利用杂交F2代群体和二代简化基因组测序技术构建杨树整合的遗传连锁图谱

Recent studies showed that, instead of an integrated linkage map for both parents, only two linkage maps each for one parent were obtained in a hybrid F1 population of Populus with the next generation sequencing (NGS) technology. Meanwhile, it was interestingly found that both parents were homozygotes at about 80% of the single nucleotide polymorphism (SNP) sites, indicating that an F2 population like in inbred lines could be used for constructing an integrated linkage map with these SNPs. In this study, we will first establish an F2 population by hybridizing two individuals from the existed F1 hybrid population of Populus deltoides and P. simonii. We will then perform restriction site-associated DNA (RAD) sequencing (RAD-seq) across genomes of hundreds of individuals in the F2 population. With bioinformatics tools developed for the NGS data, SNPs segregating in 1:2:1 will be called across the whole population, and thus a high-density integrated genetic linkage map of the two parents will be constructed. In addition, we will study the ordering problem for a large number of SNPs in a linkage group and find an optimal ordering method to improve the accuracy of the linear order of SNPs on genome. Our study will provide a novel strategy for genetic mapping in forest trees, and will further promote studies of identifying quantitative trait loci (QTL), genome assembly and comparative genomics in Populus and other trees.

我们的最近研究结果表明：使用二代测序技术和杨树的一个杂交F1代群体只能构建两个亲本的高密度遗传图谱，而不能得到一个双亲整合的遗传图谱。但是同时注意到一个有趣的现象，就是两个亲本在约80%的SNP位点是纯合的，这意味着可以建立像在纯系里那样的F2代作图群体，利用这些SNP位点构建双亲整合的遗传图谱。本研究首先利用现有的美洲黑杨和小叶杨的杂交F1代群体建立F2代杂交作图群体，然后对大量的子代个体进行二代基因组简化测序，通过二代测序数据分析方法获得群体中大量的分离比为1:2:1的SNP分子标记，以此构建杨树一个整合的高密度遗传连锁图谱。此外，还研究连锁群中含有大量SNP标记的排序问题，寻求最佳的排序方法以提高遗传连锁图谱中分子标记在基因组上线性排列的准确性。该研究将为林木提供一个新的遗传作图策略，对推动杨树及其它树木数量性状基因定位、基因组序列组装和比较基因组学研究有着极其重要的意义。

同时包含父母本重组信息的遗传连锁图谱可称为整合的遗传图谱，然而在林木遗传作图中常常只能使用杂交F1代群体构建各个亲本的遗传图谱。本研究提出了利用杨树F1代杂交群体构建杨树两个亲本整合的遗传图谱的新策略。基于RAD测序数据，在美洲黑杨和小叶杨F1代杂交群体中筛选出同时包含分离类型为abxaa和aaxab的SNP的RAD tag，以此构建了双亲整合的遗传连锁图谱。与此同时，也构建了各个亲本的高质量高密度SNP遗传连锁图谱。利用这些遗传图谱，开展了两个亲本在重组率和重组干扰方面差异性研究，并且辅助组装或矫正了两个亲本的全基因组序列。结果表明: (1) 在1138个RAD tag区间中，有307个区间父母本的重组率有着显著的差异，而且大多数情况下母本的重组率大于父本的重组率；（2）当最小标记间隔为0.5Mb时，父本和母本中同时存在干扰的相邻区间对个数最多，共有168对相邻区间在两种性别间均存在干扰，占基因组总长的65.22%；（3）组装出的两个亲本全基因组序列具有更好的完整性和准确性，并且提交到了GenBank数据库，供广大研究者查询使用。此外，还研究了连锁群中含有大量SNP标记的排序问题，提出了寻求最佳的排序方法的性策略，以提高遗传连锁图谱中分子标记在基因组上线性排列的准确性。该研究结果提供了一个构建林木整合遗传图谱的新策略，对推动杨树及其它树木数量性状基因定位、基因组序列组装和比较基因组学研究有着极其重要的意义。