基于bin水平的全基因组关联分析解析水稻8亲本高世代互交群体分蘖角的遗传基础

Multi-parent advanced generation inter-cross population (MAGIC) integrates the advantages of populations for linkage analysis and populations for genome-wide association mapping. Therefore it is recommended that QTL mapping with a MAGIC population possesses a powerful QTL detection with a high mapping resolution. However, up to date, QTL mapping for MAGIC population is mainly conducted with SNP-level genome-wide association study, which does not fully express the advantages of MAGIC population in QTL mapping. In this project, we will dissect the genetic basis of tiller angle for an 8-parent advanced generation inter-cross population of 560 F7 lines. We will measure tiller angle for the population at heading stage, sequence the 8 founders with a 20-fold genome coverage and sequence the MAGIC lines with a 5-fold coverage each. All SNPs among 8 founders will be identified and parent-of-origin bins for each line will be defined based on identical by state (IBS) and identical by decent (IBD). The bin map will be developed and the residual heterozygous bins of each MAGIC line will be recorded. Based on a mixed model, we will establish a genome-wide association mapping method at bin-level to map QTLs for tiller angle. The effects of parental alleles or bins at major QTLs will be evaluated and favorable alleles will be identified for breeders. According to the position of a previously detected major QTL, qTA8, the line with the heterozygous-targeted bin will be screened. And qTA8 will be cloned using the progeny of the line. Implementation of this project will enhance the power of QTL mapping of MAGIC population, and provide gene resources and theory instruct for plant architecture improvement in rice.

多亲本高世代互交群体（MAGIC）兼有关联分析群体和连锁分析群体的优点，因此，它在QTL定位能力和精度方面更有优势。但是，当前此类群体的QTL定位还是基于SNP水平的全基因组关联分析，没有充分发挥这类群体的优势。我们将利用包含560个F7家系的8亲本MAGIC群体，测定开花期的分蘖角度；对每个亲本和群体进行基因组深度测序，鉴定亲本间所有SNP，根据序列状态同一和后代同一信息，确定每个bin的亲本来源，建立群体的bin图，明确所有系的残余杂合bin。建立基于混合模型的bin水平的全基因组关联分析方法，揭示水稻分蘖角的遗传基础，评价主效QTL不同亲本等位基因效应，鉴定出优良等位基因。利用目标bin为杂合的MAGIC系自交后代，图位克隆前期定位的主效QTL qTA8。本项目的实施将创建提高MAGIC群体基因定位能力的方法，解析水稻分蘖角的遗传基础，为水稻株型育种提供基因资源和理论指导。

MAGIC群体具有双亲本群体和种质资源群体二者的优势。它有更高的遗传多样性和较高的等位基因频率，同时有更高的机会检测到更多的QTL。多代杂交产生的丰富重组事件能够打破群体结构并提高作图分辨率。但在过去的研究中MAGIC群体在QTL定位中的优势没有完全发挥出来，主要因为所用的GWAS使用SNP作为基因型数据。单个双等位基因型SNP不能准确反映多亲本的等位基因。.通过成对杂交的策略构建了一个4亲本MAGIC群体。利用用滑动窗口中群体与亲本的IBS和IBD关系构建了MAGIC群体的全基因组bin图，共有5,934个bin，覆盖了97%的基因组。重组率分析显示在十二条染色体的着丝粒区域都有明显的重组抑制发生，在第5和第12染色体上各有一个重组热点。并分别使用了基于bin和基于SNP的GWAS检测三个环境中MAGIC群体的抽穗期及品质相关QTLs。.通过选择遗传多样性大的8个品种，经过3轮成对杂交，又构建了一个8亲本MAGIC群体。系统发生树及主成分分析显示MAGIC群体不存在明显的群体结构。8亲本对群体基因组的贡献除了MH63偏高为15%以外，其余亲本的贡献基本相当，为11.4%~12.7%，符合预期。基于四亲本MAGIC群体的研究，我们开发了构建bin图的流程，并构建了8亲本MAGIC群体的bin图，共有12,405个bin，覆盖98.6 %的基因组。和四亲本MAGIC群体相比，此bin图展现了更高的遗传多样性和更多的重组事件。对抽穗期进行GWAS分析，基于SNP水平的GWAS在2017和2018年分别检测到4个和5个QTL。基于bin水平的GWAS在2017年和2018年分别检测到6个和5个QTL。.另外，利用8亲本MAGIC群体，我们检测到3个主效分蘖角QTLs，包括此前4亲本MAGIC群体检测到的主效QTL qTA8。遗憾的，在我们的研究过程中，该位点已发表（TIG1）。我们克隆了控制水稻分蘖角基因OsHOX1和OsHOX28。.总体而言，基于bin的GWAS在MAGIC群体中有更高的作图能力和更高的分辨率，并且能够为育种提供有利的等位基因。值得鼓励使用遗传多样性更大的亲本构建MAGIC群体来检测重要农艺性状中更多的QTL。本项目的实施开发了提高MAGIC群体基因定位能力的方法，解析水稻分蘖角的遗传基础，为水稻株型育种提供基因资源和理论指导。