利用全基因组SNP关联分析发掘甘蓝型油菜氮高效等位基因

Nitrogen (N) is the most important mineral nutrient for plant growth. Rapeseed is fond of nitrogen while with low N use efficiency (NUE), and a lot of N fertilizer is generally invested in rapeseed production, therefore, development rapeseed cultivars with high NUE contributes to high yield, resource conservation, and reducing environment pollution. Molecular design breeding is a available method for development cultivars with high NUE, and uncovering the molecular mechanism of NUE and identifying the key genes responsible for high NUE are precondition and foundation for molecular breeding, whilst, limited studies on this field have been conducted at present. In our previous study, we selected 600 lines with abundant genetic diversity from 8000 global rapeseed lines, and constructed the genotype data library through finely scanned their genomes using 50 k SNP chip. In this project, we are planning to utilize the results of SNP chip analysis and to further select 300 lines with abundant phenotypic and genetic diversity, followed by cultivation in pots filled with sand, accurate investigation of N efficiency and construction of phenotypic data library. Molecular markers responsible for high NUE are expected to be obtained by genome-wide association analysis. In the next step, integration of bioinformatics analysis and knowledge of N efficiency in model plant will be adopted to identify candidate genes and to uncover the mechanism of high NUE in rapeseed. The research results of this project are expected to provide theoretical guidance and molecular markers or advantage alleles for molecular breeding of cultivars with high NUE.

氮是作物生长发育所必需的第一大矿质营养元素，油菜需氮量高，氮效率较低, 生产中氮肥消耗量大，培育氮高效新品种对提高产量、节约资源和减少环境污染等具有重要意义。分子设计育种是培育氮高效新品种的有效途径，明确氮高效的分子机制和掌握控制氮高效的关键等位基因是开展分子育种的前提和基础，然而，目前这方面的研究比较少。本项目前期已从8000份油菜中精选了600份多样性核心资源，用50k SNP芯片进行了全基因组精细扫描，建立了SNP数据库。本项目拟在前期SNP分析的基础上，对300份表型和基因型差异大的材料进行沙培实验，准确鉴定苗期氮效率，构建氮效率表型数据库。然后通过全基因组关联分析，获得氮高效的分子标记，再通过生物信息学分析，并结合模式植物氮效率研究基础，推测候选基因，解析油菜氮高效分子机制，期望为油菜的氮高效分子育种提供理论指导和分子标记或优异等位基因。

氮是作物生长发育所必需的第一大矿质营养元素。油菜需氮量高，氮效率较低,培育氮高效新品种对提高产量、节约资源和减少环境污染等具有重要意义。明确氮高效的分子机制和掌握控制氮高效的关键等位基因是开展氮高效分子育种的前提和基础。本研究基于对SSR分子标记和油菜60k SNP芯片对大量甘蓝型油菜种质资源的基因型数据进行分析，建立了具有472份全球代表性核心种质的全基因组关联（GWA）分析平台。为检验本平台精细定位的有效性，我们对已有的芥酸，硫苷，含油量等重要性状进行了GWA分析。结果表明，关联到的分子标记与已知的基因仅相隔在500 kb以内，从而证实该关联分析平台能对复杂性状进行准确的精细定位的水平。由于植物株型强烈影响以氮为主的营养元素的利用效率，对产量和收获指数具有重要的作用，而株高和主分枝数是影响油菜株型的两个主要因素，因此本研究对这两个性状开展了GWA分析。结果定位了5个和8个分别与分枝数和株高相关的QTL，并在QTL区域推测了相关的候选基因。根据遗传多样性分析，我们进一步精选了遗传背景差异大、基因组纯合的300份甘蓝型油菜种质做为氮吸收利用效率精准鉴定的材料。采用盆栽和营养液浇灌的方式，调查了苗期高氮和低氮条件下叶长，SPAD值，地上部干重，碳氮含量等多个指标，并开展了GWA分析。结果检测到了44个关联的SNP标记。这些标记分布在除染色体A08之外的其余所有染色体上，其中A03和A10上分布最多。最有意思的是A10染色体的一区间内同时关联了氮含量，碳氮比，SPAD值多个性状，表明该基因组区域在氮吸收利用效率方面具有重要作用。经基因注释发现该区间富集了GS1、GOGAT、GDH等多个氮效率相关的关键基因。通过这些基因DNA的多态性分析，分别找到了可能影响基因功能的SNP位点。本研究结果能为油菜的氮高效分子育种提供优异的种质资源和有效的分子标记。