基于突变体外显子组测序的小麦抽穗期基因克隆

Wheat is one of the most important food crops both in the world and China. Wheat gene cloning is a key step for wheat functional genomics and improvement. However, the progress of wheat gene cloning is lagging behind rice and other model plants for its huge and complex genome. Therefore, wheat gene cloning has become a big challenge on the world. In our previous study, we constructed a EMS mutant library by using a leading variety Yanzhan 4110.One hundred and eight heading date mutants were identified in this mutant library and a new gene conferring heading date trait was found by genetic mapping.In this proposed project, we design a new strategy to clone wheat heading gene by combining exome capture and next generation sequencing.The exome was captured from bulked DNAs of the backcross population constructed with EMS heading date mutant and its wild type YZ4110. After bioinformatics analysis and functional SNP screening, a new heading gene will be obtained. The proposed project will make a great significance for exploring the method of wheat gene cloning, wheat gene functional study and application.

小麦是世界和我国的最主要粮食作物之一。小麦的基因克隆对于小麦的功能基因组研究与小麦遗传改良意义重大。由于小麦基因组巨大而复杂，小麦基因克隆一直是一个世界性的难题。申请者构建了小麦品种偃展4110 EMS突变体库，鉴定了108个抽穗期突变体，通过遗传作图，发现了新的抽穗期基因。在此基础上，本研究拟利用外显子捕获技术与二代测序技术相结合，进行突变体回交分离群体DNA 分离混合池的全基因组外显子捕获测序，通过生物信息分析及与抽穗期共分离的功能SNP筛选，获得控制小麦抽穗期新的基因。该研究对于探索复杂基因组作物基因克隆方法及小麦功能基因的研究与开发利用均具有十分重要的意义。

小麦是重要的口粮作物，由A、B、D三个基因组组成的超大复杂的异源六倍体作物，相比基因组小的二倍体模式作物水稻来说，小麦的基因克隆工作严重滞后，因此小麦的基因克隆对于小麦的功能基因组研究与小麦遗传改良意义重大。在本项目中我们以小麦EMS突变体及其回交分离群体为材料，利用小麦外显子捕获技术与高通量测序相结合的方法，建立了高效的小麦基因克隆技术体系，并利用该体系克隆了小麦抽穗期基因。我们在前期构建了小麦偃展4110的EMS突变体库，获得了一批抽穗期突变体。 m605在秋播条件下平均比YZ4110晚抽穗至少7天，利用m605与野生型YZ4110杂交并回交获得了遗传背景更接近野生型的抽穗期回交分离群体（m605 x YZ4110 BC3F2:3），遗传分析表明该抽穗期性状是由一对隐性基因控制的，暂命名为TaHdm605，该基因被定位到小麦3DL染色体上，是一个新的控制小麦抽穗期的基因。我们通过一系列的实验摸索，优化了小麦外显子捕获的技术体系-外显子文库由插入片段200bp改为构建300bp文库，这样在不影响测序覆盖密度和深度的情况下，能充分利用了高通量测序150bp的优势；一张芯片捕获多个样品，大大降低了捕获成本；捕获时间由原来的18hr延长到64hr，使捕获效果最佳；PCR循环数控制在10-12时，测序后冗余能控制在比较理想的状态。利用该体系，我们对m605与YZ4110回交分离群体早抽穗与晚抽穗的DNA混池进行捕获、测序，以及用我们优化后的SNP筛选程序进行SNP筛选及验证分析，最终获得了TaHdm605的候选基因，该候选基因与我们利用BSA+RNA-Seq方法和图位克隆方法获得的候选基因是相同的，说明基于突变体外显子组测序的小麦抽穗期基因克隆方法是可行的、高效的。该方法对于加快小麦重要农艺性状基因克隆，促进小麦功能基因组学研究具有重要意义。