杨树木质部差异表达基因内插入、缺失的发生及其遗传效应

插入、缺失（Insertion-Deletion, INDEL）是物种演化过程中形成的自然遗传变异，具有重要的表型遗传效应。依据在杨树木质部高丰度表达的100个基因的核苷酸序列设计引物，以毛白杨基因库中选择的40株个体的总DNA为模板进行PCR扩增和测序；分析这些基因在群体中INDELs的频率、分布模式和LD延伸长度，以及所有INDELs的单体型；利用Pyro测序技术准确地检测候选INDELs在毛白杨自然群体500株个体中的基因型并建立基因型档案；结合木材品质表型资料，分析候选INDELs及其单体型对表型性状的影响。组合这100个基因的INDELs与表型的连锁关系和标记辅助育种选择的策略选择理想的变异单株。申请者认为，以毛白杨自然群体为模式，在林木中开展"杨树木质部差异表达基因内插入、缺失的发生及其遗传效应"工作，将为林木木材品质基因辅助育种以及工业用材林的培育奠定良好的技术和材料基础。

序列插入与缺失变异（Insertion-Deletion, INDEL）是物种基因组水平上分布最为广发的结构变异类型之一，特别是先前在人类与模式植物中的研究表明， INDEL在重要疾病发生与表型形成过程中发挥了重要的遗传调控作用。然而，当前在多年生的林木树种中对INDEL标记的研究几近空白。近几年，随着高通量测序技术的飞速发展，极大地推动了基因组及其候选基因内INDELs 的开发与数量性状功能效应遗传解析研究工作的进展。因此，本课题首次通过联合高通量转录组测序与群体重测序技术开展杨树木质部差异表达候选基因内INDEL标记的发掘、多样性评价与连锁不平衡检测工作；在此基础上，利用包含435株野生毛白杨个体的关联作图群体进行候选基因内INDEL变异与生长及其木材品质性状的加性、显性与上位性效应联合解析研究。结果表明：来自于杨树木材组织（形成层、初生木质部与成熟木质部）的679个差异表达基因不均匀地分布在杨树19条染色体上，共包含高质量的INDELs 29223个；其中，二元INDEL类型占据主要的地位，约占总INDELs 的90.7%。基于天然群体的关联作图研究显示，来自于159个差异标记基因的226个INDELs （FDR, q < 0.10）在加性与显性效应下可与所有10个生长与木材品质性状显著关联，而单INDEL标记可平均解释表型变异的14.1%，显著高于以往基于候选基因内SNP及其SSR标记的遗传效力（约5.0%），表明了INDEL标记在数量性状解析中重要的功能角色。而约50%的INDELs （来自于25%的差异表达基因）至少与两个以上数量性状显著关联，反映了木材品质性状生物合成占据并分享共同的遗传调控途径。随后，利用荧光定量PCR技术检测到15个基因在其包含的群体INDEL 基因型分组间差异表达（P< 0.01），揭示了候选基因内INDEL变异具有功能性调控作用。上位性关联分析表明，针对每一性状，不同基因间可形成独特的多基因上位互作网络，可真实反映数量性状特定生物学通路上多因子遗传调控生物学网络。本项目作为首次在林木中大规模开展差异表达基因内INDEL变异的开发与群体数量性状遗传解析研究，为开展林木数量基因组学研究与分子辅助育种提供了重要的遗传变异资源与科学理论基础。