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基于全基因组关联分析解析马氏珠母贝生长和矿化性状关键基因

郝瑞娟  
【摘要】:本研究以三代测序技术及Hi-C技术获得的马氏珠母贝高精度染色体水平基因组为参考,对马氏珠母贝两个群体(“海选1号”新品种-H群体和金黄壳色选育群体-Y群体)开展基因组重测序,基于全基因组关联分析(Genome-wide association study,GWAS)和基因组选择消除分析解析马氏珠母贝生长性状(壳长、壳宽、壳高、总重、壳重)和矿化性状(珍珠的珍珠层厚度)关联位点及候选基因。结合差异性状转录组分析筛选性状关键基因,并对关键基因进行SNP位点及功能分析。结果如下:(1)对H群体和Y群体848个体进行基因组重测序获得28.7M超高密度SNP标记,并进行生长和矿化性状GWAS分析,筛选性状关联位点及候选基因。表型分析显示,生长性状变异系数在7.68-20.02之间;矿化性状变异系数为41.2,且性状均呈正态分布或偏正态分布;性状之间呈极显著正相关;群体结构分析显示测序群体可分为2个群体;利用混合线性模型(MLM)进行GWAS分析共检测到163个显著关联位点(SNP位点对表型解释度PVE在2.55%-8.03%),其中生长性状共检测到156个显著关联位点,主要位于3号染色体上,注释到156个候选基因;矿化性状检测到7个显著关联位点,分别位于2、7、8和10号染色体上,注释到22个候选基因。(2)对H群体和Y群体各179个个体在全基因组水平进行群体分化系数(Fst)和群体碱基多样性分析(θπ分析)筛选与性状相关的基因组区域。群体间比较共获得447个受选择区域,包含717个编码蛋白基因,参与生物调节、细胞过程及免疫应答等生物学过程。通路富集分析发现胰岛素信号通路(Insulin signaling pathway)、胞外基质受体相互作用通路(ECM-receptor interaction)被富集到,受选择基因脂肪酸合酶(Fatty acid synthase)、磷酸激酶γ亚基(phosphorylase kinase gamma subunit)、胶原(Collagen)基因内的SNP位点突变引起蛋白质链长度变化,且在H群体中的优势等位基因频率大于Y群体,说明其在选育过程中受到选择。(3)对不同生长性状个体转录组及GWAS进行联合分析,筛选生长性状关键基因。通过比较生长快组(FG)和生长慢组(SG)转录组数据,共获得3060个差异表达基因,参与磷酸戊糖通路(pentose phosphate pathway)、芳香族化合物的降解(degradation of aromatic compounds)等通路。结合转录组及GWAS分析,获得14个参与生长的关键基因。其中基因Pm KSPI(Kazal-type serine proteinase inhibitor,Kazal型丝氨酸蛋白酶抑制剂)Pm KSPI基因10个SNP位点与壳长、壳高性状显著关联,其中g.SNP38429470 AT、g.SNP38429512 AG位点在验证群体得到验证。Pm MIP(molluscan insulin-related peptide)基因6个SNP位点与壳长、壳高性状显著关联,其中g.38363939 AG和g.38364205 CT位点在验证群体得到验证。Pm RERG(ras-related and estrogen-regulated growth inhibitor)基因1个位点与壳长、壳高、总重及壳重显著关联。Pm RERG在分析群体及验证群体的表达水平均是生长慢组显著高于生长快组,具有参与马氏珠母贝生长代谢过程的潜力。(4)对贝壳珍珠层不同生长速率的个体转录组及GWAS进行联合分析,筛选矿化性状相关基因。转录组差异表达基因分析共获得2336个差异表达基因,包括含VWA-containing蛋白、酪氨酸酶、磺基转移酶、几丁质结合(Chitin-binding)蛋白等。联合GWAS分析,共鉴定出5个矿化性状关键基因。其中Pm IAP(baculoviral IAP repeat-containing protein)附近2个SNP位点与珍珠珍珠层厚度性状显著关联。Pm IAP表达水平与珍珠珍珠层厚度显著正相关,参与贝壳损伤修复过程。Pm IAP在验证群体不同贝壳珍珠层生长率个体表达水平与贝壳珍珠层生长率极显著相关,相关系数为0.82。本研究利用GWAS、基因组选择消除及转录组学分析筛选获得马氏珠母贝19个性状关键基因,4个SNP位点在验证群体得到验证。为解析生长和矿化性状变异遗传基础,挖掘优异基因资源,建立分子标记辅助育种技术,培育高产与优质珍珠提供基础资料。


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