基于关联分析的大豆含硫氨基酸关键基因发掘与调控网络解析

Soybean is the most important protein source plant. However, the sulfur containing amino acid content in soybean is so fewer that it limits the nutritional value of soybean protein. To increase the sulfur containing amino acid content has been one of the most important goals to improve soybean quality. Because soybean sulfur-containing amino acids were regulated by multiple genes, expressing of individual genes usually to improve the effect of sulfur-containing amino acid composition was not significant. Only to the overall analysis, genes can effectively reveal the genetic regulation of sulfur-containing amino acids. In this project, 12 sulfur-containing amino acid metabolic enzyme genes, one 11 s globulin Gy4 gene and nine regulating genes will be used as candidate genes. The sulfur-containing amino acids of 240 germplasm materials will be analyzed and genetic and environmental effect values will be evaluated through two years at three locations. Then a single candidate gene will be associated analyzed separately and the genes significantly associated with sulfur-containing amino acid composition will be explored. Through the differentially expressed genes and gene linkage disequilibrium (LD) analysis, the interaction between genes, parsing gene transcriptional regulation mechanism, excellent allele speculation will be explained. This study will describe polygenic regulatory inheritance mechanism for soybean sulfur-containing amino acids and provide a technological foundation for high sulfur-containing amino acid soybean breeding.

大豆是重要的植物蛋白来源之一，但含硫氨基酸组分较少，限制了其营养价值，提高含硫氨基酸组分已成为改良大豆品质的重要目标之一。大豆含硫氨基酸受多基因调控，通过表达个别相关基因通常对提高含硫氨基酸组分的效果不显著。只有对多基因进行整体分析，才能有效揭示含硫氨基酸的遗传调控。本项目利用已挖掘到的12个含硫氨基酸代谢途径酶基因、1个11S球蛋白Gy4基因及9个调控基因为候选基因，以240份种质为材料，通过2年3地含硫氨基酸数据分析，评估遗传及环境效应值。然后分别对单个候选基因进行关联分析，发掘与含硫氨基酸组分显著相关的基因，进而通过基因的差异表达及多基因连锁不平衡（LD）分析，了解基因间的相互作用方式，解析基因的转录调控机制，推测优异等位基因组合。本研究将阐述大豆含硫氨基酸的多基因遗传调控机制，并为提高含硫氨基酸组分、培育高含硫氨基酸大豆品种奠定技术基础。

大豆蛋白是人类以及禽畜的重要营养源之一，氨基酸组成与牛奶蛋白相近，是一种比较完全的蛋白质，唯独缺乏人体必需的蛋氨酸。大豆蛋白品质影响大豆产品的市场竞争力，蛋氨酸含量是首要限制因素。大豆中蛋氨酸含量一般仅为12mg/g 蛋白，这与世界卫生组织和中国营养学会推荐的、符合人体营养健康需求的26mg/g差距甚远。为满足人们日益提高的营养需求，提高栽培大豆含硫氨酸组分已成为大豆品质改良的重要目标之一。.多环境下鉴定了含硫氨基酸组分，方差分析显示基因型效应、环境效应以及基因型和环境的互作效应均显著地影响蛋氨酸与半胱氨酸含量（P<0.01）。广义遗传力结果显示，目标性状的遗传率较高，表明群体中含硫氨基酸含量虽然受环境影响，但大部分变异主要来源于遗传因素。.利用SLAF-seq技术对样本群体进行全基因组简化测序，共得到1,819,858个群体SNP，用于GWAS分析的SNP为100174个。基于SNP，将样本群体分为12个亚群。其中Kinship值在0-0.1之间的占总数的86.61%，0-0.4之间的占总数的99.05%。表明288份种质资源中大部分材料相互之间亲缘关系较远，极少数材料有较近的亲缘关系，品种之间存在着丰富的遗传变异和广泛的代表性。.基于关联群体SNP分子标记、遗传结构、Kinship矩阵以及蛋氨酸含量数据，利用TASSEL5.0软件的混合线性模型进行全基因组关联分析。得到与蛋氨酸显著关联SNP位点18个，分别位于1、2、3、7、9、10号等染色体，表型变异解释率9.33-26.48%，表明有控制蛋氨酸含量的主效位点。与半胱氨酸显著关联的位点30个，分别位于2、3、5、6、7、8号等染色体，表型变异解释率11.39-23.90%，表明有控制半胱氨酸含量的主效位点。同时与两个目标性状显著关联的SNP位点1个，为rs103233657，候选基因为Glyma.10G037100。同时筛选到Glyma.02G118500、Glyma.03G037700、Glyma.07G053900等与含硫氨基酸含量显著相关。其中Glyma.03G037700为含硫氨基酸合成途径关键酶基因，Glyma.02G118500与Glyma.07G053900调控Glyma.10G037100（11S球蛋白G4亚基）的表达。