基于全基因组关联分析的新麦草分蘖相关性状基因定位

Russian wildrye(Psathyrostachys juncea) is an important caespitose perennial grass with strong tolerance and good quality. The number and angle of tillers of Russian wildrye is an important factor affecting the dry matter yield and management, and also an important breeding target for perennial grasses. In this research, 28 Russian wildrye germplasm accessions from different regions of the world were collected and planted. 2 clonal population with same genotype will be established by diploid materials.The tiller related traits and effect of the environment-genotype interaction will be evaluated by 3 years in 2 different environment. The SNP molecular markers will be scan in the population.The structure analysis will be conducted based on SSR and SNP molecular markers.The effects of natural selection and artificial selection on genes and tiller traits and the evolution effect on genome will be discussed. Using the Genome-wide association analysis through the LMM, LR model and other methods, the QTLs of tiller-related traits will be mapped on Russian wildrye genome. The candidate genes and the natural variation and genetic basis of tiller traits in caespitose perennial grasses will be detected. The result could be essential for the molecular marker assisted breeding of perennial grasses and the QTL and cloning of important genes in Russian wildrye.

新麦草是一种抗逆性强、品质优良的重要多年生密丛型下繁禾草。分蘖数量和角度是影响其产量和利用方式的重要因素，也是此类禾草重要的育种目标。研究以来自世界不同地区的28份新麦草种质资源为原始材料，经倍性鉴定后以二倍体材料培育2个基因型相同的克隆群体，分别在2种不同环境条件下对群体分蘖性状进行3年连续测定并检测环境-基因型互作效应。采用简化基因组测序方法对新麦草种质资源群体进行SNP分子标记筛选，基于SSR分子标记和SNP分子标记分别对群体进行结构分析，探讨自然选择和人工选择对基因和目标性状的影响以及进化对基因组的作用。采用全基因组关联分析，利用混合模型、线性回归等方法，对分蘖相关性状进行QTL定位，寻找控制分蘖相关性状的候选基因，揭示新麦草这一多年生短根茎密丛型禾草分蘖性状的自然变异和遗传基础，挖掘控制分蘖相关性状自然变异的新基因。为多年生禾草分子标记辅助育种、新麦草重要基因的定位和克隆奠定基础。

我国牧草品种数量少、性状不突出、育种技术手段相对落后。随着现代分子生物学、遗传学、生物信息学迅速发展，育种技术手段在快速更新迭代。新麦草是一种抗逆性强、品质优良的重要多年生禾草。分蘖数量和角度是影响其产量和利用方式的关键性状，也是此类禾草育种改良的重要性状目标。研究以来自不同地区的新麦草种质资源为材料，采用简化基因组测序方法对新麦草种质群体进行SNP分子标记筛选，基于SSR分子标记和SNP分子标记分别对群体进行结构分析，探讨自然选择和人工选择对基因和目标性状的影响以及进化对基因组的作用。采用全基因组关联分析，利用混合模型、线性回归等方法，对分蘖相关性状进行QTL定位，挖掘控制分蘖相关性状的候选基因。研究在呼和浩特市和包头市两个地点建立了480个单株组成的2个克隆群体。对分蘖相关性状进行了2地点连续3年的测定，并分析了基因型与环境、年份互作效应。对300新麦草单株进行简化基因组测序，共得到7,792,800个群体SNP。通过全基因组关联分析，筛选到与分蘖数相关的SNP标记30个，与分蘖角度相关的SNP标记3个，与基丛径相关的SNP标记14个。与分蘖数相关的SSR标记3个，与株高相关的SSR标记4个，与基丛径相关的SSR标记5个。鉴定了30余份新麦草种质的染色体倍性，并明确了新麦草基因组大小为6.7G。针对新麦草分蘖性状进行了转录组测序，筛选出10个分蘖相关候选基因。项目执行期间发表相关期刊论文14篇，其中SCI收录3篇；登记新品种3个，获批专利3项，参会3人次，做会议报告1次，参加国际学术交流1次，培养研究生8人。完成计划任务全部研究目标和考核指标。研究揭示了新麦草在分蘖相关性状方面的自然变异和遗传机制，挖掘了控制多年生禾草分蘖相关性状的新基因。为多年生禾草分子标记辅助育种和产量性状的精准改良奠定了基础。