复杂性状遗传结构解析及候选基因分析新方法研究

It's very crucial for designing efficient selection program for improvement of breeding traits of crops to resolve genetic architecture of functional candidate genes, understand gene network and gene epistasis and interaction with environment. Currently, most methods of mapping QTL of quantitative traits in crops are only for design experiment mapping population from two diverse progenitors, as well as separate analysis for each trait, consequently, lower mapping power and resolution will be resulted. In the statistical framework of mixed linear model-based compositive interval mapping (MCIM), this research will develop new method of QTL mapping by integrated analysis of multiple mapping populations or mapping population deriving from multiple progenitors and multiple traits. Combination with next-generation sequencing data of parents of mapping population, reference sequence, gene annotation, molecular markers, phenotypes, QTL information and mutant database, bioinformatics method will be developed for finely dissection of QTL regions; significant candidate gene and their genetic effects and interaction effects with environment will be analyzed by model selection of full candidate gene model. Based on the proposed methods, corresponding software will be developed. Expected results of this research are very valuable for dissection of genetic architecture, identification of functional candidate genes and their breeding application in practice of genetic improvement of quantitative traits.

高效解析作物复杂性状（也称数量性状）具有重要应用价值的候选功能基因位点，分析多基因网络，探明基因间、基因与环境间的互作，对制定科学的性状选择策略，改良育种目标性状具有重要意义。目前作物数量性状QTL 定位方法只针对两个纯合亲本衍生的交配群体、单个性状的独立分析，功效低，解析率不高。课题在混合线性模型复合区间作图(MCIM)框架下，发展多群体/多性状的联合分析QTL 定位模型和分析方法，结合亲本及少量个体的高通量测序及作物基因组参考序列、基因注释、分子标记、表型、QTL、突变体等数据库，发展生物信息学分析方法，高效剖析QTL区段、构建候选基因全模型，筛选显著的候选功能基因，估算候选基因间及其与环境间的互作效应；研制配套的基因定位软件和候选基因生物信息学分析软件。课题研究成果对作物数量性状遗传结构剖析、功能基因高效筛选及育种应用具有重要的意义和实践应用价值。

作物产量品质等性状都为数量性状，其遗传改良一直是作物遗传育种的重点和难点。数量性状的遗传变异受多基因网络和环境协同作用，高效剖析数量性状遗传结构，鉴别重要育种应用价值的功能基因、明确基因效应及基因与环境间互作机制，对数量性状遗传规律认识从而有效改良具有重要意义。当前，已有一些针对作物设计群体的QTL定位方法，但分析功效不高，无法分析多类型复合群体，无法剖析多个遗传相关性状的分子机制。此外，定位到的QTL仍是较长染色体区段，内含大量目标性状无关的基因，育种上很难应用。随着高通量技术的快速发展，许多作物已经累积了大量基因组结构与注释信息，已为数量性状QTL的高效精细剖析及基因挖掘和利用创造了条件。针对这些问题，课题开展了如下研究：针对常用定位群体(DH，RIL和IF2)，在MCIM框架下发展了多性状QTL定位分析方法；针对自然群体，发展了多性状广义多因子维数缩减法（MGMDR），可用于全基因组快速检测基因间、基因与环境间互作；发展了作物种子性状QTL定位新方法，能剖析QTL母体、胚/胚乳加性、显性、上位性效应及其与环境互作效应；以油菜为实例，利用RNA-Seq技术及油菜参考基因组结构信息、QTL信息、拟南芥生物信息，进行油份含量功能基因的快速定位和预测，鉴别出多个油份相关候选基因；以玉米与大鼠为实例，发展了EST数据结合RNA-Seq测序进行基因预测与基因组注释新方法；利用发展的新方法，对超级稻Xiuyou9308 RIL群体产量、株高、抽穗期等性状进行了遗传结构剖析，鉴别出多个具有潜在育种应用价值的遗传位点。对各方法研制了配套应用软件。课题研究共发表了8篇SCI收录论文，总影响因子36.413，获得一项国家发明专利授权。连续举办了全国数量遗传分析与QTX定位研讨班，宣传和推广发展的方法和软件，起到了良好社会效果。课题研究成果推动了数量性状遗传规律剖析、功能基因挖掘和育种利用，促进了数量遗传与作物遗传育种学科的发展。