甘蓝型油菜种质资源基因组多态性分析及其数字化利用研究

【摘要】：甘蓝型油菜(Brassica napus L.,An An Cn Cn,2n=4x=38)是世界上最重要的油料作物之一。大约7500年前,甘蓝型油菜由二倍体祖先种白菜(Brassica rapa,Ar Ar,2n=2x=20)和甘蓝(Brassica oleracea,Co Co,2n=2x=18)经自然杂交和染色体加倍而形成。与两个祖先种相比,尽管甘蓝型油菜的演化历史较短,但是为了适应不同的气候以及纬度条件,甘蓝型油菜逐渐形成了三个主要的生态型,即冬性、半冬性和春性。目前,有关甘蓝型油菜三种生态型分化的遗传基础尚不明确。本研究中,我们对源自39个国家的991份甘蓝型油菜种质资源,包括658份冬性、145份半冬性和188份春性油菜进行了全基因组重测序,构建了甘蓝型油菜的全基因组遗传变异图谱,并深入分析了991份甘蓝型油菜的群体结构、遗传多样性和连锁不平衡等遗传特征,初步揭示了甘蓝型油菜生态型分化的主要遗传基础。同时,为了使这些甘蓝型油菜遗传多态性信息更好地服务于优异基因资源的发掘,我们还构建了甘蓝型油菜基因资源数字化利用平台。这些研究成果将为甘蓝型油菜群体基因组学、重要农艺性状基因功能鉴定以及分子标记辅助育种等研究奠定基础。本研究主要结果如下:1.构建了甘蓝型油菜全基因组遗传变异图谱。利用二代测序技术对991份甘蓝型油菜进行了全基因组重测序,测序平均深度为6.6×,获得了7.82Tb的测序数据,共鉴定出556万个SNPs和186万个In Dels,构建了该群体的综合性基因组遗传变异图谱。分析发现甘蓝型油菜A亚基因组的基因组变异密度(7.85个SNPs/kb;3.12个In Dels/kb)高于C亚基因组(5.94个SNPs/kb;1.86个In Dels/kb),表明A亚基因组的遗传多样性高于C亚基因组。相应的,A亚基因组的遗传重组率高于C亚基因组,使得A亚基因组的连锁不平衡衰减率高于C亚基因组,最终导致A亚基因组的遗传多样性高于C亚基因组。2.揭示了甘蓝型油菜生态型分化的遗传基础。对658份冬性、145份半冬性和188份春性油菜开展全基因组选择清除分析。不同生态型群体间的选择性清除分析发现,甘蓝型油菜中FLOWERING LOCUS T(FT)基因Bna A02.FT(Bna A02g12130D)和FLOWERING LOCUS C(FLC)基因Bna A10.FLC(Bna A10g22080D)在人工和自然选择过程中受到明显的选择。另一方面,991份甘蓝型油菜开花时间的全基因组关联分析显示,Bna A02.FT和Bna A10.FLC基因的等位多态性变异也与开花时间存在显著的关联。对Bna A02.FT以及Bna A10.FLC基因启动子区域以及编码区域的SNP分布进行分析,发现这两个基因编码区的核苷酸序列在三种生态型之间相对保守,但启动子区域存在明显的SNP单倍型分化。同时,Bna A02.FT基因以及Bna A10.FLC基因在三种生态型中的基因表达水平存在显著的差异,进而导致三种生态型开花时间的不同,我们进而推测Bna A02.FT与Bna A10.FLC基因启动子区域的SNP单倍型差异是甘蓝型油菜生态型分化的关键遗传基础。3.搭建了甘蓝型油菜基因资源数字化利用平台。在991份甘蓝型油菜基因组遗传多态性数据的基础上,构建了该群体的SNP数据库Bna SNPDB(https://bnapus-zju.com/bnasnpdb),该数据库内置了一系列分析模块,可用于SNP的储存、检索和分析。另外,基于系统进化树以及主成分分析(Principal Component Analysis,PCA),构建了一套包含300份材料的甘蓝型油菜核心种质并搭建其全基因组关联分析平台Bna GWAS(https://bnapuszju.com/gwas),该平台可以在线快速完成该群体的全基因组关联分析(GenomeWide Association Studies,GWAS)流程及关联区域基因注释信息的提取。这两个平台将服务于全球油菜研究者开展群体基因组学、群体进化、分子标记开发及甘蓝型油菜分子育种等方面的相关研究。综上所述,本研究对991份甘蓝型油菜种质资源进行了全基因组重测序,构建了甘蓝型油菜基因组遗传变异图谱;揭示了Bna A02.FT与Bna A10.FLC两个基因启动子区域的SNP单倍型差异是甘蓝型油菜生态型分化的关键遗传基础;搭建了甘蓝型油菜基因资源数字化利用平台。这些研究结果不仅为解析甘蓝型油菜生态型分化的遗传基础提供了新的视角,也为甘蓝型油菜分子标记辅助育种奠定基础,将有助于促进甘蓝型油菜的基础与应用研究。