如何鉴定高粱和生物能性状相关的遗传信号？GWAS技术来帮你忙~

前言

天津农业大学在《Agronomy》期刊上发表了一篇名为“Genome-Wide Association Study for Plant Architecture and Bioenergy Traits in Diverse Sorghum and Sudangrass Germplasm”的研究成果，通过全基因组关联分析(GWAS)鉴定了在不同环境下的高粱和苏丹草种质中与植物结构和生物能性状相关的遗传信号。这一结果可以帮我们更好地理解高粱和苏丹草种质表型性状的遗传控制。有利于标记辅助育种，为提高高粱植物的食物、饲料和生物燃料产量奠定基础。

中文标题：高粱和苏丹草种质的植物结构和生物能源性状的全基因组关联研究

发表期刊：Agronomy

影响因子：3.417

作者单位：天津农业大学

涉及的欧易生物服务产品：简化基因组2b-RAD

研究背景

高粱是世界上人类食物和牲畜饲料的主要作物，是世界上第五大粮食作物。高粱和苏丹草的很多表型性状诸如植物形态、生物量、产量和抗逆性等存在着巨大差异而且高粱和苏丹草的表型多样性是其具有了广泛的适应性，因此探索性状变异背后的遗传机制具有巨大意义。

先前的研究揭示了高粱的植物结构和生物能相关性状的遗传控制。然而，考虑到环境互作下不同类型种质和基因型的复杂性状的遗传多样性，有必要识别潜在的新信号和/或验证不同种质在不同环境中的现有QTL的稳健性。本研究的目的是通过全基因组关联研究(GWAS)鉴定高粱和苏丹草种质中与植物结构和生物能性状相关的遗传信号。

研究内容

本研究对300份在三种不同环境中生长两年以上的高粱、甜高粱、苏丹草、甜高粱-甜高粱RIL群体和苏丹草-苏丹草RIL群体的种质进行了株高（HT）、分蘖数（TN）、节间数（IN）、茎粗（SD）、穗长（PL）、穗重（PW）、还原糖（RS）、白利糖度（Brix）和蛋白质含量（Pro）的表型性状测定，并进行2b-RAD简化基因组测序，进而进行了GWAS分析,鉴定出与性状相关的候选基因。

研究思路

研究结果

1、所有性状的遗传力均高于0.5（0.52-0.92）。

除PW和PRO为中等遗传力，其余性状都表现出较高的遗传力。表型性状的变异大和高遗传力，为高粱群体的GWAS研究提供重要依据。

表1 三种环境下群体的株高、分蘖数、节间数、茎粗、穗长、穗重、还原糖、锤度和蛋白质的最小值、最大值、平均值、遗传力和方差分析。

2、整个群体的性状间有13个正相关和15个负相关。

某些性状的相关性与之前的研究结果一致，有些却不一致，甚至发现了之前没发现的相关性。但这些结果证明不同集合形态，农艺和生理性状之间的相互关系，也说明了样本量及种群的性质和环境条件都可能导致性状之间关系的改变。

表2 群体中株高、分蘖数、节间数、茎粗、穗长、穗重、还原糖、锤度和蛋白质在三种环境下的皮尔逊相关系数。

3、群体结构:7928个SNPs 将本文所研究的材料分成3个亚组G1（甜高粱、苏丹草）、G2（甜高粱、苏丹草、甜高粱RIL、苏丹草RIL）G3（甜高粱和高粱）。

图1 种群结构结果有三个定义的子种群(K = 3) (B)。

X轴上的数字代表种质，y轴上的数字表示每个种质系的隶属系数。三个集群:G1 =红色，G2 =绿色，G3 =蓝色。颜色相同的材料属于同一组。G1主要种植甜高粱和苏丹草；G2由甜高粱、苏丹草、苏丹草自交系和甜高粱自交系组成，G3主要包括甜高粱和粒用高粱。

4、主成分分析显示，高粱和苏丹草可以很明显区分，而甜高粱分组不明显。

图2 PCA分析

5、亲缘关系：估计值为零。

图3 成对相对亲缘关系估计的分布。零附近的峰值表示没有关系。

6、GWAS分析及候选基因筛选

6.1、Q-Q plot图证明Q+K模型更适合所有性状的GWAS分析。

图4 分位数-分位数 (Q-Q) 图

用于与株高 (HT)、分蘖数(TN)、节间数 (IN)、茎直径 (SD)、穗长 (PL)、穗重 (PW)、还原糖 (RS)、白利糖度和蛋白质浓度 (PRO)进行模型比较。 实心对角线代表观察到的和预期的 –log10 (p) 之间的标记 - 性状关联。 彩色线条代表所分析的基因-性状关联的观察到的和预期的 –log10 (p) 值之间的一致性。简单线性模型（S）、群体结构线性模型（Q）、亲属关系模型（K）和Q+K混合模型。

6.2、尽管2b-RAD简化基因组测序得到的SNPs数量会比WGS的少，但结果表明，候选SNPs的稳定性并不会因为不同群体的大小和性质及环境作用的基因型的变化而受到影响。本研究发现24个与株高、分蘖数、穗长、还原糖、白利糖相关显著的SNPs，其中7个SNPs是新发现的，包括1个株高（HT）SNP、1个分蘖数（TN）SNP、1个白利糖（Brix）SNP、4个还原糖（RS）SNPs。

图5 全基因组关联分析的曼哈顿图

(TN)、节间数 (IN)、穗长 (PL)、穗重 (PW)、还原糖 (RS) 和白利糖度（Brix）。横线表示显著SNP的阈值。x 轴表示SNP 在十个高粱染色体上的物理位置。

6.3、本研究发现了4个与生长相关的候选基因，2个与碳水化合物和糖转运相关的候选基因。这些候选基因参与了油菜素类固醇调节途径、生长素生物合成、碳水化合物代谢和糖转运。

表3 三种环境下种群与植物性状相关的显著SNP 对应的潜在候选基因。

参考文献

Luo F, Pei ZY, Zhao XW, et al. Genome-Wide Association Study for Plant Architecture and Bioenergy Traits in Diverse Sorghum and Sudangrass Germplasm. Agronomy, 2020, 10, 1602.