玉米基因组PAV结构变异对籽粒容重杂种优势的作用机制解析

The tremendous presence/absence variations (PAV), one of the main forms of genomic structural variation, have been found between any two maize variaties. However, the roles of PAV contributed to heterosis have not been systematically investigated. In this proposal, the material of B73, Mo17, F1, six intermated B73 × Mo17 (IBM) individuals, and the corresponding three cross combinations with different heterotic levels in kernel test weight (KTW) will be used for analysis. First, the genomic PAVs between four parent pairs will be identified comprehensively with pan-genome, genomic chip, and PacBio sequencing strategies. Then, the transcriptome of kernel in key developmental stages (0, 10, 22, 30, and 40 days after pollination) will be sequenced used RNA-seq, and heterosis of corresponding KTW will be calculated. Combined these, the roles of the PAV number between the genome, the favorable genes in PAV, the expression regulation of PAV genes, the dynamic expression patterns of PAV genes in the process of kernel development, and the regulation network of PAV genes affecting KTW heterosis will be investigated. Thus, the proposal is expected to elucidate the underlying mechanism of heterosis affecting by genomic PAV structural variation from the genomic and transcriptomic perspective.

玉米个体基因组间存在着大量的PAV（presence/absence variation）结构变异，该结构变异如何作用于杂种优势尚未开展系统性研究。本研究以B73、Mo17、F1和6个IBM个体及其组配的3组杂交组合（构成梯度中亲优势）为试验材料，通过泛基因组分析、芯片分析及基因组PacBio测序策略对8个亲本基因组PAV结构变异进行全面挖掘，结合亲本及杂交种（组合）籽粒产量形成关键期（授粉后0、10、22、30、40天）的表达谱RNA-Seq分析以及籽粒容重杂种优势调查，对亲本基因组PAV数量、PAV携带的有利基因、PAV基因表达调控模式、PAV基因在籽粒产量形成过程的动态表达模式及网络调控模式进行分析。该结果将从基因组及转录组层面揭示PAV结构变异作用于籽粒容重杂种优势分子机制。

玉米基因组存在丰富的PAV（presence/absence variation）结构变异。亲本间大量的PAV基因在杂交种中的重新组合可能产生杂种优势。开展PAV基因在杂交种中的表达及调控研究有助于杂种优势机理的剖析。本研究以IBM（intermated B73×Mo17）群体及组配的杂交种、B73、Mo17等26个自交系及组配的杂交种为试验材料，通过容重等籽粒性状及杂种优势评价、多组织表达谱分析对PAV基因的表达、调控进行研究。.籽粒性状调查发现，容重遗传力最小（H2=0.349），受环境影响最大。籽粒淀粉含量及百粒重与容重极显著相关（r=0.58，r=0.30），这种相关性在不同环境下保持稳定。不同基因型间容重中亲优势差异较大（-33.7%～23.4%）。.通过自交系基因组重测序read锚定到B73v4参考基因组编码区的覆盖度鉴定基因组PAV基因。比对分析共得到4,242个在B73基因组中存在但在其他25个自交系基因组中缺失的PAV基因（Mo17基因组含有911个PAV基因）。这些PAV基因在基因组上呈不均匀分布。利用5个组织转录组数据对获得的PAV基因进行过滤，最终鉴定到4,060个PAV基因。.B73不同组织基因表达分析发现只有14.6%的PAV基因（expressed PAV，ePAV）至少在一个组织中表达。基因型、组织间比较分析显示大部分ePAV基因只在个别基因型、组织中表达，自交系共有表达的ePAV基因较少：在超过一半的基因型里均表达的ePAV基因只占5.7%，47.5%的ePAV基因只在1～2个组织中特异表达，28%的ePAV基因在5个组织中均表达。单亲表达（single-parent expression，SPE）基因分析发现, 28.6%～79.7%的non-PAV SPE基因在杂交种中表达，43.5%～94.9%的PAV SPE基因在杂交种中表达。PAV SPE基因与non-PAV SPE基因在杂交种中表达比例的显著差异表明其在杂交种表达互补中具有不同作用。等位基因特异表达分析显示PAV与non-PAV SPE基因富集了大量的顺式调控变异，表明单亲表达主要由顺式作用元件调控。.本研究系统阐述了杂交种亲本间PAV基因的表达及其调控。该结果为基因组PAV结构变异作用于容重杂种优势机理的进一步解析及PAV基因在杂种优势中的利用提供了有利信息。