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《中国农业科学院》 2017年
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GWAS剖析拟南芥镁相关位点以及水稻同源基因

牛耀芳  
【摘要】:深度的全基因组关联分析方法Open GWAS algorithm(OATH)为响应遗传学界的开源趋势,我们开发了一种新的线性回归方法用于全基因组关联分析研究(GWAS),我们将其命名为开放GWAS算法(OATH)。该算法可以在不需要个体水平数据的情况下,仅使用自然汇总统计(NSS),不仅能完整的重现单一实验模型的报告结果,还能生成被掩藏或者未报道的其他模型下的结果。使用NSS,我们可以1、重复出于使用个体水平数据同样精确度的GWAS结果,2、恢复出未报道的使用任何组合协变量的结果,3、深度评估结果,比如分析p值得方差,进而得出一个更加可靠的评估结果,如同我们使用3种供镁条件下的42个拟南芥表型数据所展示的结果。此外,OATH方法可以用于多中心联合的GWAS meta研究,可以极大的提高GWAMA研究的灵活性。OATH的原型已在软件 GEnetic Analysis Repository(GEAR,https://github.com/gc5k/GEAR)中实现。拟南芥不同生态型对高镁的响应某些蛇纹石土壤或半干旱地区土壤中的高镁是作物生长发育的重要障碍。然而高镁稳态下植物适应的具体遗传位点和机理尚未很好的了解。利用388份收集自世界各地的拟南芥生态型材料和约25万个SNP的基因型数据,我们成功的找到了 109和74个分别在正常镁(1OOOuM)和高镁(1OOOOuM)与营养性状相关的基因位点。超过90%的SNP与营养表型有关,仅有2个SNP同时在正常镁和高镁条件下被定位到。在高镁下发现一个与植株Ca浓度表型强相关的SNP位于候选基因Atlg60420(6tNRX1)中。进一步的研究显示,相较于野生型,Atnrx1突变体在高镁供应下具有较高的胞内钙浓度,较长的主根和积累更多的鲜重。这表明AtNRX1基因特异性的负向调节Ca的吸收和植株生长。此外,GWAS找到的其它SNP位点将有助于确定早期营养相关的生物标志基因和分组育种标记从而帮助开发镁营养高效作物。水稻镁相关同源基因挖掘针对拟南芥中定位的镁相关的基因位点,我们利用水稻基因组信息,比对后鉴定了一些水稻同源基因。通过GWAS定位,我们一共613个显著SNP位点区段,并预测筛选了 431个候选基因。通过同源比对,寻找在水稻中的直系同源基因,最终一共找到424个水稻同源基因。已克隆基因表明通过GWAS定位发现的表型关联基因至少部分可以通过同源比对分析在水稻中找到相似功能的基因。此外,进一步分析了剩余未克隆的水稻基因的表达以及其与表型的关系,发现种子萌发和鲜重以及上胚轴长度的基因以及钠和钙含量的基因存在较为可能的同源基因。
【关键词】:全基因组关联分析(GWAS) 高镁相关位点 微量元素 拟南芥 水稻 同源基因
【学位授予单位】:中国农业科学院
【学位级别】:博士后
【学位授予年份】:2017
【分类号】:Q943.2
【目录】:
  • 摘要5-7
  • Abstract7-13
  • 缩略语表13-14
  • 基因名称缩略表14-15
  • 第一章 使用简要统计学重现和深入评估全基因组关联分析和全基因组荟萃分析研究15-44
  • 1.1 引言15-16
  • 1.2 材料与方法16-27
  • 1.2.1 拟南芥GWAS数据16-22
  • 1.2.2 试验仪器和试剂22-23
  • 1.2.3 表型分析23-24
  • 1.2.4 元素含量分析24
  • 1.2.5 Meta验证数据24-25
  • 1.2.6 开放式全基因组关联算法(OATH)25-27
  • 1.3 结果27-42
  • 1.3.1 OATH的模拟示例27-29
  • 1.3.2 拟南芥两种GWAS模型的争论29-34
  • 1.3.3 再现拟南芥sGWAS结果34-36
  • 1.3.4 重现未报到的结果36-38
  • 1.3.5 深度评估拟南芥GWAS显著位点38-40
  • 1.3.6 OATH在GWAMA中的应用40-42
  • 1.4 讨论42-43
  • 1.5 结论43-44
  • 第二章 拟南芥生长发育和养分代谢对高镁胁迫响应44-72
  • 2.1 引言44-45
  • 2.2 材料与方法45-51
  • 2.2.1 植物材料与生长条件45-46
  • 2.2.2 拟南芥培养46-47
  • 2.2.3 试验处理47
  • 2.2.4 试验仪器和试剂47-48
  • 2.2.5 表型分析48
  • 2.2.6 胞质Ca~(2+)观察48-49
  • 2.2.7 元素含量分析49
  • 2.2.8 GWAS定位,SNP选择以及统计方法49-50
  • 2.2.9 突变位点验证和实时定量PCR50-51
  • 2.2.10 数据分析51
  • 2.3 结果与讨论51-67
  • 2.3.1 正常镁和高镁下21个不同表型的分布和相关性分析51-58
  • 2.3.2 高镁下营养代谢反应的GWAS分析58-64
  • 2.3.3 Atntrl突变体在高镁处理下的响应64-67
  • 2.4 讨论67-71
  • 2.4.1 过量供镁导致生态型生长的变化67-68
  • 2.4.2 养分浓度和吸收的变化及相关分子机制68-70
  • 2.4.3 高镁胁迫下基因AtNRX1负向调控Ca浓度和植物生长70-71
  • 2.5 结论71-72
  • 第三章 GWAS结果在水稻的同源基因和应用展望72-80
  • 一 水稻镁相关同源基因挖掘72-73
  • 二 根系相关基因的应用73-75
  • 三 营养相关基因的应用75-80
  • 致谢80-81
  • 参考文献81-93
  • 个人简历93-97

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