中国大豆种质资源群体基因组变异的区段特征分析

The population genomic variation analysis based on high throughput sequencing enables directly revealing the genetic characteristics of populations at the sequence level. However, previous studies are typically based on single SNP survey, therefore the results are limited to the bi-allelic variation of SNP marker, and cannot fully capture the variation of complex multiple alleles existed widely in germplasm population. In the present study, a large representative sample of Chinese soybean germplasm population, including wild soybean and cultivated soybean was used to establish a genome-wide high-density SNP genotype data set through whole genome re-sequencing. By comparing and evaluating the advantages and limitations of various methods proposed in human studies for haplotype block and gene haplotype in soybean, an improved chromosome segment analysis approach especially for self-pollinated plant germplasm population will be explored and used to model genomic variation by haplotypes within a chromosome segment. Accordingly, the characterization of chromosome segment in the experimental population will be performed, and the distribution and transmission pattern of haplotypes will be analyzed to explore the hot and conserved chromosome segments and haplotypes under selection during soybean domestication. Finally, based on the phenotypic data of agronomic traits, the key candidate genes related to artificial evolution of Chinese soybean will be identified and verified by a novel QTL/gene mapping strategy with chromosome segments.

基于高通量测序的群体基因组研究为直接从序列层面解析群体遗传特征提供了方法，然而以往分析通常基于单个SNP标记，结果必然局限于SNP仅有的两个等位变异，不能全面反应资源群体内普遍存在的复等位基因变异。本研究拟采用包括野生大豆、栽培大豆地方品种和育种品种的中国大豆代表性大样本作为试验群体，使用重测序技术建立全基因组高密度SNP基因型数据库，通过比较评价多种提出自人类研究的单倍型区块与基因单倍型分析方法在大豆中的适用性与局限性，探索适合于自花授粉植物资源群体的染色体区段分析方法，以利用染色体区段单倍型解析基因组变异特征。通过全面分析试验群体的染色体区段特征并解析单倍型的群体分布特征及传递规律，发掘大豆驯化过程中染色体的热点选择区段、单倍型以及优异亲本的保守区段。最后结合大豆农艺性状表型数据，通过建立基于染色体区段的QTL/基因定位策略，鉴定中国大豆人工进化关键候选基因并进行功能分析。

基于高通量测序的群体基因组研究为直接从序列层面解析群体遗传特征提供了方法，然而以往分析通常基于单个SNP标记，结果必然局限于SNP仅有的两个等位变异，不能全面反应资源群体内普遍存在的复等位基因变异。本项目采用包括127份野生大豆、424份大豆地方品种和199份大豆育种品种的中国大豆代表性大样本作为试验群体。采用重复内分组试验设计，在两个环境下对试验群体进行了田间试验，鉴定了包括百粒重、开花期、主茎节数等重要农艺性状。通过对试验群体的5X深度基因组重测序，经质量控制后共获得2745637个高质量SNP分子标记。利用全基因组高密度SNP基因型数据，通过比较评价多种单倍型区块与基因单倍型分析方法在大豆中的适用性与局限性，结合基于连锁不平衡置信区间的区段划分与基因区段进行染色体区段划分，建立了适合于植物资源群体的染色体区段分析新方法SNPGLDB。使用新方法在试验群体全基因组上获得了185569个染色体区段SNPGLDB标记，包括48465个基因区段和137104个位于基因间区域的连锁不平衡区段。SNPGLDB标记共含有750019个等位变异，平均每个位点含有4.04个等位变异，等位变异数目变化范围为2~24个。从野生材料到地方品种再到育成品种，基因组包含的多态性区段和等位变异数目逐渐减少，但三个亚群之间仍共享多数的多态性区段以及等位变异。地方品种继承野生材料大部分等位变异并累积了新突变、丢失了部分变异，育成品种继承地方品种大部分多态性区段和等位变异的同时丢失了大量等位变异。利用亚群间位点多态性和遗传分化系数，筛选到2569个驯化相关区段和1257个改良相关区段，分别注释到1132和565个候选基因。最后基于SNPGLDB标记，对试验群体的百粒重、开花期、主茎节数等进化相关性状进行了遗传解析，分别检测到65、63和85个QTL，分别含有690、724和465个等位变异，分别解释了90.92%、99.08%和94.53%的表型变异，并注释了中国大豆人工进化相关候选基因。本项目为研究基因组遗传变异提供了新思路，研究结果有助于大豆种质资源的研究与利用。