油菜芥甘种间杂交导入片段及其整合位点的全基因组分析

Brassica juncea, as an oilseed species, possesses many useful traits which a worldwide major oilseed crop B. napus does not. A number of superior traits such as yellow seed, fertilty restorer, blackleg and shattering resistances have been introgessed into B. napus through the interspecific cross between B.juncea and B. napus (JN cross). Both species are allotetraploids and share the genome A. However, they have a respective B or C genome, which makes the JN cross be a model for characterization of introgressions from different genomes during wide cross. We will use the rapeseed-specific 60k array and genome resquencing to analyze the genomic components of introgression lines from JN cross and identify the introgessed chromosomal fragments and their integration sites by help of bioinformatics methods. Furthmore, we will genetically and physically map the introgressed fragments on B. juncea and associated traits to elucidate similarity and difference of introgressions into B. napus from A and B genomes of B. juncea. This study will find the genomic charateristics of recombinatio hotspots and trace back to genetic reconstruction in B. napus during JN cross, an estimate size and position of introgressed fragments, which provides a scientific foundation of selection of the introgression lines for breeding use and cloning of introgressed gene(s).

芥菜型油菜具有甘蓝型油菜没有的许多优良特性，利用芥菜型油菜与甘蓝型油菜种间杂交（芥甘杂交）已将诸如黄籽、育性恢复基因、黑胫病抗性、抗裂角性等优良性状导入甘蓝型油菜中。它们均为异源四倍体，有共同的A染色体组，但各自有不同的B、C染色体组，芥甘杂交也是研究远缘杂交不同染色体组来源的基因导入的一个良好系统。本项目将通过油菜60K芯片分析和基因组重测序，借助生物信息学手段对芥甘杂交育成的有应用价值的甘蓝型油菜渗入系（即导入系、渐渗系）进行基因组组成分析，阐释导入的芥菜型油菜染色体片段及其整合位置，并结合导入片段的遗传作图、物理作图，分析导入片段的来源染色体，揭示芥菜型油菜同源的 Aj基因组染色体来源的基因和部分同源或不同源的Bj基因组染色体来源的基因向甘蓝型油菜基因组导入的异同。这些研究结果将有助于回溯重组热点区域，估测导入片段所在基因组区域和大小，为导入系的利用和导入基因的克隆提供依据。

前期我们通过异源四倍体芥菜型油菜与同为异源四倍体的甘蓝型油菜种间杂交、自交已培育出具有育种应用价值的甘蓝型油菜渗入系。本项目对这些渗入系进行了农艺、品质性状考察和遗传聚类分析，并从中挑选出175份甘蓝型油菜渗入系和代表性品种进行了简化基因组测序，测序数据与甘蓝型油菜参考基因组比对，鉴定出24244个SNPs和2971个InDel，用STRUCTURE、主成分和进化树对群体结构进行分析，表明175份材料分为3类。关联分析定位芥酸、油酸、硫代葡萄糖苷含量和开花期显著关联的主要位点分别在A08、C03，A02、A09、C09和A03、A10染色体上。进一步挑选了2个甘蓝型油菜渗入系及其亲本用二代测序方法进行重测序，平均覆盖深度45X，与参考基因组相比发现878907个SNP和193942个InDel，利用AlignGraph软件进行了基于参考基因组的重新组装和杂合率分析，利用changepoint R package分析，最终确定52个染色体区间可能存在芥菜导入片段。为了弥补芥菜参考基因组的不足、克服二代测序读长短、计算复杂的问题，我们用Pacbio三代测序技术并用bionano、Hi-C技术和超高密度遗传图谱（含15443个标记）完成了油用芥菜品种的全基因组测序、组装和分析，最终组装出染色体级的油用芥菜基因组，大小为933.50Mb，contig N50 达1.93Mb， scaffold N50 达59.33Mb，基因组完整性达99.60%，组装质量优于所有芸薹属作物已发表的基因组。群体分析结果可指导渗入系的选用，与育种目标性状显著关联的标记和鉴定出的渗入片段可用于新基因发掘和育种选择，染色体级组装的油用芥菜全基因组已用作芥菜群体重测序的参考基因组，研究芥菜的起源驯化和适应性变化，获得的早熟、黄籽高油分种质可用作育种亲本或作品种登记。