粗山羊草全基因组拷贝数变异（CNV）挖掘及相关CNV对普通小麦主要品质性状的影响

Copy number variation (CNV) is one of important genetic variation and widespread among crop genomes, involved many important traits of crops. To explore new approach to searching the functional genes in common wheat by use of D genome sequence information of Ae. tauschii, this project will be carried out by employing a combination of genomics, bioinformatics and molecular biology techniques. The main research as follows: (1)CNV chromosome distribution in D genome, CNV occurrence frequency, the proportion of non-coding sequence to the coding sequence in CNV; (2)Use ordinary PCR, quantitative PCR, FISH, etc. to experimental verification for CNVs detected from sequence analysis above, testing the polymorphisms and chromosome positions of different CNV loci in different materials. (3)By using MLM model, association analysis of candidate CNV will be done with more than a thousand of expanded core collection of materials, and identify the optimal allelic variation that plays an important role in the quality traits corresponding to CNV mentioned above. (4)By means of genome editing technology, 1 ~ 2 CNVs screened by association analysis will be selected to explore the mechanism of influence on the quality traits by the CNV. the project will contribute to understanding the relationship between the D genome CNV and the quality traits of common wheat, and for providing relatively important reference information for the breeding use.

拷贝数变异（CNV）是作物基因组中广泛存在的重要遗传变异之一，与作物许多重要性状有关。为探索利用粗山羊草D基因组序列信息加快普通小麦功能基因发掘的新途径，本项目采用基因组学、生物信息学与分子生物学相结合的技术研究开展以下研究：(1)D基因组CNV染色体分布特征、CNV的发生频率、CNV中的编码序列与非编码序列比例等；(2)对序列分析检测出的CNV采用普通PCR、定量PCR、FISH等技术进行实验验证，检验不同CNV位点在不同材料中的等位多态性及其染色体位置；(3)以扩大后的千余份核心种质为关联分析材料，进行候选CNV的关联分析，找出对该品质性状起重要作用的最优等位变异；(4)选取1~2个经关联分析确定的重要CNV采用基因组定向编辑技术进行CNV对该品质性状影响的机制探讨。本研究将有助于深入了解D基因组拷贝数变异与普通小麦品质性状间的关系，并为下一步育种利用提供重要参考信息。

作为普通小麦D染色体组的供体，粗山羊草D基因组中含有普通小麦特有的且发生了明显拷贝数扩增的品质相关基因。正是由于粗山羊草基因组的加入，使普通小麦的品质性状得到了明显改良。本项目重点探索了粗山羊草全基因组水平的CNV中涉及由Glu-3位点编码的LMW-GS基因的CNV及其与小麦品质的关系。发现粗山羊草基因组不同染色体不同区域间存在的拷贝数较多的CNV主要是一些重复序列。不同染色体不同区域所含有的对应存在于1号染色体上不同区域的CNV数量分布上来看，不同染色体不同区域表现有一定差别。在2号染色体和1号染色体特定对应区域检测到存在长达约1.7Mb的同源区，表明该基因组区段为基因组加倍后遗留的痕迹，或者是基因组片段加倍的产物。粗山羊草全基因组中LMW-GS基因是五个拷贝。采用保守引物扩增后pacbio测序的方法进行小麦基因组LMW-GS基因的拷贝数变异研究是切实可行的。本研究开发了一种能够快速、有效的从批量contig中批量获取不同麦类植物LMW-GS基因的编码区序列的方法，为进行该类基因的功能研究奠定了良好的基础。采用本研究所介绍的方法基本搞清了不同筋度类型的有代表性的近60份小麦品种基因组中LMW-GS基因的拷贝数变异情况及部分优质小麦品种基因组中LMW-GS基因的构成。发现品质不同的小麦品种中A、B、D亚基因组上结构正常的LMW-GS基因的数目是不同的，优质强筋小麦品种基因组中一般D亚基因组含有较多的结构正常的LMW-GS基因。在小麦全基因组中找到了很多可能涉及小麦品质的多个染色体上在两个及以上环境都存在显著关联的位点，其中包含编码多拷贝的LMW-GS基因的Glu-3位点，也包含编码多拷贝的小麦γ、ω醇溶蛋白基因的Gli-1位点，及编码多拷贝的α-醇溶蛋白基因的Gli-2位点。研究结果为深化对小麦品质性状的遗传控制的认识及优质小麦品种的培育提供了一定的理论参考。