大家好，今天給大家分享的是一篇關(guān)于鑒定玉米葉片發(fā)育相關(guān)基因的文章盗飒。
文章題目：A forward genetics approach integrating genome-wide association study and expression quantitative trait locus mapping to dissect leaf development in maize (Zea mays)（GWAS與表達(dá)量性狀定位相結(jié)合的玉米葉片發(fā)育正向遺傳學(xué)研究）
期刊：The plant journal
影響因子：2020_IF = 6.417; 中科大類: 生物 2區(qū); 中科小類: 植物科學(xué) 1區(qū); JCR分區(qū): Q1
發(fā)文單位：意大利圣安娜高級研究學(xué)院生命科學(xué)研究所前方、比利時根特大學(xué)等5家單位架曹。
文章作者：圣安娜高級研究學(xué)院Mara Miculan為第一作者莫杈，Matteo Dell’Acqua為通訊作者。
摘要：玉米（Zea mays）葉片發(fā)育的遺傳基礎(chǔ)特征研究能幫助育種家獲得具有更高活力和生產(chǎn)力的新品種挎挖。本研究以197個玉米重組自交系（RILs）為材料这敬，對其苗期多個葉片性狀進(jìn)行分析。正向遺傳學(xué)方法結(jié)合RNA測序和SNPs用來精確定位參與葉片發(fā)育的候選基因蕉朵。首先崔涂，將葉片性狀與基因表達(dá)水平相關(guān)聯(lián)，以確定轉(zhuǎn)錄-性狀相關(guān)性始衅。然后冷蚂，在GWAS研究中，將葉片性狀與SNPs進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析汛闸。最后蝙茶，對38個共表達(dá)模塊中的所有轉(zhuǎn)錄本進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析。通過整合正向遺傳學(xué)方法诸老，作者鑒定了25個高度富集于特定功能類別的候選基因隆夯，為支持液泡質(zhì)子泵、細(xì)胞壁效應(yīng)器和囊泡交通控制器在葉片生長中的作用提供了證據(jù)别伏。這些結(jié)果解決了玉米葉片性狀測定的復(fù)雜性蹄衷，為玉米精確育種提供了依據(jù)。
作者在該研究中采用了一種整合轉(zhuǎn)錄組學(xué)厘肮、表型分析和GWAs的正向遺傳學(xué)方法愧口，用來確定與玉米葉片性狀相關(guān)的基因組位點(diǎn)和候選基因（圖1）。第一步是表達(dá)水平和葉片表型之間的關(guān)聯(lián)类茂。第二步是確定標(biāo)記-性狀關(guān)聯(lián)（MTAs）與GWAS耍属。最后一步是獲得eQTL托嚣，并將它們與性狀-表型關(guān)聯(lián)和MTA聯(lián)系起來。然后厚骗，作者進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)分析注益，同時描述了一個復(fù)雜的相互作用網(wǎng)絡(luò)的生物途徑有助于葉片發(fā)育，確定了25個候選基因參與葉性狀的生物過程溯捆。
主要結(jié)果：
1. 群體的基因型特征
RNA-seq分析產(chǎn)生了373769個SNP，主要位于端粒區(qū)域（圖 1a）厦瓢。 遺傳多樣性分析表明提揍，每個RIL集都聚集在其相應(yīng)的親本之間，而 MAGIC 種群顯示出更高的多樣性（圖 1b）煮仇。LD衰減分析發(fā)現(xiàn)劳跃，在2號染色體上觀察到的LD衰退最慢（1.34 Mb），在10號染色體上觀察到的LD衰退最快（0.66 Mb）浙垫。
圖1. 基因型多樣性和LD衰減圖刨仑。(a)染色體SNP密度。SNP的數(shù)量用顏色表示夹姥。(b)群體結(jié)構(gòu)杉武。用前兩個主成分對親本和RILs做圖。 (c)每條染色體的LD衰減圖辙售。
2. 性狀與轉(zhuǎn)錄水平關(guān)聯(lián)
在雙親和多親本RILs中轻抱，葉片伸長率（LER）、細(xì)胞分裂區(qū)大械┎俊（DZ-size）和葉片長度均呈正相關(guān)祈搜。葉片伸長持續(xù)時間（LED）與LER呈負(fù)相關(guān)（圖2a，b）士八。計(jì)算所有保留基因轉(zhuǎn)錄水平與性狀值的之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)（PCC）容燕，以得出其表達(dá)與表型顯著相關(guān)的基因，以下稱為PCC基因婚度。通過該方法蘸秘，共鑒定出1327個獨(dú)特的PCC基因，這些基因很少同時與多個性狀相關(guān)（圖2c）陕见。
圖2. 性狀和轉(zhuǎn)錄本之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)(PCCs)秘血。雙親（a）和多親（b）RIL群體性狀間的PCCs用餅圖表示。（c）性狀間PCC基因的重疊评甜。
3. SNP關(guān)聯(lián)的性狀和eQTL分析
通過eQTL分析得到了871461個顯著關(guān)聯(lián)灰粮。一般認(rèn)為，關(guān)聯(lián)的SNPs和轉(zhuǎn)錄本之間的距離<1 Mbp歸類為local忍坷，而其余的eQTL被認(rèn)為是distant粘舟。根據(jù)這一定義熔脂，發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)關(guān)聯(lián)是distant eQTL（52%）。LED的PCC-eQTLs和GWA-eQTLs數(shù)目最多柑肴，涉及2617個SNP和601個基因霞揉。對于該性狀，一個SNP可以影響51個轉(zhuǎn)錄本的表達(dá)水平晰骑。LER是與最少數(shù)量的PCC-eQTL和GWA-eQTL相關(guān)的表型适秩，轉(zhuǎn)錄本和MTAs之間有154個關(guān)聯(lián)，涉及77個SNP和72個基因（圖3）硕舆。
圖3. SNP和GWA-eQTLs在基因組中的位置秽荞。x軸上為顯著的GWA-eQTLs的基因組位置。y軸上為GWA-eQTLs靶向的轉(zhuǎn)錄本在基因組上位置抚官。顯著的GWA- eQTL用灰點(diǎn)表示扬跋。在GWA-eQTLs和PCC-eQTLs中同時鑒定到的轉(zhuǎn)錄本用彩色的圈表示。
4. 共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析
為了更全面地了解驅(qū)動葉片發(fā)育的分子機(jī)制凌节，對每個RIL群體進(jìn)行加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析（WGCNA）钦听。葉長與6個模塊相關(guān)，LER與1個模塊相關(guān)倍奢，LED與8個模塊相關(guān)朴上，DZ大小與6個模塊相關(guān)（P<0.05）。只有品紅卒煞、棕褐色和青色模塊與除LER外的所有性狀相關(guān)（圖4a）余指。候選模塊的GO注釋（FDR<0.05）分析顯示在次級細(xì)胞壁生物發(fā)生（品紅和深橙色模塊）跷坝、細(xì)胞周期阻滯和生長素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（tan模塊）、木質(zhì)素分解代謝過程（深橙色模塊）柴钻、肽生物合成過程（淺青色模塊）和轉(zhuǎn)錄共激活活性（青色模塊）中顯著富集。與性狀相關(guān)的候選模塊比與性狀無關(guān)的模塊具有更高的模塊內(nèi)平均連接性（kWithin贴届，即給定基因與同一模塊的基因的連接程度）和更低的模塊間平均連接性（kOut靠粪，即給定基因與模塊外基因的連接程度）毫蚓。所有模塊均表現(xiàn)出負(fù)平均連通性差異（kDiff）占键，即模塊內(nèi)和模塊間連通性的差異元潘，只有5%的基因具有正kDiff值（圖4b）畔乙。
圖4. 共表達(dá)分析。(a)共識模塊-特質(zhì)關(guān)聯(lián)翩概。每行對應(yīng)一個共有模塊特征基因牲距，每列對應(yīng)一個特征牍鞠；每個單元格中的數(shù)字為相關(guān)值咖摹。星號表示顯著相關(guān)难述。 (b） 共識模塊的連通性度量。第一個面板對應(yīng)于模塊內(nèi)連接（kWithin）硫眯，第二個面板對應(yīng)于模塊間連接（kOut）择同，第三個面板對應(yīng)于模塊內(nèi)和模塊間連接的差異（kDiff）净宵。在每個面板中，左邊的箱線圖報告了與性狀不相關(guān)的模塊的連通性度量择葡，而右邊的箱線圖則是與性狀相關(guān)的模塊。每個點(diǎn)的顏色與模塊名稱相對應(yīng)阻星。
5.挖掘候選基因
該研究中共有25個基因?qū)?yīng)的轉(zhuǎn)錄本已添，其表達(dá)水平與其中一個性狀（PCC基因）同時相關(guān)，并由同一性狀的一個或多個MTAs控制更舞。例如缆蝉，位于2號染色體上50.5 Mb的SNP增加了位于2號染色體上5.19 Mb的兩個PCC基因（ZM00001D0064）和位于Chr 4上177.54 Mb的兩個PCC基因（Zm00001d052047）的表達(dá)，而降低了位于2號染色體上141.2 Mb的PCC基因（ZM00001D04822）的表達(dá)刊头。在該位點(diǎn)具有純合突變等位基因的RIL顯示出較低的DZ大小、LED和葉長值印颤，同時加強(qiáng)了靶向轉(zhuǎn)錄本在確定表型中的可能作用（圖5）穿肄。
圖5. eQTL對基因表達(dá)和表型值影響的例子往产。位于2號染色體上 50,479,366位置的SNP影響三個基因（Zm00001d002064編碼糖基轉(zhuǎn)移酶某宪、Zm00001d052047編碼bZIP轉(zhuǎn)錄因子和Zm00001d004822編碼未知功能的蛋白質(zhì)）的轉(zhuǎn)錄水平以及DZ大小、LED和葉長的表型值蔼囊∫旅裕基因型0為純合參考基因型，基因型1為雜合壶谒，基因型2為純合突變基因型。DZ让禀，分區(qū)陨界；eQTL，表達(dá)數(shù)量性狀位點(diǎn)菌瘪；LED，葉片伸長持續(xù)時間
作者通過全基因組關(guān)聯(lián)研究與表達(dá)量和性狀定位相結(jié)合的方法糜工，鑒定了25個影響葉片發(fā)育的候選基因录淡，解決了玉米葉片性狀測定的復(fù)雜性，為玉米精確育種提供了依據(jù)钮莲。
文中所有圖片均來自A forward genetics approach integrating genome-wide association study and expression quantitative trait locus mapping to dissect leaf development in maize (Zea mays)**
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參考文獻(xiàn)：
1.Miculan, M., Nelissen, H., Hassen, M. B., Marroni, F., Inze, D., & Enrico, M. (2021). A forward genetics approach integrating genome-wide association study and expression quantitative trait locus mapping to dissect leaf development in maize (Zea mays).
