CN107447022B - 一种预测玉米杂种优势的snp分子标记及应用 - Google Patents

一种预测玉米杂种优势的snp分子标记及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种预测玉米杂种优势的SNP分子标记，所述预测玉米杂种优势的SNP分子标记共有64个，其中1号染色体11个，2号染色体4个，3号染色体8个，4号染色体3个，5号染色体14个，6号染色体3个，7号染色体7个，8号染色体7个，9号染色体6个，10号染色体1个。本发明的64个分子标记能够用于预测来源于我国国内Reid类种质与唐四平头类种质中自交系的杂种优势，减少玉米杂交组合品种比较试验的成本，提高玉米育种的准确性。

Description

一种预测玉米杂种优势的SNP分子标记及应用
技术领域
本发明属于分子生物学技术领域，具体涉及一种预测玉米杂种优势的SNP分子标记及应用。
背景技术
玉米是杂种优势利用最成功的作物。玉米杂交种不仅能显著提高籽粒产量，而且能显著提高对生物胁迫和非生物胁迫的抗性。在玉米遗传育种的发展过程中，育种家们创制了许多杂种优势类群，比如国内种质的旅大红骨类群、唐四平头类群，热带种质的Suwan类群、Tuxpeno类群，美国种质的Reid类群、Lancaster类群等，不同类群之间都具有不同程度的杂种优势。随着玉米商业化育种流程的建立，育种家们越来越趋于杂种优势类群简单化，并在不同的生态区建立自己的核心杂种优势类群，比如在美国商业化育种程序中，所有不同来源的玉米种质被简化为SS(Stiff-stalk)类群和NSS(non-stiff-stalk)类群；在中国黄淮玉米主产区，育种家们最常用的杂种类群为Reid类种质与唐四平头类种质，这两类种质具有较高的特殊配合力，其中国内种植面积位居前两位的玉米杂交种郑单958、浚单20都是利用这个杂优模式。
但是在玉米的遗传改良过程中，需要不断地融入其他不同来源的新种质以适应环境、气候等因素的变化和玉米生产的需求。因此，对玉米新种质杂种优势的预测变得日益重要。
发明内容
本发明提供的一种预测玉米杂种优势的SNP分子标记及应用，能够预测来源于Reid类种质与唐四平头类种质中自交系的杂种优势。
本发明的第一个目的是提供一种预测玉米杂种优势的SNP分子标记，所述预测玉米杂种优势的SNP分子标记共有64个，具体如下表所示：
表1 64个SNP分子标记信息
Figure BDA0001403609610000021
Figure BDA0001403609610000031
Figure BDA0001403609610000041
本发明的第二个目的是提供一种上述预测玉米杂种优势的SNP分子标记在预测Reid类种质与唐四平头种质之间的杂种优势中的应用。
本发明的第三个目的是提供一种上述预测玉米杂种优势的SNP分子标记在玉米分子标记辅助育种中的应用。
与现有技术相比，本发明提供的一种预测玉米杂种优势的SNP分子标记及应用，具有以下有益效果：
(1)本发明利用国内应用最广泛的玉米自交系郑58、昌7-2、黄早四、掖478为亲本材料，构建不同的杂交组合，通过对亲本自交系及其杂交组合的转录组进行测序。基于不同杂交组合的表型数据和转录组测序数据，筛选杂种优势相关的基因，利用等位基因SNP变异频率开发SNP分子标记，旨在制作能够预测玉米杂种优势的基因芯片，可以解决现有玉米基因芯片技术存在的不足。
(2)本发明的64个SNP分子标记在原有基因芯片的基础上，补充我国国内玉米自交系的数据，预测应用最广的Reid类种质与唐四平头类种质衍生自交系的特殊配合力，能够用于预测来源于Reid类种质与唐四平头类种质中自交系的杂种优势，减少玉米杂交组合品种比较试验的成本，提高玉米育种的准确性；利用转录组数据获得等位基因的SNP变异位点，具有更低的位点缺失率和杂合率；64个SNP标记对亲本之间杂种优势预测的准确率在70-95％，能够清晰地划分中国的玉米杂种优势群。
附图说明
图1是以父本为对照，母本上调基因的GO富集性分析图；
图2是以父本为对照，母本下调基因的GO富集性分析图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明，但不应理解为本发明的限制。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
近十年来，随着基因组测序技术的不断发展和测序成本的不断降低，特别第三代玉米参考基因组的成功组装，为玉米功能基因的挖掘和分子育种效率的提高提供了极大的帮助。其中，基因芯片技术是玉米遗传育种中应用最广泛的技术。该技术的应用不仅依赖于基因芯片所含标记的数量，而且还取决于标记在基因组中的分布及其所含的信息。目前，已经有多款玉米基因芯片推向市场，其中最成熟的两款基因芯片是IlluminaMaizeSNP50BeadChip和600K Affymetrix Axiom Maize Genotyping Array。本发明是在原有芯片的基础上，以黄淮玉米主产区的Reid类骨干自交系和唐四平头类骨干玉米自交系为材料，通过转录组测序技术获得差异表达的等位基因，并以此为基础，结合杂交组合的产量表现，挖掘与杂种优势相关的SNP位点，用于预测Reid类种质与唐四平头类种质改良自交系的杂种优势。
1试验材料与方法
以玉米自交系郑58、昌7-2、掖478、黄早四为亲本，构建郑58/昌7-2，郑58/黄早四，掖478/昌7-2，掖478/黄早四等4个杂交组合，亲本自交系和杂交组合分别种植在3000株/亩和4500株/亩的密度条件下，设三个生物学重复，授粉后15天取穗位叶，并提取RNA，用于转录组测序。并在不同密度条件下，对不同的杂交组合和自交系进行小区测产，及穗部性状考种。
2杂种优势相关候选等位基因的筛选
2.1母本自交系与父本自交系差异表达等位基因的筛选
利用Audic-Claverie统计方法，以pvalue≥0.05标准，同时需满足fpkm平均值大于0.5的范围，计算并筛选4500株/亩和3000株/亩的种植条件下，郑58和掖478样本fpkm值表达量相等的基因集(A1)；利用同样的方法，计算4500株/亩和3000株/亩的种植条件下，昌7-2和黄早四样本fpkm值表达量相等的基因集(B1)。
利用Audic-Claverie统计方法，以pvalu<0.05标准，同时需满足fpkm平均值大于0.5，计算基因集A1和基因集B1表达量有差异表达的等位基因集(C1)。
2.2差异表达等位基因的功能富集性分析
利用超几何分布检验方法计算差异等位基因集C1中每个GO条目中差异基因富集的显著性。计算的结果会返回一个富集显著性的p值，小的p值表示差异基因在该GO条目中出现了富集，Enrichment score计算公式为：
Figure BDA0001403609610000061
其中，N为所有基因中具有GO注释的基因数目；n为N中差异表达基因中具有GO注释的基因数目；M为所有基因中注释为某特定GO term的基因数目；m为注释为某特定GO term的差异表达基因数目。差异等位基因集C1功能富集性分析如图1和图2所示。其中，图1为以父本为对照，母本上调基因的GO富集性分析图，图2为以父本为对照，母本下调基因GO富集性分析图。
3差异等位基因与产量性状杂种优势率的关联分析
3.1杂种优势率的计算
杂种优势率是指杂交种某一数量性状的平均值与双亲同一性状平均值的比值。杂种优势率＝F1/(P1+P2)/2。
利用上述公式计算郑58/昌7-2，郑58/黄早四，掖478/昌7-2，掖478/黄早四等4个杂交组合在4500株/亩的种植密度条件下的产量性状的杂种优势率。根据考种数据结果分析表明：4个杂交组合的杂种优势率的顺序依次为(郑58/昌7-2)>(掖478/昌7-2)>(郑58/黄早四)>(掖478/黄早四)，详细杂种优势率数据见表2。
表2 4500株/亩密度条件下不同杂交组合的杂种优势率
组合名称 小区产量 杂种优势率
郑58 2.88 NA
掖478 2.71 NA
昌7-2 2.5 NA
黄早4 2.18 NA
郑58/昌7-2 6.36 2.36
掖478/昌7-2 5.88 2.26
郑58/黄早四 5.62 2.22
掖478/黄早四 5.22 2.13
3.2差异表达基因与杂种优势率的关联分析
根据母本自交系与父本自交系筛选出来的差异表达等位基因集C1，计算不同差异表达等位基因在4个不同杂交组合中的表达模式，筛选在不同杂交组合中表达模式完全一致的差异等位基因。并根据差异等位基因在杂交种中的表达量，利用SPSS回归分析方法筛选与不同杂交组合杂种优势率显著正相关差异等位基因24个(见表3)，显著负相关差异等位基因22个(见表4)。
表3杂种优势率正相关差异表达等位基因
Figure BDA0001403609610000071
Figure BDA0001403609610000081
表4杂种优势率负相关差异表达等位基因
Figure BDA0001403609610000082
Figure BDA0001403609610000091
4.杂种优势相关等位基因SNP多态性分析
对3.2中差异正相关和负相关等位基因SNP的多态性进行分析，选用SNP结果质量值(QUAL)不低于20进行过滤结果，Coverage大于等于80％的作为纯合态。郑58/昌7-2，郑58/黄早四，掖478/昌7-2，掖478/黄早四等4个杂交组合中杂种优势相关等位基因的SNP多态性结果见表5。
表5杂种优势相关等位基因SNP多态性分析结果
Figure BDA0001403609610000092
Figure BDA0001403609610000101
Figure BDA0001403609610000111
Figure BDA0001403609610000121
Figure BDA0001403609610000131
Figure BDA0001403609610000141
Figure BDA0001403609610000151
5杂种优势预测相关SNP分子标记的开发与验证
基于杂种优势相关等位基因的SNP多态性的分析结果，并根据SNP/INDEL所在位置的类型，我们主要选取了每一个差异等位基因编码区内以错义突变为主的SNP，并兼顾了非编码区的SNP，最终我们筛选出64个SNP分子标记用于预测Reid类种质与唐四平头种质之间的杂种优势。
同时，我们选取来源于不同类型的Reid类种质和唐四平头种质组配了不同类型的杂交种并进行了遗传性状分析，利用荧光定量PCR的方法对46个候选基因(其中包括与杂种优势率正相关的22个，负相关的24个)在杂交组合(郑58/昌7-2，郑58/黄早四，掖478/昌7-2，掖478/黄早四)中的表达模式进行了分析，利用64个SNP标记(转化为KASP标记)在亲本自交系中进行了基因型分析。结果表明：46个候选基因的表达量及表达模式与杂交组合中的产量表现及杂种优势率完全吻合；64个SNP标记对亲本之间杂种优势预测的准确率在70-95％。其中1号染色体11个，2号染色体4个，3号染色体8个，4号染色体3个，5号染色体14个，6号染色体3个，7号染色体7个，8号染色体7个，9号染色体6个，10号染色体1个，具体如表6所示，表6中也包括了郑58/昌7-2，郑58/黄早四，掖478/昌7-2，掖478/黄早四等4个杂交组合中亲本的基因型。
用于SNP标记预测杂种优势的基础有二：1.候选杂种优势相关基因的筛选。这些候选基因在不同杂种优势类群的亲本自交系中表达量显著差异，在相同类群中表达量无差异，并且在杂交种中的表达模式一致，而且与产量性状密切相关。2.SNP标记的筛选。在候选基因选择的基础上，进行多态性分析，我们主要筛选以错义突变和非编码区为主的SNP标记作为候选的SNP标记用于预测。
表6 64个用于预测Reid类种质与唐四平头种质之间的杂种优势SNP分子标记
Figure BDA0001403609610000161
Figure BDA0001403609610000171
Figure BDA0001403609610000181
利用开发的SNP分子标记制作玉米的基因芯片是目前最常用的技术，现有的玉米基因芯片技术存在的不足之处是：第一，在数据平台方面，主要是以美国玉米自交系B73的参考基因组数据为基础，缺乏中国国内玉米种质基因组数据；第二，在芯片功能方面，主要以基因分型和QTL定位为主；第三，数据来源方面，主要来源于基因组数据，覆盖率低，芯片位点分布不均衡，缺乏转录组数据方面的信息。
本发明利用基因组测序技术在不同的密度条件下对Reid类种质的代表性自交系郑58和掖478、唐四平头类种质的代表性玉米自交系昌7-2和黄早四进行转录组测序，旨在发掘这两类玉米种质类群中对杂种优势起重要作用的核心序列，基于差异基因的表达模式和核心序列SNP的变异频率，开发SNP分子标记，从而预测来源于Reid类种质与唐四平头类种质中自交系的杂种优势，减少玉米杂交组合品种比较试验的成本，提高玉米育种的准确性。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种预测玉米杂种优势的SNP分子标记组，其特征在于，所述预测玉米杂种优势的SNP分子标记组为64个SNP分子，具体如下表所示：
表64个SNP分子标记信息
Figure FDA0002519126650000011
Figure FDA0002519126650000021
Figure FDA0002519126650000031
2.一种权利要求1所述的预测玉米杂种优势的SNP分子标记组在预测Reid类种质与唐四平头种质之间的杂种优势中的应用。
3.一种权利要求1所述的预测玉米杂种优势的SNP分子标记组在玉米分子标记辅助育种中的应用。
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