基于连锁分析的山核桃无融合生殖遗传研究

Apomictic plants reproduce asexually through seeds. Although apomixis is genetically regulated and progress has been made in the study of regulatory mechanism, its core genetic component(s) has not been determined yet and relevant genes have not been isolated. Little is known on how genes control apomixis, distribution / specific loci of these genes throughout the whole genome, and how to integrate the role of these genes into plant breeding. It has been proven that genetic mapping based on linkage analysis is a powerful way to solve these problems, which aims at dissecting a complex phenotype into its individual quantitative trait loci (QTLs) acting on the phenotype. But the existing statistical methods can't be used to analyze the linkage among molecular markers in apomictic plants. Based on what we have achieved and problems we found in our previous studies, this study will develop a series of statistical models to be used in the analysis of multi-year accumulated phenotypic data of perennial forest trees and functional mapping, develop co-dominant SSR markers and establish a methylation-sensitive amplified polymorphism (MSAP) protocol to analyze populations established for study of apomictic hickory in terms of linkage analysis. It is expected to solve the problem, through this study, of linkage analysis in apomictic species and how to integrate apomixis into conventional population genetics.

无融合生殖是通过种子的无性繁殖。尽管是遗传调控的，其调控机制研究至今取得了进展，但尚未确定其核心遗传元件，未分离到相关的基因。人们对基因如何控制无融合生殖，这些基因在整个基因组的分布，在植物育种中如何整合这些基因的作用所知甚少。基于连锁分析原理的遗传定位是解决这些问题强有力的方法，它旨在将复杂的表型解析成各个对表型发生作用的称之为数量性状位点的基因，但现有的统计方法不能直接用来分析无融合生殖植物分子标记之间的连锁。本项目在前期研究的基础上，将发展适用于多年生林木多年积累表型数据分析及功能定位的模型，并针对无融合生殖山核桃研究中发现的问题，开发共显性SSR标记，建立甲基化敏感扩增片段多态（MSAP）分析体系，将其用于山核桃无融合生殖研究群体材料的分析，从连锁分析的角度研究山核桃的无融合生殖，以期解决无融合生殖植物的连锁分析，及在普通群体遗传中整合无融合生殖的问题。

基于控制无融合生殖基因尚无确定的现实，采用基于连锁分析的遗传定位方法对植物无融合生殖开展研究。利用雌雄同株物种两个个体间互交子代组成的作图群体分子信息，将连锁分析进行扩展，构建多项式分布似然函数，采用EM算法来估计无融合生殖的比率，并检测其在正反交子代群体或亲本物种间的差异；将其用于山核桃与薄壳山核桃正反交子代基因组DNA标记数据分析，结果发现二物种均存在无融合生殖，且山核桃无融合生殖的程度比薄壳山核桃高，无融合生殖变异大，不同的染色体区域无融合程度不同。基于混合模型的似然函数，将母本的基因型分解成二种可能由减数分裂过程及无融合生殖过程产生的组份，用EM算法来识别减数分裂及无融合生殖的基因型，进而估计标记与QTL的连锁关系，即QTL的定位；该模型能较好地估计包括QTL引发的母本效应、加性效应、印迹效印、QTL位置及无融合生殖率在内的所有参数，且检测能力强，假阳性率低，既使遗传力及样本大小中等，估计的精度随着样本量及遗传力的增加而增加，可用于任何类型数据的遗传作图，不管其是否无融合生殖；应用发现在山核桃中是杂合但在薄壳山核桃中是纯合的1个QTL，其印迹效应大于其加性效应，在子代苗高生长上呈明显的母本效应，说明以山核桃为母本，以薄壳山核桃为父本对杂种苗的苗高生长有益，且在发现的QTL中山核桃的无融合生殖程度较高(无融合生殖率θ1=0.76)，而薄壳山核桃几乎没有无融合生殖(θ2=0）。基于山核桃花果测序数据，开发了SSR标记，但该标记在山核桃中大多呈单态性。用建立的甲基化敏感扩增多态(MSAP)标记体系分析山核桃亲子代(半同胞)及山核桃与薄壳山核桃正反交子代，发现山核桃中存在杂交，与苗木生长表型分析结果一致。基于山核桃与薄壳山核桃正反交子代4种遗传标记数据，构建了山核桃(2n=32)15个连锁群的遗传图谱，发现其中4个连锁群上均为MSAP遗传标记，说明甲基化对遗传位点的发现有影响，无融合生殖与甲基化有关。无融合生殖与杂交性均有益生产，但无疑增加了研究的难度。