca等[20]启动了蒺藜苜蓿的HAPMAP计划,通过重测序384个蒺藜苜蓿不同生态型株系,发
现了大量的SNPs和INDELs变异,构建了高分辨率的单倍型图谱,这些遗传突变信息可以用于蒺藜苜蓿的群体
遗传分析、功能基因的单倍型分析以及相关性状的全基因组关联分析研究,将会加速蒺藜苜蓿中优异基因资源的
发掘和利用。
本研究将利用蒺藜苜蓿的HAPMAP信息,对其耐酸铝性状进行全基因组关联分析,筛选调控蒺藜苜蓿耐酸
铝性状相关的SNP位点,并对这些SNP位点所在或邻近的基因进行功能分析,解析蒺藜苜蓿耐酸铝性状形成的
遗传基础。最后,利用筛选得到的SNP位点信息,构建基因组选择模型,对蒺藜苜蓿耐酸铝性状进行预测,检验
发掘的蒺藜苜蓿耐酸铝性状相关SNP位点的应用价值。
1 材料与方法
1.1 数据来源
62个蒺藜苜蓿株系的基因型信息下载自蒺藜苜蓿的HAPMAP数据库(犕犲犱犻犮犪犵狅狋狉狌狀犮犪狋狌犾犪HapmapPro
ject:http://www.medicagohapmap.org/),去除 MAF(minoralelefrequence,最小等位基因频率)<0.05和缺
失值超过5%的SNP位点,剩下的SNP位点信息用于后续的分析。62个蒺藜苜蓿的耐酸铝性状采用根部相对
生长率(relativerootgrowth,RRG)进行评价,即以pH=4.3,50mmol/LAl3+处理下的根部相对生长率(RRG)
评价每个蒺藜苜蓿株系的耐酸铝性状,具体操作方法参见Sledge等[3]的描述,62个蒺藜苜蓿株系耐酸铝性状等
信息下载自ARS-USDA的种质资源中心(http://www.arsgrin.gov/),如表1所示。
表1 蒺藜苜蓿的根部相对生长率
犜犪犫犾犲1 犚犲犾犪狋犻狏犲狉狅狅狋犵狉狅狑狋犺狅犳犕.狋狉狌狀犮犪狋狌犾犪犪犮犮犲狊狊犻狅狀狊狌狀犱犲狉犪犾狌犿犻狀狌犿狊狋狉犲狊狊
编号
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HM249 PI660363 0.60 HM265 PI660366 0.60 HM288 PI577611 0.60 HM303 PI384636 0.67
HM250 PI660423 0.41 HM266 PI660450 0.56 HM289 PI577617 0.72 HM304 PI384660 0.71
HM251 PI660386 0.59 HM267 PI660437 0.66 HM290 PI577640 0.67 HM305 PI384662 0.61
HM252 PI660406 0.53 HM268 PI660438 0.82 HM291 PI577648 0.63 HM306 PI493295 0.60
HM253 PI660496 0.69 HM269 PI660470 0.54 HM292 PI660360 0.65 HM307 PI516927 0.67
HM254 PI319051 0.73 HM270 PI493297 0.65 HM293 PI660411 0.75 HM308 PI516933 0.68
HM255 PI505437 0.81 HM271 PI384664 0.70 HM294 PI660433 0.74 HM309 PI516939 0.77
HM256 PI442895 0.67 HM272 PI660468 0.57 HM295 PI660442 0.67 HM310 PI535651 0.76
HM257 PI464815 0.62 HM273 PI535614 0.96 HM296 PI660444 0.65 HM311 PI535752 0.81
HM258 PI384655 0.74 HM274 PI577626 0.46 HM297 PI660447 0.76 HM312 PI577609 0.81
HM259 PI577599 0.66 HM275 PI516949 0.75 HM298 PI660448 0.50 HM313 PI660408 0.85
HM260 PI516934 0.62 HM276 PI577627 0.63 HM299 PI660456 0.57 HM314 PI660361 0.63
HM261 PI535618 0.83 HM277 PI577621 0.71 HM300 PI660488 0.63 HM315 PI660387 0.76
HM262 PI564941 0.69 HM278 PI577635 0.51 HM301 PI660494 0.79 HM316 PI660421 0.73
HM263 PI566889 0.40 HM279 PI660441 0.75 HM302 PI283662 0.65 HM317 PI535615 0.91
HM264 PI660409 0.79 HM287 PI577607 0.55
注:耐酸铝性状采用根部相对生长率(relativerootgrowth,RRG)进行评价,表中的RRG数据收集、整理自 ARS-USDA的GRIN网站(网址:ht
tp://www.arsgrin.gov/),具体信息参见Sledge等[3]的文献。
Note:Relativerootgrowth(RRG)inAlmediumwasusedasameasureofAltolerancein犕.狋狉狌狀犮犪狋狌犾犪.AltheRRGdatainthetable1werecol
lectedfromGRINofARS-USDA(Website:http://www.arsgrin.gov/),andthedetailinformationwasdescribedinreferencepublishedbySledge
犲狋犪犾[3].
171第22卷第4期 草业学报2013年
1.2 全基因组关联分析
62个蒺藜苜蓿株系的基因型数据和耐酸铝性状的表型数据(即RRG)将用于全基因组关联分析(genome
wideassociation,GWA),在此,采用2种方法进行全基因组关联分析。第一种是 Wilcoxon秩和检验(Wilcoxon
ranksumtest,WRST)[21],分别检验每个分子标记的基因型和蒺藜苜蓿株系耐酸铝性状间的相关性;第二种是
EMMA[22],采用混合线性模型:
狔=犡β+μ+ε (1)
式中,狔是蒺藜苜蓿耐酸铝性状的表型值(即RRG),犡是固定效应,包括表型值的均值和遗传标记的效应,β是固
定效应的系数,μ是混合线性模型的随机效应,犞犪狉(μ)=σ犵
2犓,其中,犓 是根据遗传标记计算得到的群体亲缘关
系矩阵,ε是试验过程中的残差。以上分析分别由R平台及其程序包EMMA完成,筛选差异显著水平在0.01和
0.001以下的遗传位点作为蒺藜苜蓿耐酸铝性状相关的SNP位点。
1.3 耐酸铝QTL候选基因的功能分析
提取蒺藜苜蓿耐酸铝性状相关SNP位点的所在基因或者最邻近基因,并以SNP位点的-log10(p-value)
作为该基因的表达量,利用软件 MapMan对这些基因进行功能注释和富集分析,具体操作参见Thimm等[23]的
说明。
1.4 耐酸铝性状的基因组选择分析
在基因组选择模型中,蒺藜苜蓿耐酸铝性状和基因型间关系可以用广义的线性回归模型表示,如下:
狔=犡β+ε (2)
式中,狔是蒺藜苜蓿耐酸铝性状的表型值(即RRG),犡是蒺藜苜蓿株系的基因型,β是基因位点的遗传效应,ε是
试验过程中的误差。但是,由于需要估计的遗传标记参数较多,而样本量较小,采用最小二乘估计时就会出现较
大误差。当自变量间存在多重共线性时,可以采用岭回归模型[24]估计,即
[犡′犡+λ犐]^β=犡′狔,即β^=[犡′犡+λ犐]
-1犡′狔 (3)
式中,狔是蒺藜苜蓿耐酸铝性状的表型值(即RRG),犡是蒺藜苜蓿株系的基因型,犐是单位矩阵,β是基因位点的
遗传效应。岭回归模型将通过λ=σ犲2/σβ2(其中λ是调整系数,即试验误差方差σe2 和遗传位点方差σβ2 的比值),
对遗传效应较低的参数进行优化,加速参数估计速度。
岭回归分析和蒺藜苜蓿耐酸铝性状预测过程采用吉布斯抽样方法进行,每次随机选择55个蒺藜苜蓿株系的
基因型和耐酸铝性状(RRG)进行岭回归分析,然后用岭回归模型对剩余的7个株系进行耐酸铝性状(RRG)预
测,计算岭回归模型预测的蒺藜苜蓿耐酸铝性状(RRG)与实际耐酸铝性状(RRG)间的相关系数,对预测效果进
行相关性评价。上述过程重复1000次,计算预测值与实际值间相关系数的均值和方差。在预测过程中分别用
全部SNP位点、800个SNPs、50个SNPs、Wilcoxon秩和检验与EMMA筛选得到差异分子标记构建蒺藜苜蓿群
体的基因型值,检测基因型的选择对基因组选择模型预测的影响。以上操作分析过程是在R平台及其程序包
rrBLUP[24]下完成。
2 结果与分析
2.1 蒺藜苜蓿耐酸铝QTL分析
62个蒺藜苜蓿株系在酸铝胁迫处理下根部相对生长率(RRG)为0.40~0.96,均值为0.67,四分数为0.60
和0.75,符合正态分布。通过筛选,得到 MAF≥0.05,且缺失值少于4个的SNP位点95464个,利用这些SNP
位点信息进行蒺藜苜蓿耐酸铝性状的全基因组关联分析。Wilcoxon秩和检验发现701个差异的SNP位点(犘<
0.01),其中29个SNP位点差异极显著(犘<0.001)。而EMMA方法发现868个差异的SNP位点(犘<0.01),
其中58个SNP位点差异极显著(犘<0.001),如图1所示。对比这些差异SNP位点发现,大多数 Wilcoxon秩和
检验发现的差异SNP位点在EMMA方法检测过程中同样表现出较强的差异性,而一些 Wilcoxon秩和检验未
发掘的SNP位点,在EMMA中都很好地检测出来,总体来说,本研究的EMMA方法检测效果要优于 Wilcoxon
秩和检验。
271 ACTAPRATACULTURAESINICA(2013) Vol.22,No.4
图1 蒺藜苜蓿耐酸铝性状的全基因组关联分析
犉犻犵.1 犌犠犃犪狀犪犾狔狊犻狊狅犳犃犾狋狅犾犲狉犪狀犮犲犪犮狉狅狊狊犕.狋狉狌狀犮犪狋狌犾犪犪犮犮犲狊狊犻狅狀狊
图2 蒺藜苜蓿耐酸铝性状相关犛犖犘的功能注释
犉犻犵.2 犉狌狀犮狋犻狅狀犪犾犪狀狀狅狋犪狋犻狅狀犪狀犪犾狔狊犻狊狅犳犵犲狀犲狊犮狅狀狋犪犻狀犻狀犵犛犖犘狊狉犲犾犪狋犲犱狋狅犃犾狋狅犾犲狉犪狀犮犲犻狀犕.狋狉狌狀犮犪狋狌犾犪
Celwal,细胞壁;Lipids,脂质;2Metabolism,次生代谢;minorCHO,次要碳水化合物;TCA,三羧酸循环;Aminoacids,氨基酸;Starch,淀粉;Su
crose,蔗糖;OPP,联苯酚;Fermentation,发酵;Ascorbate,抗坏血酸;Glutathione,谷胱甘肽;LightReactions,光反应;Photorespiration,光呼吸反应;
Tetrapyrrole,四吡咯;Mito.Electrontransport,线粒体电子传递链;Carbonicanhydrass,碳酸酐酶;Waxes,蜡质;Terpene,萜烯;Flavonoids,黄酮类;
Phenylpropanoids,苯丙素;Phenolics,酚醛树脂.
371第22卷第4期 草业学报2013年
2.2 蒺藜苜蓿耐酸铝QTL候选基因的功能富集分析
提取SNP标记所在或者邻近的基因信息,并将以SNP位点的EMMA检测的P值作为基因的表达量,利用
软件 MapMan对这些基因进行功能注释和富集分析。结果表明,差异显著的SNP位点主要集中在一些细胞壁
和脂质代谢(图2)、环境胁迫响应过程、氧化还原反应过程以及小分子转运等过程,这些过程都能帮助蒺藜苜蓿
缓解酸铝胁迫的伤害。提取差异极显著的SNP位点靶向的功能基因,如表2所示,这些基因包括:谷氨酰胺合成
酶、细胞色素P450、蛋白激酶受体、转运蛋白、LEA以及 HSP等,它们都是已报导的胁迫相关基因。以上结果表
明,GWA筛选酸铝性状相关SNP位点及其周围基因可能与蒺藜苜蓿耐酸铝性状形成过程有关。
2.3 蒺藜苜蓿耐酸铝性状的基因组选择预测
图3 基于不同分子标记的基因组选择
模型间的预测能力差异
犉犻犵.3 犘狉犲犱犻犮狋犻狏犲犪犫犻犾犻狋狔犱犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犌犛
狌狊犻狀犵犱犻犳犳犲狉犲狀狋犛犖犘犿犪狉犽犲狉狊
利用62个蒺藜苜蓿株系的SNP分型数据和耐酸
铝表型数据,训练RR-BLUP基因组选择模型,发现
全部SNP位点信息都用于构建基因组选择时,预测效
率仅为0.15(预测值与实际值间的相关系数)。随机
减少SNP标记的数量,发现基因组选择模型的预测效
率一直在0.10~0.19间浮动,预测效率低下,基因组
选择模型不具备预测能力。当选用GWA筛选的差异
显著SNP位点集合时,预测的准确率上升到0.70~
0.78之间,如图3所示。当选用 WRST筛选的差异
极显著SNP位点时,预测的准确率(0.60)有所下降,
这说明这些差异极显著的SNP位点不能囊括所有的
遗传因素对蒺藜苜蓿耐酸铝性状的影响。而当用
EMMA方法筛选的差异极显著SNP位点重新构建基
因组选择模型时,模型预测的准确率(0.80)有所提高,这说明EMMA方法筛选的差异极显著的SNP标记能够
没有丢失控制蒺藜苜蓿耐酸铝性状的遗传位点,且去除了一些无关SNP位点,降低了基因组选择模型的误差。
3 讨论
随着高通量测序技术和生物芯片技术的发展,基因分型的成本逐渐降低,使得研究人员可以同时获得大量生
物个体或品种株系的基因型,如何应用这些基因型数据成为动植物分子辅助育种研究领域的热点问题。传统的
分子辅助育种主要是采用遗传作图,定位性状相关QTL,操作比较复杂,费事,而且鉴定的QTL具有亲本依赖
性,推广范围有限。因此,研究人员开始利用自然群体,结合遍布基因组的基因分型数据进行全基因组关联分析,
发掘与表型性状相关的QTL。在进行GWA分析时,群体的大小直接会影响QTL发现的效率,如本研究中选用
的蒺藜苜蓿株系只有62个,少于已报导的水稻[25]、玉米[26,27]等作物,因此,鉴定出的SNP标记或QTL显著性
(犘值)比较大,显著水平较低。此外,自然群体株系间的亲缘关系差异较大,容易出现亚群体结构或者分层现象,
这将影响部分QTL发掘[22]。如本研究中,只考虑单个分子标记与耐酸铝性状间联系的 WRST方法发掘的差异
显著SNP标记或QTL要远少于考虑群体株系间亲缘关系的EMMA方法,EMMA方法可以检测出大量特异的
耐酸铝相关的SNP标记或QTL,这些SNP标记或QTL将会影响蒺藜苜蓿株系耐酸铝性状的预测。
植物在遭受酸铝胁迫时将会启动多种应急方式缓解铝毒胁迫对植物造成的伤害,如诱导多种转运或通道分
子表达,加速Al3+的外排能力[25];合成有机酸等小分子,络合游离的Al3+ [5,25,28]。同时,将酸铝胁迫信号传递给
植物,调整下游功能基因的转录,增强有害物质的清除,损伤的修复等。在水稻、小麦(犜狉犻狋犻犮狌犿犪犲狊狋犻狏狌犿)等作物
中,已经报导了多种通道分子、细胞壁相关的受体激酶、氧化酶类、锌指蛋白转录因子等基因与植物耐酸铝性状相
关。而在本研究中,蒺藜苜蓿耐酸铝性状相关SNP标记周围也有这些基因的分布,比如:各种小分子的转运通道
蛋白(Medtr5g061880,Medtr8g061090和 Medtr8g066760)、谷氨酰胺合成酶(Medtr2g021250)、信号转导过程中
471 ACTAPRATACULTURAESINICA(2013) Vol.22,No.4
表2 蒺藜苜蓿耐酸铝性状候选基因信息
犜犪犫犾犲2 犔犻狊狋狅犳犃犾狋狅犾犲狉犪狀犮犲犮犪狀犱犻犱犪狋犲犵犲狀犲狊犻狀犕.狋狉狌狀犮犪狋狌犾犪
基因Genelocus 功能信息Functionannotation
Medtr1g009300 预测蛋白 Hypotheticalprotein
Medtr1g023430 预测蛋白 Hypotheticalprotein
Medtr1g045750 3异丙基苹果酸脱氢酶3isopropylmalatedehydratase
Medtr1g079430 蛋白激酶类蛋白Proteinkinaselikeprotein
Medtr1g083710 预测蛋白 Hypotheticalprotein
Medtr2g021250 谷氨酰氨合成酶Glutaminesynthetase
Medtr2g036960 具有重复短肽蛋白Pentatricopeptiderepeatcontainingprotein
Medtr2g062770 CTP合酶CTPsynthase
Medtr3g029590 具有CCCH结构域的锌指蛋白ZincfingerCCCHdomaincontainingprotein
Medtr3g058110 细胞色素P450CytochromeP450
Medtr3g080070 丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶2ASerine/threonineproteinphosphatase2A
Medtr3g080120 FAM91A1类蛋白ProteinFAM91A1
Medtr4g015460 β葡萄糖苷酶G1BetaglucosidaseG1
Medtr4g021260 Avr9/Cf9快速响应蛋白Avr9/Cf9rapidlyelicitedprotein
Medtr4g030070 RING指家族蛋白RINGfingerfamilyprotein
Medtr4g070540 预测蛋白 Hypotheticalprotein
Medtr4g084470 预测蛋白 Hypotheticalprotein
Medtr4g113020 丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶2ASerine/threonineproteinphosphatase2A
Medtr5g031390 肉桂醇脱氢酶Cinnamylalcoholdehydrogenase
Medtr5g031750 预测蛋白 Hypotheticalprotein
Medtr5g037410 细胞壁相关受体激酶类蛋白 Walassociatedreceptorkinaselikeprotein
Medtr5g055310 酪氨酸蛋白激酶ABLTyrosineproteinkinaseABL
Medtr5g061880 硫转运蛋白Sulfatetransporter
Medtr5g083840 预测蛋白 Hypotheticalprotein
Medtr5g089740 预测蛋白 Hypotheticalprotein
Medtr5g090110 HSP70蛋白 Heatshock70kDaprotein
Medtr5g090210 具有重复短肽蛋白Pentatricopeptiderepeatcontainingprotein
Medtr5g090240 预测蛋白 Hypotheticalprotein
Medtr5g090560 预测蛋白 Hypotheticalprotein
Medtr5g090650 葡萄糖基转移酶Glucosyltransferase
Medtr5g098020 MtN14蛋白 MtN14protein
Medtr6g012280 锌指同源蛋白Zincfingerhomeodomainprotein
Medtr7g005870 具有重复短肽蛋白Pentatricopeptiderepeatcontainingprotein
Medtr7g011070 多聚嘧啶结合蛋白类似蛋白Polypyrimidinetractbindingproteinlikeprotein
Medtr7g073060 非特异脂质转运蛋白Nonspecificlipidtransferprotein
Medtr7g092090 预测蛋白 Hypotheticalprotein
Medtr8g020390 解旋酶Sen1Helicasesen1
Medtr8g023080 1磷酸肌醇3磷酸5激酶1phosphatidylinositol3phosphate5kinase
Medtr8g041910 富含半胱氨酸受体类似蛋白激酶Cysteinerichreceptorlikeproteinkinase
Medtr8g045420 预测蛋白 Hypotheticalprotein
Medtr8g045970 胚胎丰富蛋白类似蛋白Embryonicabundantproteinlikeprotein
Medtr8g060460 预测蛋白 Hypotheticalprotein
Medtr8g061090 寡肽转运蛋白Oligopeptidetransporter
Medtr8g063120 细胞周期蛋白D11CyclinD11
Medtr8g066760 GPI锚定细胞壁转运蛋白GPIanchoredwaltransferprotein
Medtr8g095520 呼吸爆发氧化酶类似蛋白Respiratoryburstoxidaselikeprotein
571第22卷第4期 草业学报2013年
的各种激酶(Medtr1g079430,Medtr3g080070,Medtr4g113020,Medtr5g037410,Medtr5g055310 和 Medtr8g
041910)、锌指蛋白转录因子(Medtr3g029590,Medtr4g030070,Medtr6g012280)、氧化酶类(Medtr3g058110和
Medtr8g095520)和 其 他 逆 境 胁 迫 相 关 基 因 LEA(Medtr8g045970)、HSP(Medtr5g090110)和 nsLTP
(Medtr7g073060)等。这些基因可能都与蒺藜苜蓿耐酸铝性状的形成有关,可以通过分子辅助育种方法或者转
基因技术将这些功能基因导入到紫花苜蓿中,提高紫花苜蓿的耐酸铝性状,这对苜蓿种植的推广具有重要意义。
传统的分子辅助育种,包括QTL作图或者关联分析,它们都是筛选性状相关的分子标记或者QTL,通过检
测后代是否携带某个或数个分子标记或者QTL对育种株系进行选择,这个过程适用于一些由主效QTL控制的
性状选育,而无法评估由大量微效基因或遗传位点控制性状。而在自然界中,大多数生物性状都是由大量微效基
因协同控制的,因此,GWA筛选得到的分子标记在应用上具有一定的局限性。基因组选择是同时考虑全基因组
范围内的遗传位点,构建基于遗传位点信息的基因组模型,通过训练群体建立并优化遗传位点间和表型间联系,
对其他个体进行表型值预测[29,30]。它会同时考虑所有遗传位点信息,无论遗传位点效应的大小,然后基于遗传
估计表型值对育种株系进行选择。本研究将GWA和GS结合起来,利用GWA筛选出大量和蒺藜苜蓿耐酸铝
性状相关的SNP标记,综合运用这些SNP标记构建基因组选择模型,可以有效地对蒺藜苜蓿株系耐酸铝性状进
行预测,预测准确度最高达到0.80。蒺藜苜蓿和紫花苜蓿的基因组高度相似,蒺藜苜蓿中这些控制耐酸铝性状
的自然变异很可能也会转移到紫花苜蓿中,因此,在紫花苜蓿中也可以建立基于这些SNP位点的基因组选择模
型预测紫花苜蓿的耐酸铝性状,指导耐酸铝紫花苜蓿品种的培育。
4 结论
本研究建立了蒺藜苜蓿耐酸铝性状的全基因组关联分析,筛选得到58个SNP标记,它们靶向细胞色素
P450、小分子合成酶、蛋白激酶受体、转运蛋白、LEA以及HSP等胁迫相关基因,它们都可能参与蒺藜苜蓿耐酸
铝性状形成过程。同时,通过基因组选择模型检测,这些SNP标记可以有效预测蒺藜苜蓿的耐酸铝性状,这表明
它们可以直接应用于蒺藜苜蓿和紫花苜蓿的耐酸铝性状遗传改良育种工作。
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犌犲狀狅犿犲狑犻犱犲犪狊狊狅犮犻犪狋犻狅狀犿犪狆狆犻狀犵狅犳犪犾狌犿犻狀狌犿狋狅犾犲狉犪狀犮犲犻狀犕犲犱犻犮犪犵狅狋狉狌狀犮犪狋狌犾犪
JIANGGege,SONGLili,GUODonglin,CAIHongsheng,GUOChanghong,SHUYongjun
(KeyLaboratoryofMolecularCytogeneticsandGeneticBreedingofHeilongjiangProvince,Colege
ofLifeScienceandTechnology,HarbinNormalUniversity,Harbin150025,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Aluminum (Al)toxicityisamajorlimitingfactorofcropproductioninacidicsoils,whichmakere
ductionofcropproductioneveryyear.犕犲犱犻犮犪犵狅狋狉狌狀犮犪狋狌犾犪,acloserelativeofalfalfa,whichisdistributingin
theworld,isusedasasourceofgenestoimprovecultivatedalfalfa(犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪).Wescreened62diverse
犕.狋狉狌狀犮犪狋狌犾犪accessions,conductedagenomewideassociation(GWA)studyusingAltolerancebasedonrela
tiverootgrowth.FiftyeightSNPsassociatedwithAltolerancewereidentifiedbyGWAanalysis.Thesegenes
containingorneighboringtoSNPswereannotatedandanalyzed.Theresultsshowedthattheyparticipatedin
celwal,lipidsmetabolism,stressresponseprocess,redoxregulationandsmal moleculartransport.Using
AltolerancerelativeSNPsbygenomicselectionforpredictingRRG(relativerootgrowth)in犕.狋狉狌狀犮犪狋狌犾犪ac
cessions,andthepredictiveabilitywasestimatedas0.80.TheresultsindicatedthatSNPsidentifiedbyGWA
inthisstudycouldbeusedforimprovementofAltolerancein犕.狋狉狌狀犮犪狋狌犾犪and犕.狊犪狋犻狏犪.
犓犲狔狑狅狉犱狊:犕犲犱犻犮犪犵狅狋狉狌狀犮犪狋狌犾犪;genomewideassociation mapping;efficient mixedmodelassociation
(EMMA);genomicselection(GS);ridgeregression
871 ACTAPRATACULTURAESINICA(2013) Vol.22,No.4