热带自交系玉米组装基因组为研究基因结构变异和农作物改良提供依据

  • 2019-12-13 10:02:45
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英文题目:Genome assembly of a tropical maize inbred line provides insights into structural variation and crop improvement

中文题目:热带自交系玉米组装基因组为研究基因结构变异和农作物改良提供依据

发表时间:2019.5

影响因子:25.455

期 刊 名:Nature Genetics

DOI :   10.1038/s41588-019-0427-6


研究背景:

        玉米是我国广泛种植的粮食产物,也是全球最大的粮食作物之一。它的实际起源地是墨西哥西南部——一个热带气候地区,人类从发现到驯化玉米过程中,它的种植范围逐渐扩大,至今已分布于绝大多数温带、热带地区。出于环境适应性,玉米有巨大的遗传多样性,如热带玉米和温带玉米有所不同,具有许多温带种质所不具备的优良性状, 如抗病虫害、耐旱等性状。

 

        目前研究中,研究玉米基因组材料都是温带玉米参考基因组,对于研究玉米遗传多样性显然不足。因此,构建高质量热带玉米基因组图谱对热带玉米优势抗逆性状的遗传学研究有重大意义,这对于玉米优势基因的挖掘用于农业生产也有重要意义。

 

材料:热带小粒玉米品种(SK)

 

方法: Pacbio测序技术、Bionano Genomics双酶切光学图谱、10X Genomics、高通量测序


主要结果:

一、    组装质量最好的玉米参考基因组

        通过组装得到迄今为止质量最好的玉米参考基因组,基因组大小为2.32Gb, contig N50达到15.78Mb,注释获得了43271个基因,为后续通过比较基因组学分析对热带玉米品系遗传多样性进行表征和对重要农艺性状相关基因进行定位提供了高质量的参考基因组和基因集。

图1. SK基因组圈图

(Tracks (outer to inner circles) indicate the following: a, contigs and gaps; b, transposable-element content (window size of 1 Mb with a step size of 200 kb); c, gene density (gene numbers per Mb; darker color indicates more genes); d, gene expression level (FPKM; the highest expression of nine sequenced tissues is shown); e, GC content (window size of 1 Mb); and f, SNPs/indels compared with the B73 genome (the outer and inner layers indicate SNPs and indels, respectively)。 Chr, chromosome。 The outer gray circle represents the chromosome length of SK, with units in Mb。)

二、重建或破坏基因组的三维交互可引起基因表达量的变化

        将新构件的SK参考基因组与温带玉米B73和Mo17参考基因组相结合,并使用521个玉米自交系重测序数据,鉴定出了80164个多态性结构变异,其中有约4分之一的变异是传统单核苷酸多态性检测方法不能检测出的。通过对结构变异图谱进行分析发现,相较于单核苷酸变异,结构变异更容易引起基因表达量变化。结合染色质三维交互(ChIA-PET)数据辅助证实,结构变异除可通过插入基因功能区引起基因表达量变化外,还可通过重建或破坏基因组的三维交互,进而引起基因表达量的变化。

 

三、ZmBAM1d基因正向调控玉米粒重,在改良玉米品质上可能大有作为

        研究人员利用ZHENG58和SK构建的重组自交系群体在玉米的1号染色体上定位到了一个可以同时控制粒型和粒重的位点(qHKW1),随后将其精细定位在长度为177Kb的基因组区间,并进一步定位出该位点所在的基因——ZmBAM1d。通过对基因表达实验证明ZmBAM1d基因能正向调控玉米粒重,通过ZmBAM1d基因过表达和敲除实验证实不影响其它性状。深入研究其该基因可在改良玉米品质,提升产量上可能大有作为。


        进一步将SK和B73的ZmBAM1d 基因区域进行比较,发现了与粒重表型直接相关的结构变异,由此说明,结构变异是表型差异的基础,也证明了该项研究中所构建的结构变异组图谱在性状相关基因与位点定位当中的直接作用和未来应用前景。

图2。 SK基因组组装一览图

a, Top, SK plant, ear and kernels. Bottom, 100 kernels of teosinte (Z. mays subspecies parviglumis; ACC.27479 from the International Maize and Wheat Improvement Center), SK and ZHENG58 are shown. Scale bars: plant = 1 m; ear and kernels = 1 cm. b, Overview of the pipeline used for assembly of the SK genome. c, Comparison of SNP markers on the physical map (x axis) with their position on the genetic map (y axis), for chromosome 1 of the SK genome. Each marker is depicted as a dot on the plot. d, Heat map of chromosome 1 chromatin contact matrices generated by aligning a ChIA-PET dataset of RNA polymerase II binding sites to the SK genome. The frequency of interactions was calculated using a window size of 1 Mb. A 1.7-Mb inversion on chromosome 1 between B73 and SK was supported well by the ChIA-PET data. e, Marker alignments between the SK assembly and B73 assembly. The black rectangle represents the 1.7-Mb inversion and the red rectangle indicates the flanking sequence around the inversion. The red arcs indicate putative chromatin interactions in SK and B73. The blue arcs indicate the ‘bow tie’ configuration.)


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