毛白杨木材品质性状全基因组关联分析及关键基因的功能解析

Detection and dissection of genetic regulators of wood-property traits of perennial woody plants germplasm resources and verification their function, is important for complex traits analysis of germplasm resources of perennial woody plants. In our project, combining with the genome re-sequencing, RNA- sequencing data of Populus tomentosa and base editing technique, we use 528 individuals of germplasm populations from P. tomentosa to systematically launch several research topics as follows: 1) Genome wide association analysis of wood property traits; 2) Construction of transcriptional regulation network involved in wood property traits; 3) Biological function analysis of associated SNPs using base editing technique. Therefore, our study could reveal the genetic variation of wood-property traits of poplar, dissect the roles of wood properties associated SNPs on transcriptional regulation and their genetic effects, and reconstruct the genetic regulatory pathways related to wood quality of P. tomentosa. This work will provide innovative achievements on solving the significant theoretical and technical matters in protection and utilization of germplasm resources of perennial woody plants.

如何全面、准确、高效地检测影响多年生植物种质资源木材品质的遗传调控位点并对其生物学功能进行验证是本项目拟解决的关键科学问题。本项目以毛白杨优异种质资源（528株个体）为材料，基于已完成的种质资源群体重测序数据，并联合利用群体转录组测序和单碱基编辑技术，系统开展：（1）毛白杨木材品质性状的全基因组关联分析以筛选关键遗传调控位点；（2）毛白杨木材品质性状遗传调控位点的转录调控网络构建；（3）联合单碱基编辑技术对毛白杨木材品质遗传调控位点的生物学功能进行解析。研究结果将揭示毛白杨优异种质资源木材品质性状遗传变异规律，阐明毛白杨种质资源木材品质关键遗传调控位点的遗传效应与转录调控机制，并重构毛白杨木材品质性状的关键遗传调控通路。项目的实施，将为多年生木本植物核心种质木材品质性状的评价与利用提供原创性成果，具有重要的科学价值。

本项目综合运用遗传学、基因组学、转录组学以及基因组编辑技术等多学科交叉的技术手段，系统、准确地解析了调控毛白杨优异种质资源木材品质的关键调控位点，创建了木材形成的转录调控网络，揭示了关键基因调控木材品质性状的分子机制。主要研究结果如下：通过测定毛白杨种质资源群体木质纤维的7种单糖和2种糖醛酸的含量精准表征了毛白杨木材品质性状，并利用全基因组关联分析策略和上位性分析模型系统解析了木材品质性状的遗传效应成分（加性、显性与上位性），共鉴定得到87个基因与单糖性状显著关联。通过建立毛白杨种质资源群体维管组织转录谱数据库（包含35,854个基因和4,266个lncRNA），并利用eQTL策略解析了木质部转录单元的转录遗传效应；通过整合GWAS、eQTL和上位性互作等结果，创建了“基因组-转录组-表型”联合分析策略，构建了木材品质性状的遗传调控网络；并通过度量每一基因节点的连接度，筛选得到了网络中的连接度最高的枢纽基因，PtoDPb1。进而利用基因编辑等分子生物学技术，揭示了PtoDPb1的等位变异一方面影响了与上游激酶PtoWAK106的互作效率从而调控PtoDPb1的表达，另一方面PtoDPb1的等位变异通过影响与PtoE2Fa2的蛋白互作效率进而调控PtoUGT74E2的表达，最终影响木材组织的纤维素合成，由此构建了影响毛白杨木材品质的重要遗传调控通路PtoWAK106-PtoE2Fa2-PtoDPb1-PtoUGT74E2。本项目系统解析了毛白杨木材品质性状的遗传结构并挖掘了调控木材形成的关键等位基因，为开展林木分子设计育种提供了重要的理论基础和技术支撑。