厚壁毛竹种质性状成因的全基因组扫描

Bamboo forests play important roles in the economic, social and cultural constructions in our country. Bamboo industry is a sunrise industry of our country. Moso bamboo is one of the best economic bamboo species with largest distribution area, most accumulation on volumes, highest production and best research degree. Phyllostachys edulis 'Pachyloen', a cultivar of moso bamboo, is the only germplasm with obvious thick wall, massive biomass and genetic stability. It owns desirable traits for its wood and shoots. Based on high throughput DNA genomere-sequencing technology,We research on the detection, annotation and analysis of single nucleotide polymorphisms (SNP), insertion deletion loci(InDel), structure variation (SV) and copy number variations (CNV) through sequence alignment reference work with known Moso bamboo genome, exploring the molecular basis of specific germplasm.And we will make genome-wide association study to get thorough understanding about the genome variation and structural characteristics, screening and classification of SNP markers which associated closely with the genes and gene families who might play significant roles in the specific phenotype, finding and locating the genes and regions associated closely with the important phenotype in bamboo genome, and trying to draw a whole genome SNP makers map of them finally.This research will provide important theoretical and practical significance for the genetic engineering and improvement of cultivation for bamboo plants, as well as the increasing of productivity for bamboo forests.

厚壁毛竹是在毛竹种质资源中发掘的唯一一份竹壁显著增厚，生物量大，遗传稳定的品种，具材用、笋用优良性状。本研究将在获得厚壁毛竹全基因组重测序数据的基础上，通过与毛竹基因组序列比对，在全基因组层次高效、快速发现大量单核苷酸多态性位点（SNP）、插入缺失位点（InDel）、结构变异位点（SV）及拷贝数变化(CNV) 等，深入分析厚壁毛竹全基因组的结构与组成，并与毛竹开展全基因组关联分析（GWAS），整合转录组数据，定位重要性状的相关基因、基因家族或基因组区段，绘制全基因组差异位点图谱，解析厚壁毛竹特有的种质性状形成的分子基础,丰富经济林优良性状形成研究，对毛竹遗传学研究、品种培育具有重要的科学和生产意义。

厚壁毛竹秆壁显著增厚，遗传稳定，是研究竹子秆壁发育的重要材料。本研究主要开展了了以下工作：.1. 首次组装获得约1.98G厚壁毛竹基因组草图（N50=107.04 K），与毛竹基因组相似率仅为64.7%，提示我们两者的种内亲缘关系可能存疑。对23万个SNP位点中位于CDS区的同义和非同义替换分析显示，距今1100-1500年间的大量非同义突变可能导致厚壁毛竹特殊种质的形成，推测可能与魏晋南北朝盛行植竹的大强度人工选择有关。.2. 获得厚壁毛竹/毛竹笋芽各8个月转录组数据2.4-6.1 Gb/1.4-5.8 G，比对基因34,761-38,015个/31,319-37,841个，与毛竹参考基因组比对率64-80%/70-86%。厚壁毛竹在笋萌动期3月和快速生长期4月差异表达基因分别高达3,881个（上调2,075个，下调1,806个）和2,331个（上调1,178个，下调1,153个）。.3. GO和KEGG分析显示，厚壁毛竹笋期显著上调基因集中在休眠后期的2月，涉及细胞壁（纤维素等）合成，以及光传导、苯氨酸代谢等途径，并在3-4月快速生长期保持较高表达量，表明笋内的细胞壁合成开始高度活跃，其中，可能与秆壁增厚相关的283个突变基因也被筛查发现。.4. 厚壁毛竹的细胞壁合成调控网络显示，扩张蛋白和伸展蛋白基因在2-3月显著上调，细胞壁关键成分多糖、木质素等胞外转运的小泡运输相关基因表达量较高，从而原细胞壁松弛，物质运输活跃；AUX/IAA、GH3、SAUR（生长素信号）、CesA类（纤维素合成）、Csl类（非纤维素合成）、AL/C4H/HCT/C3H（木质素合成）等关键基因当年11-12月和次年2月表达量远高于同期毛竹，揭示出厚壁毛竹笋的休眠期短于毛竹，更久的细胞壁合成期为秆壁增厚提供了更多的物质积累。.5. 为挖掘可关联遗传分析的目标性状，项目开展了毛竹高纯度纤维素的提取，厚壁毛竹表面润湿性能研究，不同地区毛竹的物理、力学性质和细胞结构性状的遗传分析。此外，还完成了40个毛竹居群RAD测序、桂林开花毛竹重测序与居群进化分析，以及毛竹等8种植物的FL-LTR基因组进化研究。. 通过以上的组学大数据的整合分析，本研究全面解析了厚壁毛竹种质特性的分子基础，对竹类基因组学和遗传育种工作具有重要科学和实践意义。