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玉米抗丝黑穗病的全基因组关联分析

作　者: 王明
导　师: 郑用琏
学　校: 华中农业大学
专　业: 生物化学与分子生物学
关键词: 玉米自交系丝黑穗病 SNP 连锁不平衡关联分析抗病基因
分类号:
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

玉米丝黑穗病是由丝轴黑粉菌sporisorium reilianum引起的真菌性病害,严重影响玉米的产量性状,是制约玉米发展的重要病害之一。利用分子育种提高玉米品种抗病性,是减少病害造成产量损失的有效途径,而抗病基因的挖掘和抗病功能标记的开发是抗病分子育种的理论前提。近年来,随着高通量基因型分型技术的发展和关联分析理论的不断完善,植物中全基因组关联分析的研究越来越多,但目前对玉米丝黑穗病的遗传研究仍为鲜见,本研究旨在通过高密度的基因分型技术结合全基因组的关联分析,定位玉米抗丝黑穗病相关的基因,并探讨可能存在的抗病机制,主要研究结果如下：1.以0.1kb,0.2kb,0.5kb, lkb,2kb,5kb,10kb,30kb,50kb,100kb,300kb,500kb,1Mb,3Mb,5Mb,40Mb,50Mb和100Mb为步长,研究144份玉米自交系的连锁不平衡(linkage disequilibrium,LD)的衰减距离。结果表明：不同染色体及全基因组染色体上,随着步长距离的增加,LD急剧下降。并在不同染色体上衰减速率不同,第一染色体衰减较快,第十染色体衰减较慢。当LD衰减cutoff值设定为0.1时,144份玉米自交系的LD平均衰减距离约为200kb；2.选取PCA+K, Q+K和K三种混合线性模型,只有Q的模型一般线性模型,只有PCA的模型的一般线性模型,没有Q也没有PCA的模型一般线性模型,总共六种模型,进行关联分析。通过模型的比较分析,选取Q+K模型为最适合的抗丝黑穗病的关联模型；3.对两年两地144份自交系人工接种条件下的抗性表型和MaizeSNP50芯片分析的SNP基因型进行全基因组关联分析,检测到19个SNPs与玉米抗丝黑穗病关联,这些SNPs位点分布于玉米十条染色体上,其中第一、第三、第四和第十染色体只检测到1个抗病位点,19个位点中有8个抗性位点与前人利用连锁作图得到的定位信息一致。大多数SNPs位于基因附近。这些基因可分为三类,一类为抗病基因,如第八染色体上与NBS-LRR类型抗病基因同源的基因；一类为抗病相关基因,如第四染色体上与编码tubby-like蛋白类似基因；一类为可能在抗病反应中发挥作用的基因,如2.04bin的Antifreeze基因。以上结果从一定程度上反应了玉米抗丝黑穗病机制的复杂性；4.对其中2.09bin位点进行了候选区段的丝黑穗病抗性基因的关联分析。在144份玉米自交系材料的目标区域内获得1.6Mb长度的序列结果,其中包括231个SNPs和82个Indels标记。候选区段关联分析表明基因GRMZM2G166566的9个位点SNPs对抗丝黑穗病起关键作用；5.对玉米全基因组关联分析中发现的NBS类型抗病基因,利用已经测序公共数据库,以玉米自交系B73基因组为参考序列,对NBS结构的候选抗病基因进行了基因总数、类型、系统进化关系等分析。

全文目录

摘要  7-9
Abstract  9-11
缩略语表  11-13
第一章前言  13-36
  1.1 玉米丝黑穗病概述  13-17
    1.1.1 玉米丝黑穗病的危害  13
    1.1.2 玉米丝黑穗病的病原特征和发病症状  13-14
    1.1.3 丝黑穗病生理小种的分化  14-15
    1.1.4 玉米丝黑穗病的抗性鉴定  15
    1.1.5 玉米丝黑穗病的防治  15-16
    1.1.6 抗丝黑穗病QTL定位进展  16
    1.1.7 丝黑穗抗病机理研究进展  16-17
  1.2 植物抗病基因研究进展  17-25
    1.2.1 植病互作模型  17-18
    1.2.2 植物抗病基因的特征和分类  18-21
    1.2.3 NBS类抗病基因的功能和作用机制  21-24
      1.2.3.1 LRR的结构和功能  22
      1.2.3.2 NBS类基因的进化  22-24
    1.2.4 植物抗病基因的克隆方法  24-25
  1.3 玉米种质与遗传多样性  25-27
  1.4 关联分析与连锁不平衡  27-35
    1.4.1 连锁不平衡和遗传连锁  28
    1.4.2 连锁不平衡的度量  28-29
    1.4.3 影响植物中的连锁不平衡的因素  29-30
    1.4.4 关联分析的一般方法  30-33
      1.4.4.1 关联群体的构建  30
      1.4.4.2 群体结构和亲缘关系的评估  30-32
      1.4.4.3 表型的检测  32
      1.4.4.4 基因型测定  32-33
      1.4.4.5 表型与基因型的关联分析  33
    1.4.5 关联分析的研究进展  33-34
    1.4.6 关联分析的挑战  34-35
  1.5 本研究的目的与意义  35-36
第二章玉米全基因组NBS类型抗病基因分析  36-49
  2.1 材料和方法  37-38
    2.1.1 全基因组NBS类型抗病基因的鉴定  37
    2.1.2 NBS类型基因的分类  37-38
    2.1.3 NBS基因特殊结构域的预测和转座元件的预测  38
    2.1.4 NBS类型基因的染色体定位  38
    2.1.5 NBS类型基因系统进化树的构建  38
    2.1.6 NBS类型基因的表达  38
  2.2 结果与分析  38-46
    2.2.1 NBS类型候选基因的确定和分类  38-39
    2.2.2 N端结构分析  39
    2.2.3 NBS区域序列分析  39-40
    2.2.4 LRR和C末端结构分析  40
    2.2.5 NBS类型抗病基因的特殊结构  40-41
    2.2.6 NBS类型抗病基因中的转座元件  41-42
    2.2.7 NBS类型抗病基因的染色体物理定位  42-43
    2.2.8 NBS类型抗病基因的系统发生分析  43-45
    2.2.9 NBS类型基因与其它基因组的比较及进化分析  45
    2.2.10 玉米NBS类抗病基因的表达分析  45-46
  2.3 讨论  46-49
第三章抗玉米丝黑穗病的全基因组关联分析  49-77
  3.1 材料与方法  50-53
    3.1.1 材料  50
    3.1.2 田间试验与性状调查  50
      3.1.2.1 田间种植  50
      3.1.2.2 病原菌接种  50
      3.1.2.3 丝黑穗病抗性鉴定  50
    3.1.3 SNP基因型鉴定  50-52
    3.1.4 遗传多样性分析  52
    3.1.5 群体结构分析  52
    3.1.6 遗传率的计算  52-53
    3.1.7 LD的计算  53
    3.1.8 基因注释  53
    3.1.9 亲缘关系(Kinship)的计算  53
    3.1.10 抗丝黑穗病性状和标记的关联分析  53
    3.1.11 候选区段关联分析  53
  3.2 结果与分析  53-65
    3.2.1 表型统计分析  53-54
    3.2.2 基因分型结果  54-56
    3.2.3 144个自交系的遗传组成及种质类群的划分  56-61
    3.2.4 LD的分布  61-62
    3.2.5 亲缘关系的评估  62
    3.2.6 关联分析  62-65
      3.2.6.1 关联分析模型的选取  62-63
      3.2.6.2 关联分析所揭示的候选基因  63
      3.2.6.3 候选基因的关联分析  63-65
  3.3 讨论  65-77
    3.3.1 玉米抗丝黑穗病的抗性筛选  65-66
      3.3.1.1 玉米抗丝黑穗病抗性的鉴定  65-66
      3.3.1.2 玉米丝黑穗病抗源的鉴定  66
    3.3.2 SNP芯片在遗传多样性分析中应用  66-67
    3.3.3 SNP标记与玉米杂种优势群的划分  67-68
    3.3.4 比较SSR和SNP标记在遗传多样性和遗传分析中的应用  68
    3.3.5 稀有等位基因  68-69
    3.3.6 玉米染色体上的LD的分布  69-70
    3.3.7 关联SNP标记与已知玉米抗丝黑穗病抗性QTL比较分析  70
    3.3.8 关联分析所揭示的抗病复杂性  70-73
    3.3.9 关联分析所揭示的复杂抗病网络  73-75
    3.3.10 候选区段基因关联分析  75
    3.3.11 关联分析的阈值选取  75
    3.3.12 育种的应用  75-77
参考文献  77-97
附录  97-102
致谢  102

玉米抗丝黑穗病的全基因组关联分析

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