结合GWAS与RNA-seq技术发掘油菜侧根发育关键基因

Rapeseed oil has been the predominate source of domestic vegetable oil in China. Breeding cultivars with select root architecture contributes to improving yield of rapeseed and ensure supply safety of domestic vegetable oil. In our previous study, the Brassica napus association analysis population with 349 core accessions was scanned by whole-genome scanning using 60K SNP chip. We analyzed relations between root characters and yield using 80 accessions from the association analysis population. The statistical results suggested that numbers of lateral roots and dry weight of lateral roots showed significant correlations with phosphorus content of leaf and yield of rapeseed. And total lateral roots of 8 accessions with extreme lateral root architecture selected by hydroponics and sand culture were used to RNA sequencing. In this project, we are planning to investigate phenotypes of lateral root characters of the association analysis population by hydroponics and sand culture, respectively. Then candidate genes related to lateral root development are expected to be obtained by integration of genome-wide association analysis and associative transcriptomics analysis. Subsequently, the genomic variation profiles of these genes will be analyzed in the association analysis population. The molecular markers and genes related to lateral root development are expected to be identified by this approach. The research results of this project are expected to provide theoretical guidance for uncovering the molecular mechanism of lateral root development and molecular breeding of select root architecture.

菜籽油是我国食用植物油的重要来源，培育优良根构型品种是提高油菜产量、保障我国食用油供给安全的有效途径。项目前期筛选了349份遗传背景丰富的甘蓝型油菜种质组成关联群体，并用60K SNP芯片构建了其基因型数据库。通过聚类从中筛选出80份材料用于根系性状分析，结果表明侧根数、侧根干重与油菜叶片磷含量和产量性状显著相关。而后利用水培和沙培从这80份材料中筛选出8份侧根发育极端的材料进行转录组测序。在此基础上，本项目拟利用水培和沙培对关联群体的侧根相关性状进行鉴定，基于SNP分析，对其进行全基因组关联分析。同时通过侧根发育极端材料的表达谱分析，获得与侧根性状关联表达的基因。整合全基因组关联分析和关联表达分析结果，发掘油菜侧根发育关键基因。开发分子标记或利用DNA测序分析这些基因在关联群体中变异规律，获得油菜根系发育的优良等位基因和分子标记，为解析油菜侧根发育分子机制和油菜根构型育种提供科学依据。

根系是土壤与植物地上部之间物质传递的重要桥梁，培育优良根构型品种是提高油菜产量的有效途径。本研究确定水培可部分反映大田根系发育状况，据此建立了低成本、高通量的油菜群体根系表型精准鉴定水培体系。利用该体系对油菜核心关联群体和一个重组自交系群体营养生长阶段 5 个连续的时期：发芽 13 天（13DAS），移苗后 10 天（10DAT），3 叶期（3EL）、5EL和 7EL的根系性状和生物量进行鉴定。全基因组关联分析（GWAS）获得 134 个与根系性状显著关联的 SNP 标记，被整合到 48 个有效的 QTL 簇中。其中，在营养生长早期（13DAS 和/或 10DAT）和晚期（3EL 和/或 5EL 和/或 7EL）均能检测到的 QTL 簇有 16个，仅能在营养生长早期或晚期检测到的 QTL 簇分别为 16 个，表明营养生长阶段的确存在“持续型”和“时期特异型”两种根系发育遗传因子。通过6份根系极端材料的转录组测序，从中筛选到 618 个差异表达基因，这些差异表达基因的功能分析表明激素代谢（尤其是生长素）、信号转导以及离子转运等过程与根系发育密切相关。GWAS 和转录组数据整合共获得 32 个候选基因，位于 48 个 QTL 簇的单倍型区间内。位于 C08 上的两个位点Rt.C08-1 和 Rt.C08-2 在水培 5 个时期均能重复检测，为控制根系发育的持续型QTL 位点，利用单倍型分析以及候选基因功能注释初步获得了 Rt.C08-1 和Rt.C08-2 上控制根系发育的候选基因并开发了与其连锁的分子标记，其中 GWAS 和 RNA-seq 整合分析获得的候选基因 BnaC08g**010D 位于 Rt.C08-2 单倍型区间内，为该区间内重要的候选基因。此外，重组自交系群体QTL扫描在A07染色体上检测到两个控制侧根发育的主效QTL位点Rt.A07-1和Rt.A07-2，其中Rt.A07-1在低氮和低钾条件下能重复检测，解释表型变异率最高为17.1%。Rt.A07-2 在水培 5 个时期和大田苗后期均被检测，且最高贡献率达 36.2%，目前将该主效 QTL 位点精细定位至 11kb内，该区间只有 3 个候选基因。本研究获得的4个根系发育主效QTL位点对油菜侧根数具有很大效应，通过调控侧根发育，提高生物量从而提高油菜产量，本研究为油菜油料根构型育种提供材料和理论依据。