杨树木质素生物合成途径关键基因SNPs的加性、显性与上位性遗传解析

The conversion efficiency of lignocellulosic biomass to ethanol and processing of wood into paper are determined largely by lignin contents, composition and linkage structure. Here, on the basis of the nucleotide sequences of all 28 key genes in lignin biosynthesis in model plants, 45 unrelated individuals, randomly selected from Populus tomentosa natural population, are subsequently used to perform the PCR amplification and full-length sequencing of all 28 genes, and then investigate SNPs/haplotype diversity, distribution pattern and linkage disequilibrium. The genotyping data of all Tag-SNPs in 450 individuals of P. tomentosa natural population are obtained by using Pyro-sequencing system. Combing the phenotyping data of 12 growth and wood-property traits measured previously, we uncover the additive, joint and haplotype effects conferred by SNPs within the 28 key genes in lignin biosynthesis pathway, using a novel association model for identification of additive, dominant, and epistatic effect of quantitative variation; And finally, we identify the key genes and functional markers for growth and wood-property traits. This item provides the importance model of pathway-based multiple gene associations to uncover the genetic mechanisms underlying lignin biosynthesis, and may drive novel progress in molecular marker-assisted selection (MAS) breeding with the goals of improving the quality and quantity of wood products.

在木材工业中，木质素含量、组成、与结构直接影响木质纤维生物质发酵产物乙醇的转化率和制浆造纸过程中纸浆的得率。本项目依据克隆得到的木质素生物合成途径28个关键基因的核苷酸序列，以毛白杨天然种质基因库中按种源随机选取的45株个体的总DNA为模板进行PCR扩增和测序；分析候选基因在群体中SNPs/单体型多样性、分布模式与连锁不平衡水平；利用Pyro测序技术准确地测定目标SNPs在毛白杨自然群体450株个体中的基因型并建立基因型数据库；结合完成的12个生长及木材纤维品质性状的群体表型数据，利用数量性状联合遗传学策略系统解析木质素生物合成途径28个关键基因内SNP对表型性状的边际效应、联合效应、与单体型效应（加性、显性、与上位性），并发掘主效遗传因子与功能标记位点。通过本项目的研究，不仅为探索木质素生物合成的分子遗传基础提供极为有利的模式系统，而且为木材品质的基因标记辅助育种奠定重要的理论基础。

林木重要经济性状如木材化学组分是受生物学形成途径上多基因、多位点联合调控的数量性状，其遗传调控机制十分复杂，由加性、显性与上位性遗传效应协同作用。利用林木种质资源群体开展木质素生物合成途径关键基因内等位变异的发掘与主要遗传效应联合解析工作，将会有效推动木质素形成的分子机制研究进展。本项目以毛白杨种质资源基因库群体（450株个体）为研究材料，大规模克隆了木质素单体生物合成途径C3H、C4H2、CAD、4CL、CCR、PAL、MYB与CCOAOMT等28个关键候选基因全长序列，发现了1659个SNP、144个SSR与724个InDels位点，建立了基因内3种标记的群体基因型数据库。随后，在系统评价木质素生物合成基因内SNP、SSR与INDEL的群体等位变异规律与连锁不平衡水平的基础上，利用MLM模型，获得了与木质素含量、微纤丝角、纤维长度等13个生长与木材品质指标显著关联的107个SNPs及其组成的185个单体型，每一SNP位点可解释表型变异的2.5%-17.9%；发现了具有加性/显性的功能SNP位点可形成固定的单倍型组合影响着不同的表型变异；在P < 1.0 ×10-3阈值下，利用epiSNP模型发现321个显著的SNP-SNP与10个生长及木材品质性状形成显著的上位性关联组合，代表了来自于22个候选遗传因子内391个SNPs，发现了林木数量性状受关键节点基因与微效多基因的联合上位性作用。最后，利用群体重测序数据，进一步研究了木质素合成通路中201个关键酶基因及其相关的190个lncRNA，32个miRNA及81个转录因子等位变异效应，发现了lncRNA位于该遗传调控网络的枢纽位置，可通过与其它遗传因子以等位位点互作的形式影响表型变异，阐明了木质素合成相关途径关键调控因子的等位遗传互作机制。研究结果对于系统认识木质素生物合成遗传调控模式，推动数量性状分子遗传进展具有重要的科学意义；以此制定的林木基因标记辅助育种策略，为优异种质早期选育提供了重要的理论基础与技术支持。