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胡杨幼苗生长相关性状QTL上位性分析

王平 王东洋 王晶 姜立波 邬荣领

王平, 王东洋, 王晶, 姜立波, 邬荣领. 胡杨幼苗生长相关性状QTL上位性分析[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(12): 49-59. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180332
引用本文: 王平, 王东洋, 王晶, 姜立波, 邬荣领. 胡杨幼苗生长相关性状QTL上位性分析[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(12): 49-59. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180332
Wang Ping, Wang Dongyang, Wang Jing, Jiang Libo, Wu Rongling. QTL epistasis effect analysis of seedling growth-related traits in Populus euphratica[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(12): 49-59. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180332
Citation: Wang Ping, Wang Dongyang, Wang Jing, Jiang Libo, Wu Rongling. QTL epistasis effect analysis of seedling growth-related traits in Populus euphratica[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(12): 49-59. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180332

胡杨幼苗生长相关性状QTL上位性分析

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180332
基金项目: 

国家林业公益性行业科研专项 201404102

国家自然科学基金项目 31700576

详细信息
    作者简介:

    王平。主要研究方向:林木数量遗传学。Email: wangping21@163.com   地址:100083   北京市海淀区清华东路35号

    通讯作者:

    姜立波,博士,讲师。主要研究方向:林木数量遗传学。Email:libojiang@bjfu.edu.cn   地址:同上

  • 中图分类号: S722

QTL epistasis effect analysis of seedling growth-related traits in Populus euphratica

  • 摘要: 目的幼苗期是植物生长发育的重要阶段,幼苗生长相关性状的研究对改善农作物以及林木的生产以及提高抗逆性具有重要意义。目前尚无研究对胡杨幼苗生长阶段相关表型的上位互作机制进行解析。方法本研究以包含408个单株的胡杨×胡杨杂交的F1代群体为实验材料,获取茎高、主根长、总侧根长和侧根数量4种表型动态生长数据;基于该群体所构建的高密度连锁图谱,通过功能作图和2HIGWAS对基因之间的上位互作进行定位。结果共侦测出QTL-QTL互作83对,包含83个SNPs。其中主根长、茎高、侧根总长、侧根数量分别检验出24对、20对、24对、15对显著QTL互作;主根长、茎高以及侧根总长较大比例的上位互作分别集中分布于连锁群1、19和17。另外对4个表型显著上位互作的QTLs进行功能注释,19个QTLs注释到候选基因。结论影响侧根总长的显著互作具有较高的遗传力,在连锁群17集中分布,可能是重要的候选基因区域,能够为胡杨以及林木分子标记辅助育种提供重要的借鉴。
  • 图  1  两种模型对4种表型性状生长曲线的拟合

    A.主根长;B.茎高;C.侧根总长;D.侧根数量;M1.模型1(公式1);M2.模型2(公式2)。

    Figure  1.  Fitting of growth curves of the four traits by two models

    A, taproot length; B, stem height; C, total lateral root length; D, number of lateral roots; M1, model 1 (equation 1);M2, model 2 (equation 2).

    图  2  4种性状选取的最佳模型的残差图

    A.主根长;B.茎高;C, 侧根总长;D.侧根数量。

    Figure  2.  Residual plot of the best model for four traits

    A, taproot length; B, stem height; C, total lateral root length; D, number of lateral roots.

    图  3  4个性状中显著QTL-QTL互作在胡杨连锁群的分布

    红色代表主根长;绿色代表茎高;蓝色代表侧根总长;紫色代表侧根数量。

    Figure  3.  Distribution of significant QTL-QTL interactions for four traits along 19 linkage groups of Populus euphratica

    Red represents the taproot length; green represents the stem height; blue represents total lateral root length; purple represents the number of lateral roots.

    图  4  4个性状显著QTL-QTL互作遗传力的时序模式

    A.主根长;B.茎高;C.侧根总长;D.侧根数量,黑色线条表示每个性状所有显著QTL-QTL互作的总遗传力。

    Figure  4.  Temporal pattern of heritability of significant QTL-QTL interactions for four traits

    A, taproot length; B, stem height; C, total lateral root length; D, number of lateral roots, the black lines indicate the total heritability of all significant QTL-QTL interactions for each trait.

    表  1  4个性状显著QTL-QTL互作的详细信息

    Table  1.   Detailed information of significant QTL-QTL interactions for four traits

    表型
    Phenotype
    配对数
    Pair
    标记1 ID
    SNP1
    标记2 ID
    SNP2
    连锁群LG位置Position标记类型Marker type互作类型
    Interaction
    type
    标记1
    SNP1
    标记2
    SNP2
    标记1
    SNP1
    标记2
    SNP2
    标记1
    SNP1
    标记2
    SNP2
    主根长Taproot length0hk_hk_526lm_ll_9726LG1LG2393.97134.6IntercrossTestcrossAA
    1hk_hk_1541lm_ll_9903LG1LG3363.76303.2IntercrossTestcrossAA
    2lm_ll_11751nn_np_10334LG12LG1192.69399.54TestcrossTestcrossAA
    3lm_ll_6889nn_np_4797LG3LG1297.11404.42TestcrossTestcrossAA
    4lm_ll_9726nn_np_10334LG2LG1134.6399.54TestcrossTestcrossAA
    5hk_hk_2726lm_ll_9726LG1LG2400.46134.6IntercrossTestcrossAA
    6nn_np_6494lm_ll_4106LG1LG8366.1782.77TestcrossTestcrossAA
    7lm_ll_11751nn_np_7270LG12LG1192.69382.18TestcrossTestcrossAA
    8hk_hk_2120hk_hk_2116LG2LG7383.58149.35IntercrossIntercrossAD
    9hk_hk_526hk_hk_2116LG1LG7393.97149.35IntercrossIntercrossAD
    10nn_np_11925lm_ll_3383LG1LG3367.62215.49TestcrossTestcrossAA
    11hk_hk_1541lm_ll_9726LG1LG2363.76134.6IntercrossTestcrossAA
    12lm_ll_5873lm_ll_9726LG12LG2192.7134.6TestcrossTestcrossAA
    13lm_ll_8943nn_np_4797LG3LG1297.11404.42TestcrossTestcrossAA
    14lm_ll_8943nn_np_4582LG3LG19297.1172.68TestcrossTestcrossAA
    15lm_ll_4106nn_np_3087LG8LG182.77361.76TestcrossTestcrossAA
    16lm_ll_5853lm_ll_9726LG3LG2307.06134.6TestcrossTestcrossAA
    17nn_np_6494lm_ll_6889LG1LG3366.17297.11TestcrossTestcrossAA
    18lm_ll_9726hk_hk_2116LG2LG7134.6149.35TestcrossIntercrossAD
    19lm_ll_9903lm_ll_9726LG3LG2303.2134.6TestcrossTestcrossAA
    20nn_np_6494lm_ll_3383LG1LG3366.17215.49TestcrossTestcrossAA
    21nn_np_11925lm_ll_4106LG1LG8367.6282.77TestcrossTestcrossAA
    22hk_hk_2726lm_ll_9903LG1LG3400.46303.2IntercrossTestcrossAA
    23lm_ll_9726lm_ll_9874LG2LG3134.6222TestcrossTestcrossAA
    茎高Stem height24lm_ll_3248hk_hk_1984LG2LG1955.8175.2TestcrossIntercrossAD
    25hk_hk_861hk_hk_1984LG19LG1984.2275.2IntercrossIntercrossDD
    26nn_np_8378hk_hk_861LG5LG19122.4884.22TestcrossIntercrossAD
    27hk_hk_2692hk_hk_2705LG19LG3118.5561.26IntercrossIntercrossAD
    29hk_hk_1984hk_hk_861LG19LG1975.284.22IntercrossIntercrossAD
    30hk_hk_2765hk_hk_861LG19LG1975.3284.22IntercrossIntercrossAD
    31hk_hk_1984hk_hk_1556LG19LG675.218.94IntercrossIntercrossDD
    32nn_np_4006hk_hk_861LG11LG19106.584.22TestcrossIntercrossAD
    33hk_hk_2025hk_hk_1556LG15LG649.6718.94IntercrossIntercrossDD
    34hk_hk_1984hk_hk_2234LG19LG1975.284.22IntercrossIntercrossDD
    35hk_hk_1365hk_hk_2705LG19LG3109.5261.26IntercrossIntercrossAD
    36hk_hk_2155hk_hk_861LG19LG1974.6684.22IntercrossIntercrossAD
    37hk_hk_1984hk_hk_1342LG19LG1975.275.32IntercrossIntercrossDD
    38hk_hk_861hk_hk_1342LG19LG1984.2275.32IntercrossIntercrossDD
    39lm_ll_3248nn_np_11732LG2LG1055.8123.14TestcrossTestcrossAA
    40lm_ll_3248hk_hk_2779LG2LG1355.81218.9TestcrossIntercrossAD
    41hk_hk_1984hk_hk_3206LG19LG1975.286.38IntercrossIntercrossDD
    42hk_hk_1984hk_hk_1206LG19LG675.25.36IntercrossIntercrossDD
    43hk_hk_2765hk_hk_3138LG19LG675.3221.69IntercrossIntercrossAA
    44hk_hk_1960hk_hk_1206LG19LG6118.555.36IntercrossIntercrossAD
    总侧根长Total lateral
    root length
    45hk_hk_3074hk_hk_2288LG8LG2102.6995.12IntercrossIntercrossDD
    46lm_ll_3911hk_hk_3074LG3LG8234.43102.69TestcrossIntercrossAD
    47lm_ll_7977hk_hk_2288LG2LG243.0895.12TestcrossIntercrossAD
    48nn_np_8297lm_ll_3153LG17LG3115.47214.01TestcrossTestcrossAA
    49nn_np_8297lm_ll_11743LG17LG3115.47236.62TestcrossTestcrossAA
    50lm_ll_7977nn_np_11395LG2LG1043.0844.49TestcrossTestcrossAA
    51hk_hk_3038lm_ll_3153LG3LG321.18214.01IntercrossTestcrossAA
    52nn_np_8297lm_ll_8924LG17LG3115.47224.85TestcrossTestcrossAA
    53nn_np_8297lm_ll_11684LG17LG3115.47226.02TestcrossTestcrossAA
    54hk_hk_829hk_hk_861LG15LG1982.884.22IntercrossIntercrossDD
    55nn_np_8297lm_ll_11020LG17LG3115.47224.85TestcrossTestcrossAA
    56nn_np_8297lm_ll_11345LG17LG3115.47236.62TestcrossTestcrossAA
    57nn_np_7192hk_hk_3074LG19LG897.44102.69TestcrossIntercrossAD
    58nn_np_8297lm_ll_11873LG17LG3115.47224.82TestcrossTestcrossAA
    59nn_np_8297lm_ll_2229LG17LG3115.47224.85TestcrossTestcrossAA
    60hk_hk_3038lm_ll_11873LG3LG321.18224.82IntercrossTestcrossAA
    61lm_ll_7977hk_hk_1848LG2LG443.0891.98TestcrossIntercrossAD
    62lm_ll_13112hk_hk_2288LG3LG2235.5895.12TestcrossIntercrossAD
    63hk_hk_3038hk_hk_2485LG3LG821.1893.95IntercrossIntercrossAD
    64hk_hk_3209hk_hk_861LG8LG1960.2884.22IntercrossIntercrossDD
    65hk_hk_1848hk_hk_1589LG4LG1291.9879.45IntercrossIntercrossDD
    66lm_ll_13112lm_ll_7977LG3LG2235.5843.08TestcrossTestcrossAA
    67lm_ll_12414hk_hk_2288LG3LG2229.5695.12TestcrossIntercrossAD
    68lm_ll_11873hk_hk_3209LG3LG8224.8260.28TestcrossIntercrossAD
    侧根数量Number of
    lateral roots
    69hk_hk_3237nn_np_6825LG17LG1179.51144.23IntercrossTestcrossAA
    70lm_ll_10262nn_np_9993LG10LG1143.3164.17TestcrossTestcrossAA
    71lm_ll_10262lm_ll_6938LG10LG443.378.08TestcrossTestcrossAA
    72lm_ll_7471nn_np_11905LG4LG1764.661.54TestcrossTestcrossAA
    73lm_ll_4501nn_np_3662LG5LG11170.17148.06TestcrossTestcrossAA
    74lm_ll_579hk_hk_1675LG4LG121712.47TestcrossIntercrossAD
    75lm_ll_6938lm_ll_10741LG4LG578.08121.28TestcrossTestcrossAA
    76nn_np_9993lm_ll_10152LG1LG10164.1779.6TestcrossTestcrossAA
    77nn_np_12080nn_np_9993LG5LG1188164.17TestcrossTestcrossAA
    78lm_ll_7471nn_np_8146LG4LG464.6203.23TestcrossTestcrossAA
    79hk_hk_3237nn_np_9993LG17LG1179.51164.17IntercrossTestcrossAA
    80lm_ll_4374lm_ll_10741LG4LG575.03121.28TestcrossTestcrossAA
    81nn_np_12080lm_ll_6938LG5LG418878.08TestcrossTestcrossAA
    82lm_ll_924lm_ll_579LG2LG415.0117TestcrossTestcrossAA
    83nn_np_12080nn_np_2539LG5LG18188184.27TestcrossTestcrossAA
    注:A表示加性效应,D表示显性效应。Notes:A represents additive effect, D represents dominant effect.
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    表  2  2HIGWAS筛选出的上位效应位点注释信息

    Table  2.   Annotation information of loci with epistatic effect filtered by 2HIGWAS

    性状
    Trait
    标记
    Marker
    GO号
    GO ID
    分类
    Classification
    注释信息
    Annotataion
    主根长Taproot lengthnn_np_3087GO:0043231CPentatricopeptide repeat-containing protein At1g52620
    nn_np_6494GO:0016226Pprotein AE7-like
    hk_hk_2726GO:0051260PBTB/POZ domain-containing protein At5g41330-like
    hk_hk_2120GO:0045552Fvestitone reductase
    nn_np_4582GO:0005634Ccytokinin riboside 5′-monophosphate phosphoribohydrolase LOG7
    茎高Stem heighthk_hk_1206GO:0003723Fserine/arginine-rich splicing factor SC35-like isoform X1
    hk_hk_1556GO:0005768Cras-related protein RABA2a
    hk_hk_2155GO:0003676Fintegrase-like protein
    hk_hk_3206GO:0090575Ctranscription factor bHLH162
    lm_ll_3153GO:0003676Fintegrase
    侧根总长Total lateral
    root length
    lm_ll_11873GO:0003676FDNA-directed DNA polymerase
    lm_ll_11020GO:0008445FRetrovirus-related Pol polyprotein from transposon 17.6
    lm_ll_11345GO:0016021Cglutamate receptor 3.4-like
    hk_hk_3209GO:0009533Cprotease Do-like 2, chloroplastic
    lm_ll_3153GO:0003676Fintegrase
    侧根数量Number of
    lateral roots
    lm_ll_3153GO:0003676Fintegrase
    lm_ll_11873GO:0003676FDNA-directed DNA polymerase
    lm_ll_11020GO:0008445FRetrovirus-related Pol polyprotein from transposon 17.6
    lm_ll_11345GO:0016021Cglutamate receptor 3.4-like
    hk_hk_3209GO:0009533Cprotease Do-like 2, chloroplastic
    注:P表示生物学过程、C表示细胞组分、F表示分子功能。Notes:P denotes the biological process, C denotes the cellular component, F denotes the molecular function.
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-10-17
  • 修回日期:  2018-11-07
  • 刊出日期:  2018-12-01

胡杨幼苗生长相关性状QTL上位性分析

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180332
    基金项目:

    国家林业公益性行业科研专项 201404102

    国家自然科学基金项目 31700576

    作者简介:

    王平。主要研究方向:林木数量遗传学。Email: wangping21@163.com   地址:100083   北京市海淀区清华东路35号

    通讯作者: 姜立波,博士,讲师。主要研究方向:林木数量遗传学。Email:libojiang@bjfu.edu.cn   地址:同上
  • 中图分类号: S722

摘要: 目的幼苗期是植物生长发育的重要阶段,幼苗生长相关性状的研究对改善农作物以及林木的生产以及提高抗逆性具有重要意义。目前尚无研究对胡杨幼苗生长阶段相关表型的上位互作机制进行解析。方法本研究以包含408个单株的胡杨×胡杨杂交的F1代群体为实验材料,获取茎高、主根长、总侧根长和侧根数量4种表型动态生长数据;基于该群体所构建的高密度连锁图谱,通过功能作图和2HIGWAS对基因之间的上位互作进行定位。结果共侦测出QTL-QTL互作83对,包含83个SNPs。其中主根长、茎高、侧根总长、侧根数量分别检验出24对、20对、24对、15对显著QTL互作;主根长、茎高以及侧根总长较大比例的上位互作分别集中分布于连锁群1、19和17。另外对4个表型显著上位互作的QTLs进行功能注释,19个QTLs注释到候选基因。结论影响侧根总长的显著互作具有较高的遗传力,在连锁群17集中分布,可能是重要的候选基因区域,能够为胡杨以及林木分子标记辅助育种提供重要的借鉴。

English Abstract

王平, 王东洋, 王晶, 姜立波, 邬荣领. 胡杨幼苗生长相关性状QTL上位性分析[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(12): 49-59. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180332
引用本文: 王平, 王东洋, 王晶, 姜立波, 邬荣领. 胡杨幼苗生长相关性状QTL上位性分析[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(12): 49-59. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180332
Wang Ping, Wang Dongyang, Wang Jing, Jiang Libo, Wu Rongling. QTL epistasis effect analysis of seedling growth-related traits in Populus euphratica[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(12): 49-59. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180332
Citation: Wang Ping, Wang Dongyang, Wang Jing, Jiang Libo, Wu Rongling. QTL epistasis effect analysis of seedling growth-related traits in Populus euphratica[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(12): 49-59. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180332
  • 植物在其生命周期中会历经多个阶段,在种子萌发后,植株进入幼苗的生长发育阶段。在幼苗生长发育期,一系列的代谢活动和形态形成的机制逐渐建立[1]。作为影响植物存活的关键性阶段,幼苗阶段通常对植物的生长发育具有决定性作用,同时也是植物适应环境的重要基础[2]。对于许多农作物来说,如果幼苗期发育良好,即便生长条件不太理想,作物仍可以达到较高的产量。植物幼苗阶段开始后,不同表型的动态变化能够反映幼苗活性和生物量的积累[3]。因此,研究幼苗生长过程中的遗传机制十分必要,对农作物以及林木分子标记育种具有重要的意义。

    研究人员对影响幼苗生长的因素进行了大量的探究,并得出了若干重要理论[4-5]。Liebig[6]提出了最小因子法则,认为植物的生长是由供给量最小的资源控制的,只有增加该资源才能促进植物的生长。而多重资源限制假说则认为资源限制是一个十分复杂的过程,是多种资源互作导致的,并以此来解释资源限制对于幼苗生长的影响[7]。另外,大量研究发现激素途径在植物幼苗的生长发育中也扮演着重要角色[8-11]。随着分子生物学的发展,关于幼苗生长的分子调控机制开始被人们关注,例如,玉米的U6 biogenesis-like 1(UBL1)基因通过影响U6小核RNA的前体mRNA拼接来影响幼苗的生长发育[12]。此外,Stewart等[13]证明PIF基因家族的成员可以显著改变下胚轴每日伸长的速率,从而改变许多幼苗生长状况。Hwang等[14]研究表明,AtCYS6基因可以通过抑制储存的半胱胺酸蛋白酶活性来调控种子萌发以及幼苗的发育过程。

    一般来说,反映幼苗生长的表型指标大多是数量性状,比如幼苗的茎高,主根长,侧根长以及侧根数量等。上述性状可能都是由多个基因控制的,而每个基因的效应比较微弱,因此,利用数量性状位点(Quantitative trait loci, QTL)定位的方法来解析复杂性状是一种十分有效的手段[15-17]。基于QTL定位,大量的研究对植物幼苗生长的相关复杂性状进行了解析,例如,探究了影响小麦(Triticum aestivum)、水稻(Oryza sativa)以及玉米(Zea mays)等农作物幼苗根系相关表型以及抗逆性等复杂性状的遗传机制[18-20]。然而这些研究虽然定位出大量QTLs,但大多没有获得较好的功能验证,一个重要原因是忽略了基因之间的上位互作。如果QTL定位模型中没有考虑标记之间的上位性效应很可能会导致所谓的丢失遗传力[21-22]。因此研究幼苗生长过程中基因上位互作机制是十分必要的,有助于进一步解析其内在的遗传机制。

    胡杨(Populus euphratica)作为我国西北沙漠地区的重要生态树种,能够适应盐胁迫、干旱、大风以及低温等恶劣环境[23]。目前,已有大量的研究从生理生化、细胞生物学、分子生物学等角度对其抗逆机制进行了深入探索[23-24]。胡杨的繁育主要是利用种子完成,种子发育成幼苗,幼苗的生长状态对其后续发育至关重要,当前对胡杨幼苗的生长遗传机制,特别是上位性遗传机制的解析是欠缺的。为此,本研究基于胡杨F1代群体和其所构建的高密度遗传图谱,测量其幼苗生长过程中主根长、茎高、侧根长以及侧根数量的动态表型数据。利用功能作图和2HIGWAS技术进行上位效应解析,定位控制胡杨幼苗生长的关键基因互作。

    • 材料取自新疆库尔勒地区塔里木河沿岸,选取胡杨雌雄个体各一株,雄株的显著特征是树木较高和长势较好,雌株的显著特征是早开花,雄性亲本与雌性亲本相距31 km,在地理和生态上存在一定差异。选取生长状态良好的雄性花枝,于2014年1月置于北京林业大学人工气候室中水培,为避免花粉发育过快造成育性降低,培养温度设为20 ℃;待花粉发育完全后剪下花序,于干燥环境中低温迅速脱水,将花粉收集后密封保存于EP管中,放于4 ℃冰箱保存待用。2014年2月底将雌性单株全部移栽至北京林业大学温室中种植,待雌花发育之后,对雌花序进行人工授粉,在果实发育过程中进行疏果,避免营养竞争,保证种子发育过程中的营养供给;在培养过程中选取亲本的健康叶片放于4 ℃冰箱保存待用。

      2014年6月中旬,种子发育成熟,将所有种子在无菌条件下种植于1/2MS固体培养基中,在16 h光/8 h暗条件下培养,培养温度为26 ℃。培养4个月后将所有幼苗移栽到基质中培养,温度和光照条件不变,保证水肥供给。2014年12月,待所有单株平均高度达到20 cm以上,平均叶片数达到12片以上时,采集叶片、液氮速冻后置于-80 ℃超低温冰箱中保存。最后获得F1代个体共408个。

    • 对测序获得的原始数据进行质量检测,去除低质量序列和接头后,利用ustacks软件进行SNP标记开发,SNP分型过程中允许每个位点中存在5个碱基的错配,聚类后将重复数过多(>200)和过少(<5)的序列去除,保证后续分型的准确性,避免因拷贝数变异造成的误差[25]。次多等位基因数超过25%并小于50%时可以认为该位点为杂合,小于10%时认为该位点为纯合。完成SNP分型后,基于孟德尔遗传规律,参考双亲的基因型,去除子代之间没有变异的位点;选择杂交后出现分离的位点,最终获得的SNP标记数量为8 305个,类型分别为lm×ll,nn×np和hk×hk。基于获得的SNP构建的胡杨连锁图谱共包含19个连锁群,连锁群的总长度为4 574.89 cM,标记间的平均距离为0.55 cM[3]

    • 在组培条件下,使用拍照和手眼测量获得主根长,侧根长,侧根数量以及茎高的动态变化数据。由于前期试验发现基于两种测量方式获得的表型数据进行分析之后所获得的结果差异较小[26],因此采用手眼观测的方式进行表型测量。从培养第5天开始进行数据测量,每间隔5 d测量一次,共进行15次测量。

    • 目前有多种数学模型可以用来描述数量性状动态变化,包括指数型、饱和型以及S型模型[27],上述模型均通过参数变化来描述不同个体数量性状的生长模式。其中Logistic曲线是用来描述生物生长发育最常用的曲线,其数学通式如下:

      $$ g(t)=\frac{a}{1+b{{e}^{-rt}}} $$ (1)

      式中:g(t)为时间t的表型值;t为时间点;at→∞时函数的极限值;b为初始生长值;r为相对生长速率。

      该曲线包含指数相和渐进相两个阶段:在指数相阶段,生长曲线呈指数增长;渐进相阶段曲线增长变缓逐渐趋于极值。在某些研究中,所测量的数量性状还处于指数增长期,为此可用以下公式(2)来描述生长曲线的变化:

      $$ g(t)=\frac{a}{1+b{{\text{e}}^{-rt}}}-c{{\text{e}}^{-dt}} $$ (2)

      式中:abrcd 5个参数用来描述处于指数期的个体数量性状生长发育曲线,cd参数用于抵消logistic方程的渐进生长。

      上述两个模型虽然可以用来描述胡杨幼苗的生长曲线,但是如何选取最佳模型对于后续QTL定位极为重要。本文采用AIC(Akaike's information criteria)准则来选取最佳模型[28],以提高QTL定位的精度。

    • Ma等[29]提出了一种通用的理论框架,将描述生物生长的数学方程嵌入到QTL定位的框架中,该理论称之为功能作图(Functional mapping)理论。通过去除QTL条件概率,代以SNP的实际数值,对每个SNP进行假设检验,将功能作图延伸到GWAS框架中,建立了新的模型fGWAS(Functional GWAS)。本研究基于fGWAS软件包进行功能作图的分析[30]

    • 虽然当前的测序技术能够获得高维的SNP数据,但基于数量遗传学理论,也许只有很小比例的部分SNP影响动态复杂性状。在时间点t,决定个体i表型值的模型可表示为:

      $$ \begin{align} & {{y}_{it}}={{u}_{t}}+\sum\limits_{j=1}^{J}{{{\alpha }_{ji}}}{{\xi }_{ij}}+\sum\limits_{k=1}^{K}{{{\beta }_{kt}}}{{\zeta }_{ik}}+{{\varepsilon }_{it}} \\ & \ \ \ \ i=1, 2, \cdots , n;t=1, 2, \cdots , M \\ \end{align} $$ (3)

      式中:ut为解释变量,表示平均生长量;i为个体编号;n为样本大小;M为时间点数量;J为加性SNP的数量;K为显性SNP的数量;αjtβkt分别为在时间点tj个SNP的加性效应和第k个SNP的显性效应;ξijζik为指示变量,分别表示个体i在第j个SNP的加性基因型和第k个SNP的显性基因型;εit为随机误差,其服从均值为0、方差为σt2的正态分布。

    • 基于2HIGWAS主效应模型,我们进一步扩展,以便能够估计不同SNPs之间的上位互作,扩展的模型可表示为:

      $$ \begin{align} & {{y}_{it}}={{u}_{t}}+\sum\limits_{j=1}^{J}{{{\alpha }_{jt}}}{{\xi }_{ij}}+\sum\limits_{k=1}^{K}{{{\beta }_{kt}}}{{\zeta }_{ik}}+ \\ & \sum\limits_{{{l}_{1}}<{{l}_{2}}=1}^{{{L}_{aa}}}{r_{{{l}_{1}}{{l}_{2}}t}^{aa}}{{\xi }_{i{{l}_{1}}}}{{\zeta }_{i{{l}_{2}}}}+\sum\limits_{{{l}_{1}}<{{l}_{2}}=1}^{{{L}_{ad}}}{r_{{{l}_{1}}{{l}_{2}}t}^{ad}}{{\xi }_{i{{l}_{1}}}}{{\zeta }_{i{{l}_{2}}}}+ \\ & \sum\limits_{{{l}_{1}}<{{l}_{2}}=1}^{{{L}_{da}}}{r_{{{l}_{1}}{{l}_{2}}t}^{da}}{{\xi }_{i{{l}_{1}}}}{{\zeta }_{i{{l}_{2}}}}+\sum\limits_{{{l}_{1}}<{{l}_{2}}=1}^{{{L}_{dd}}}{r_{{{l}_{1}}{{l}_{2}}t}^{dd}}{{\xi }_{i{{l}_{1}}}}{{\zeta }_{i{{l}_{2}}}}+{{\mathit{\varepsilon }}_{it}} \\ & i=1, 2, \cdots , n;t=1, 2, \cdots , M \\ \end{align} $$ (4)

      式中:LaaLadLdaLdd分别为加性-加性、加性-显性、显性-加性和显性-显性互作的数量;rl1l2taarl1l2tadrl1l2tdarl1l2tdd分别为在时间t,SNP l1与SNP l2的加性-加性、加性-显性、显性-加性和显性-显性互作效应。

    • 生长曲线的选取对功能作图和2HIGWAS的定位精度有较大影响。基于公式(1)和(2),分别对4种表型性状的生长曲线行进拟合,并计算AIC的值,进而为每个表型选择合适的生长曲线进行拟合。在主根长(Taproot length,TL)的拟合中(图 1A),模型1(M1)及模型2(M2)的AIC值分别为15 623和15 584;此外,由图 1A中曲线可以发现,主根生长一直处于指数期,与所选模型2所描述的曲线特征相符合,因此我们选择模型2作为主根长生长曲线的最佳拟合模型。图 1B为茎高(Shoot length,SL)的拟合情况,模型1以及模型2的AIC值分别为1 692和1 966,模型1的AIC值远小于模型2;因此在描述茎高的生长曲线时,模型1是最佳模型。同样,由茎高的生长曲线可以看出,茎高的生长已经通过拐点进入渐进生长阶段,与模型1所描述的生长曲线特征相符。在侧根总长(Total lateral root length,TLRL)(图 1C)以及侧根数量(Number of lateral roots, NLR)(图 1D)的拟合过程中,两个模型的AIC值均比较接近,因此我们均选取了AIC值较小的模型1作为最佳模型。

      图  1  两种模型对4种表型性状生长曲线的拟合

      Figure 1.  Fitting of growth curves of the four traits by two models

      为检验每个性状所选取模型的拟合情况,我们对群体中每个子代进行了拟合,分别计算了每个子代的拟合优度。从4个表型的拟合来看,主根长、茎高以及总侧根长中大部分个体的拟合优度R2>0.95,侧根数量表型中大部分个体的拟合优度R2>0.90。整体来看,选取的最佳模型拟合较好,但也存在个别个体的R2<0.5,这可能是由于测量过程中误差过大所导致。为了检验模型的合理性并排除其它因素对QTL定位的影响,我们还针对每个性状所选取的最佳模型进行了残差分析。通过对描述主根长(图 2A)、茎高(图 2B)、侧根总长(图 2C)以及侧根数量(图 2D)的模型进行残差分析的结果可见,各性状所对应的残差呈随机分布,这表明对每个性状所选取的描述生长曲线的模型比较合理。

      图  2  4种性状选取的最佳模型的残差图

      Figure 2.  Residual plot of the best model for four traits

    • 利用2HIGWAS的上位效应模型,将功能作图与2HIGWAS主效应模型筛选的SNPs进行上位互作的定位。4个表型共侦测出QTL-QTL互作83对,包含83个SNPs。QTL上位互作在大部分连锁群都有分布,但主要分布于连锁群1、2、3、4、8和19;3种QTL互作类型中,加性-加性互作、加性-显性互作和显性-显性互作的数量分别是49、22和12。加性-加性互作中,大多为测交类型互作;加性-显性互作中,测交类型互作和测交与杂交类型互作都有分布。图 3为QTL-QTL互作在胡杨19个连锁群上的分布,表 1列出了每一对互作的位置与互作类型等信息。

      图  3  4个性状中显著QTL-QTL互作在胡杨连锁群的分布

      Figure 3.  Distribution of significant QTL-QTL interactions for four traits along 19 linkage groups of Populus euphratica

      表 1  4个性状显著QTL-QTL互作的详细信息

      Table 1.  Detailed information of significant QTL-QTL interactions for four traits

      表型
      Phenotype
      配对数
      Pair
      标记1 ID
      SNP1
      标记2 ID
      SNP2
      连锁群LG位置Position标记类型Marker type互作类型
      Interaction
      type
      标记1
      SNP1
      标记2
      SNP2
      标记1
      SNP1
      标记2
      SNP2
      标记1
      SNP1
      标记2
      SNP2
      主根长Taproot length0hk_hk_526lm_ll_9726LG1LG2393.97134.6IntercrossTestcrossAA
      1hk_hk_1541lm_ll_9903LG1LG3363.76303.2IntercrossTestcrossAA
      2lm_ll_11751nn_np_10334LG12LG1192.69399.54TestcrossTestcrossAA
      3lm_ll_6889nn_np_4797LG3LG1297.11404.42TestcrossTestcrossAA
      4lm_ll_9726nn_np_10334LG2LG1134.6399.54TestcrossTestcrossAA
      5hk_hk_2726lm_ll_9726LG1LG2400.46134.6IntercrossTestcrossAA
      6nn_np_6494lm_ll_4106LG1LG8366.1782.77TestcrossTestcrossAA
      7lm_ll_11751nn_np_7270LG12LG1192.69382.18TestcrossTestcrossAA
      8hk_hk_2120hk_hk_2116LG2LG7383.58149.35IntercrossIntercrossAD
      9hk_hk_526hk_hk_2116LG1LG7393.97149.35IntercrossIntercrossAD
      10nn_np_11925lm_ll_3383LG1LG3367.62215.49TestcrossTestcrossAA
      11hk_hk_1541lm_ll_9726LG1LG2363.76134.6IntercrossTestcrossAA
      12lm_ll_5873lm_ll_9726LG12LG2192.7134.6TestcrossTestcrossAA
      13lm_ll_8943nn_np_4797LG3LG1297.11404.42TestcrossTestcrossAA
      14lm_ll_8943nn_np_4582LG3LG19297.1172.68TestcrossTestcrossAA
      15lm_ll_4106nn_np_3087LG8LG182.77361.76TestcrossTestcrossAA
      16lm_ll_5853lm_ll_9726LG3LG2307.06134.6TestcrossTestcrossAA
      17nn_np_6494lm_ll_6889LG1LG3366.17297.11TestcrossTestcrossAA
      18lm_ll_9726hk_hk_2116LG2LG7134.6149.35TestcrossIntercrossAD
      19lm_ll_9903lm_ll_9726LG3LG2303.2134.6TestcrossTestcrossAA
      20nn_np_6494lm_ll_3383LG1LG3366.17215.49TestcrossTestcrossAA
      21nn_np_11925lm_ll_4106LG1LG8367.6282.77TestcrossTestcrossAA
      22hk_hk_2726lm_ll_9903LG1LG3400.46303.2IntercrossTestcrossAA
      23lm_ll_9726lm_ll_9874LG2LG3134.6222TestcrossTestcrossAA
      茎高Stem height24lm_ll_3248hk_hk_1984LG2LG1955.8175.2TestcrossIntercrossAD
      25hk_hk_861hk_hk_1984LG19LG1984.2275.2IntercrossIntercrossDD
      26nn_np_8378hk_hk_861LG5LG19122.4884.22TestcrossIntercrossAD
      27hk_hk_2692hk_hk_2705LG19LG3118.5561.26IntercrossIntercrossAD
      29hk_hk_1984hk_hk_861LG19LG1975.284.22IntercrossIntercrossAD
      30hk_hk_2765hk_hk_861LG19LG1975.3284.22IntercrossIntercrossAD
      31hk_hk_1984hk_hk_1556LG19LG675.218.94IntercrossIntercrossDD
      32nn_np_4006hk_hk_861LG11LG19106.584.22TestcrossIntercrossAD
      33hk_hk_2025hk_hk_1556LG15LG649.6718.94IntercrossIntercrossDD
      34hk_hk_1984hk_hk_2234LG19LG1975.284.22IntercrossIntercrossDD
      35hk_hk_1365hk_hk_2705LG19LG3109.5261.26IntercrossIntercrossAD
      36hk_hk_2155hk_hk_861LG19LG1974.6684.22IntercrossIntercrossAD
      37hk_hk_1984hk_hk_1342LG19LG1975.275.32IntercrossIntercrossDD
      38hk_hk_861hk_hk_1342LG19LG1984.2275.32IntercrossIntercrossDD
      39lm_ll_3248nn_np_11732LG2LG1055.8123.14TestcrossTestcrossAA
      40lm_ll_3248hk_hk_2779LG2LG1355.81218.9TestcrossIntercrossAD
      41hk_hk_1984hk_hk_3206LG19LG1975.286.38IntercrossIntercrossDD
      42hk_hk_1984hk_hk_1206LG19LG675.25.36IntercrossIntercrossDD
      43hk_hk_2765hk_hk_3138LG19LG675.3221.69IntercrossIntercrossAA
      44hk_hk_1960hk_hk_1206LG19LG6118.555.36IntercrossIntercrossAD
      总侧根长Total lateral
      root length
      45hk_hk_3074hk_hk_2288LG8LG2102.6995.12IntercrossIntercrossDD
      46lm_ll_3911hk_hk_3074LG3LG8234.43102.69TestcrossIntercrossAD
      47lm_ll_7977hk_hk_2288LG2LG243.0895.12TestcrossIntercrossAD
      48nn_np_8297lm_ll_3153LG17LG3115.47214.01TestcrossTestcrossAA
      49nn_np_8297lm_ll_11743LG17LG3115.47236.62TestcrossTestcrossAA
      50lm_ll_7977nn_np_11395LG2LG1043.0844.49TestcrossTestcrossAA
      51hk_hk_3038lm_ll_3153LG3LG321.18214.01IntercrossTestcrossAA
      52nn_np_8297lm_ll_8924LG17LG3115.47224.85TestcrossTestcrossAA
      53nn_np_8297lm_ll_11684LG17LG3115.47226.02TestcrossTestcrossAA
      54hk_hk_829hk_hk_861LG15LG1982.884.22IntercrossIntercrossDD
      55nn_np_8297lm_ll_11020LG17LG3115.47224.85TestcrossTestcrossAA
      56nn_np_8297lm_ll_11345LG17LG3115.47236.62TestcrossTestcrossAA
      57nn_np_7192hk_hk_3074LG19LG897.44102.69TestcrossIntercrossAD
      58nn_np_8297lm_ll_11873LG17LG3115.47224.82TestcrossTestcrossAA
      59nn_np_8297lm_ll_2229LG17LG3115.47224.85TestcrossTestcrossAA
      60hk_hk_3038lm_ll_11873LG3LG321.18224.82IntercrossTestcrossAA
      61lm_ll_7977hk_hk_1848LG2LG443.0891.98TestcrossIntercrossAD
      62lm_ll_13112hk_hk_2288LG3LG2235.5895.12TestcrossIntercrossAD
      63hk_hk_3038hk_hk_2485LG3LG821.1893.95IntercrossIntercrossAD
      64hk_hk_3209hk_hk_861LG8LG1960.2884.22IntercrossIntercrossDD
      65hk_hk_1848hk_hk_1589LG4LG1291.9879.45IntercrossIntercrossDD
      66lm_ll_13112lm_ll_7977LG3LG2235.5843.08TestcrossTestcrossAA
      67lm_ll_12414hk_hk_2288LG3LG2229.5695.12TestcrossIntercrossAD
      68lm_ll_11873hk_hk_3209LG3LG8224.8260.28TestcrossIntercrossAD
      侧根数量Number of
      lateral roots
      69hk_hk_3237nn_np_6825LG17LG1179.51144.23IntercrossTestcrossAA
      70lm_ll_10262nn_np_9993LG10LG1143.3164.17TestcrossTestcrossAA
      71lm_ll_10262lm_ll_6938LG10LG443.378.08TestcrossTestcrossAA
      72lm_ll_7471nn_np_11905LG4LG1764.661.54TestcrossTestcrossAA
      73lm_ll_4501nn_np_3662LG5LG11170.17148.06TestcrossTestcrossAA
      74lm_ll_579hk_hk_1675LG4LG121712.47TestcrossIntercrossAD
      75lm_ll_6938lm_ll_10741LG4LG578.08121.28TestcrossTestcrossAA
      76nn_np_9993lm_ll_10152LG1LG10164.1779.6TestcrossTestcrossAA
      77nn_np_12080nn_np_9993LG5LG1188164.17TestcrossTestcrossAA
      78lm_ll_7471nn_np_8146LG4LG464.6203.23TestcrossTestcrossAA
      79hk_hk_3237nn_np_9993LG17LG1179.51164.17IntercrossTestcrossAA
      80lm_ll_4374lm_ll_10741LG4LG575.03121.28TestcrossTestcrossAA
      81nn_np_12080lm_ll_6938LG5LG418878.08TestcrossTestcrossAA
      82lm_ll_924lm_ll_579LG2LG415.0117TestcrossTestcrossAA
      83nn_np_12080nn_np_2539LG5LG18188184.27TestcrossTestcrossAA
      注:A表示加性效应,D表示显性效应。Notes:A represents additive effect, D represents dominant effect.

      对于主根长性状,共检验出24对显著QTL-QTL互作(图 3表 1),分别分布在胡杨第1、2、3、7、8、12和19连锁群。互作类型主要为加性-加性互作,少量为加性-显性互作,没有侦测到显性-显性互作。茎高性状中具有显著互作效应的QTLs有20对,涉及连锁群6和19的分别有5和17对,另外,连锁群19内部存在8对标记互作,占总数的40%(图 3表 1)。在这20对中,加性-加性互作、加性-显性互作和显性-显性互作的数量分别为2、10和8对。其中,连锁群19内部显性-显性互作的数量为5对,占显性-显性互作总数的60%。侧根总长性状中具有显著互作效应的QTL有24对,与主根长侦测出的QTL互作对数相同,分别分布于第2、3、4、8、10、12、15、17、19连锁群,连锁群3和17上分布较多,分别为16和8对,占总数的67%和33%,但两个性状不存在共有的QTL-QTL互作(图 3表 1)。与连锁群3相连的主要有连锁群2,8和17,其中连锁群17与其互作数量为8对,且只与该连锁群存在互作。侧根数量所侦测的QTL互作数量为15对,是4个表型中侦测到的显著QTL-QTL互作最少的表型,且这些互作与其它表型侦测的互作没有重叠。与侧根数量变化相关的QTL-QTL互作在第1、2、4、5、10、11、12、17、18连锁群中有分布,仅存在一个加性-显性互作,其余都为加性-加性互作。

    • 数量性状受环境和遗传因素的影响很大,为探究表型变异究竟是由遗传因素还是环境因素引起,遗传力的概念被引入,用以表明某一性状受遗传因素控制的程度。为探究遗传因素对胡杨幼苗各性状的影响程度,本研究分析了4个性状中显著上位效应的遗传力,并绘制了其随时间变化的时序图(图 4)。

      图  4  4个性状显著QTL-QTL互作遗传力的时序模式

      Figure 4.  Temporal pattern of heritability of significant QTL-QTL interactions for four traits

      图 4A可发现,影响主根长的每个显著QTL-QTL互作的遗传力随时间呈现不同的变化趋势,但整体强度较弱,大部分组合遗传力在0~3%之间波动,有3个组合在3%~5%之间波动,包括lm_ll_11751-nn_np_10334、nn_np_11925-lm_ll_3383和lm_ll_9726-hk_hk_2116,其互作类型分别为加性-加性互作,加性-加性互作,加性-显性互作;图 4A中总的遗传力随时间在5%~17%的区间内波动。影响茎高显著上位效应的总遗传力波动范围与主根长相似,在5%~16%的区间内波动(图 4B);但大部分QTL-QTL互作组合的遗传力较弱,有3个组合的遗传力超过了3%,分别是组合hk_hk_861-hk_hk_1984、hk_hk_2765-hk_hk_861以及hk_hk_1960-hk_hk_1206,其互作类型分别是显性-显性互作,加性-显性互作,加性-显性互作。

      影响侧根总长性状显著上位效应的总遗传力波动较大,波动区间为10%~80%(图 4C);从图中可发现,大部分互作组合贡献的遗传力都比较小,但组合lm_ll_13112-hk_hk_2288的贡献较大,波动范围在5%~30%。图 4D为影响胡杨幼苗侧根数量的显著上位效应的遗传力时序图,总的遗传力在2%~9%区间内波动,大部分组合在0.1%~2%区间内。从4个表型总的遗传力变化趋势图中发现,侧根总长的遗传力最大,其次为主根长和茎高,两者相接近,最小为侧根数量。随着时间变化4个性状显著上位效应的总遗传力变化趋势大概可以分为两种模式:先增加后减少和逐渐增加。其中主根长、侧根总长以及侧根数量中互作QTL的总遗传力随着时间先增加后减少,表明随着时间增加,遗传因素对上述3种表型的影响先增强之后又逐渐变弱。而茎高性状中显著上位效应的总遗传力随着时间逐渐增加,表明在胡杨幼苗的生长过程中遗传因素对茎高性状的影响逐渐增强。

    • 为进一步筛选候选基因,我们提取了显著互作标记对应的序列进行功能注释。首先,利用blast软件将序列与Nr数据库进行比对,然后将比对的结果导入到blast2go进行GO功能注释[31]表 2列出了显著SNPs的主要注释结果,主根长、茎高、侧根总长和侧根数量注释的标记数量分别是5、4、5和5,整体注释比例较低;注释SNP的GO功能主要分为3类:细胞组分、分子功能以及生物学过程。其中,细胞组分涉及pentatricopeptide repeat-containing protein At1g52620(GO:0043231)、cytokinin riboside 5′-monophosphate phosphoribohydrolase LOG7(GO:0005634)、ras-related protein RABA2a(GO:0005768)、transcription factor bHLH162(GO:0090575)、glutamate receptor 3.4-like(GO:0016021)、protease Do-like 2, chloroplastic(GO:0009533);分子功能主要涉及vestitone reductase(GO:0045552)、serine/arginine-rich splicing factor SC35-like isoform X1(GO:0003723)、integrase-like protein(GO:0003676)、integrase(GO:0003676)、DNA-directed DNA polymerase(GO:0003676)等;生物学过程主要涉及protein AE7-like(GO:0016226)和BTB/POZ domain-containing protein At5g41330-like(GO:0051260)。注释结果表明,侧根总长和侧根数量存在5个注释结果完全相同的显著标记:lm_ll_3153、lm_ll_11873、lm_ll_11020、lm_ll_11345、hk_hk_3209,其注释结果分别为integrase、DNA-directed DNA polymerase、Retrovirus-related Pol polyprotein from transposon 17.6、glutamate receptor 3.4-like、protease Do-like 2, chloroplastic。

      表 2  2HIGWAS筛选出的上位效应位点注释信息

      Table 2.  Annotation information of loci with epistatic effect filtered by 2HIGWAS

      性状
      Trait
      标记
      Marker
      GO号
      GO ID
      分类
      Classification
      注释信息
      Annotataion
      主根长Taproot lengthnn_np_3087GO:0043231CPentatricopeptide repeat-containing protein At1g52620
      nn_np_6494GO:0016226Pprotein AE7-like
      hk_hk_2726GO:0051260PBTB/POZ domain-containing protein At5g41330-like
      hk_hk_2120GO:0045552Fvestitone reductase
      nn_np_4582GO:0005634Ccytokinin riboside 5′-monophosphate phosphoribohydrolase LOG7
      茎高Stem heighthk_hk_1206GO:0003723Fserine/arginine-rich splicing factor SC35-like isoform X1
      hk_hk_1556GO:0005768Cras-related protein RABA2a
      hk_hk_2155GO:0003676Fintegrase-like protein
      hk_hk_3206GO:0090575Ctranscription factor bHLH162
      lm_ll_3153GO:0003676Fintegrase
      侧根总长Total lateral
      root length
      lm_ll_11873GO:0003676FDNA-directed DNA polymerase
      lm_ll_11020GO:0008445FRetrovirus-related Pol polyprotein from transposon 17.6
      lm_ll_11345GO:0016021Cglutamate receptor 3.4-like
      hk_hk_3209GO:0009533Cprotease Do-like 2, chloroplastic
      lm_ll_3153GO:0003676Fintegrase
      侧根数量Number of
      lateral roots
      lm_ll_3153GO:0003676Fintegrase
      lm_ll_11873GO:0003676FDNA-directed DNA polymerase
      lm_ll_11020GO:0008445FRetrovirus-related Pol polyprotein from transposon 17.6
      lm_ll_11345GO:0016021Cglutamate receptor 3.4-like
      hk_hk_3209GO:0009533Cprotease Do-like 2, chloroplastic
      注:P表示生物学过程、C表示细胞组分、F表示分子功能。Notes:P denotes the biological process, C denotes the cellular component, F denotes the molecular function.
    • 幼苗期是植物生长发育过程中最重要的阶段之一,幼苗的生长发育及存活不仅对植物的后续生长以及种群大小有着重要影响,也在植物种群更新、扩散、群落演替及维持生物多样性中扮演重要角色。胡杨在沙漠生态系统中起着重要作用,是干旱地区的重要生态屏障。胡杨林的更新与维持主要依靠实生苗更新,但其对逆境环境的适应能力较弱,从而成为影响胡杨的更新与分布的瓶颈。干旱,盐碱等胁迫会抑制胡杨生物量的积累,导致分配策略发生变化,最终改变表型从而维持其在逆境环境下的生存[32],因此需要进一步解析胡杨生长的遗传结构,挖掘其内在的生长机制。本研究基于功能作图和2HIGWAS侦测影响胡杨幼苗生长的上位互作,解析影响胡杨幼苗生长的遗传机制。

      由于标记之间的互作检测次数是单标记检测的平方,随着标记数量的增加从而导致侦测基因之间的互作无论从实验、统计还是计算的角度都是一个绝大的挑战[33]。本研究中所使用的2HIGWAS模型具有两大优势:第一,它可以完整描述表型变异中的遗传组分,并能说明这些组分如何通过作用与相互作用来影响最终的表型,弥补了单标记分析只能识别某个位点的边际效应的问题,解决了因忽略不同SNP标记间相关性造成遗传力有偏估计的问题;第二,该模型能够侦测影响表型发育的位点,进而研究关键基因如何以及何时开始影响表型发育[34]。该模型可以有效用于研究早期基因是否可以多效地影响后期表型[35],因此可作为本研究中解析胡杨幼苗生长遗传机制的良好工具。本研究基于2HIGWAS模型对胡杨幼苗生长的主根长、茎高、侧根长以及侧根数量4个表型的上位效应遗传机制进行了解析。其中,4个表型上位互作的遗传力在2%~80%之间波动,侧根总长的遗传力在某些时间点可达80%,这表明上位效应可能在其遗传调控中起重要作用。在拟南芥中,Lachowiec等[36]通过对根长的GWAS研究发现上位效应解释了大部分的表型变异,并用突变分析验证了其中的部分基因,这表明在胡杨中也可能存在类似影响胡杨幼苗根系发育的互作。

      基于2HIGWAS上位效应模型,分别侦测到主根长、茎高、侧根总长和侧根数量分别有24、20、24和25对上位互作,4种表型的显著上位互作不存在重复,均为特异性互作,但上位互作中的标记存在重叠,说明部分基因可能参与多个表型的发育调控。另外,对于侧根总长和侧根数量两个涉及侧根的显著上位互作存在不同,这也说明影响总长和数量两个不同尺度表型变化的遗传调控机制不同。对于主根长、茎高以及侧根总长部分互作SNP分别在连锁群1、19和17集中分布,在这些集中分布区域可能存在与胡杨生长发育相关的候选基因。但从胡杨幼苗生长相关性状的上位显著基因注释结果发现,总体注释的基因比例较少,而且注释基因的功能与胡杨发育有直接关系的证据较少,这主要是由于胡杨研究的基础相对薄弱,特别是功能基因组学研究。本研究基于上位互作,但复杂性状是由多基因控制,是一个调控网络整体调控,因此,后续在系统水平开展对胡杨发育相关的高维QTL网络构建,挖掘关键的枢纽基因将具有更重要的价值。

      与胡杨生长相关的4个性状的遗传力也展现出较大的差异,大部分QTL-QTL互作的遗传力比较小。影响主根长的遗传力随时间在5%~17%的区间内波动;影响茎高的遗传力在5%~16%的区间内波动;影响侧根总长性状显著上位效应的总遗传力波动较大,波动区间为10%~80%;由影响胡杨幼苗侧根数量的显著上位效应的遗传力时序图可知,总的遗传力在2%~9%区间内波动,这说明上位效应随时间变化对表型的贡献也发生变化,在某些时间点贡献较大。总体来看,上位效应可在一定程度上弥补缺失的遗传力,特别是本研究中对侧根总长的影响。因此,需要进一步对侧根生长的上位互作QTL区域的候选基因展开功能组学和分子生物学的研究,这有助于胡杨分子标记辅助育种的开展。

参考文献 (36)

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