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玉米中心與華中農業大學合作在《Genome Biology》上發文解析玉米CUBIC群體遺傳特征

發布時間:2020/7/20 14:44:40   閱讀次數:


 玉米是全球第一大糧食作物。理解玉米重要農藝性狀和產量性狀的遺傳基礎,挖掘我國骨干自交系資源助力定制化育種,是一個長期目標。

 

 近日,我院玉米中心趙久然研究員團隊與華中農業大學嚴建兵教授團隊合作,在國際知名學術期刊Genome Biology(2019 IF=14.028)發表了題為“CUBIC: an atlas of genetic architecture promises directed maize improvement”的論文。該研究創新性地發展了CUBIC群體(Complete-diallel design plus Unbalanced Breeding-like Inter-Cross,完全雙列雜交與偏好性育種選擇的互交群體),并利用該群體對23個玉米重要的農藝性狀進行了系統性的遺傳剖析。在鑒定到數百個數量性狀位點(QTL)的基礎上,充分利用本群體設計的優點,結合多組學、多群體分析快速鎖定目標基因,并以一個葉寬基因的克隆為例展示了該策略在功能基因快速克隆方面的優勢。

 

 CUBIC群體的親本是廣泛應用于我國玉米育種中的24個骨干材料,通過兩輪雙列雜交在實現了所有親本基因交流的情況下大大縮短了群體發展周期,接著采用6代開放授粉和6代連續自交,最終得到1404個自交家系用于后續研究。CUBIC群體構建之初就將遺傳育種作為重要目標,以育種家的視角在兩輪雙列雜交過程中加入人工選擇,以期獲得優異育種材料。相較于傳統遺傳群體,CUBIC設計具有遺傳多樣性高、群體結構不明顯、重組事件更加充分、與育種目標更加密切等諸多優勢,這些特點保證了該群體有更高的定位功效,并預期產生可直接應用育種實踐的成果。

 

 通過對親本及子代進行全基因組測序,共獲得1400萬高質量SNP變異,并據此構建了高密度的重組圖譜。結合單標記和單倍型全基因組關聯分析,鑒定了600多個QTL,這些位點解釋了高達70%的遺傳力。通過模擬分析發現,基于IBD的方法對于挖掘多個功能基因或功能等位基因型的區間尤為有效,可作為傳統單標記方法的很好補充。此外還觀察到上位性普遍存在,可平均解釋多達15%的遺傳變異。通過這些豐富的信息并結合每個QTL的效應,揭示通過有限的重組就可以實現產量、株型和花期的協調統一,實現定制育種。

 獲得大量QTL后,如何快速地克隆其背后的功能基因成為另一個關鍵。由于CUBIC子代在每個特定區間與親本構建了明確的單倍型關系,因此可看作由多個雙親本重組自交系構成,利用這一特點可以更進一步精細定位目標基因。以葉寬為例,展示了如何借助這一系列分析快速克隆其主效基因,并通過轉錄組、代謝組等線索對這一基因的潛在分子機制進行了解析。進一步揭示了可以通過多組學及多群體交叉分析實現快速、批量提名目標性狀的候選基因,為功能基因的批量克隆奠定基礎。

 

 CUBIC群體從概念提出到第一篇文章發表,是玉米遺傳學家和育種家緊密合作的結晶。華中農業大學嚴建兵教授和我院玉米中心趙久然研究員為論文的共同通訊作者。玉米中心的王夏青博士、張如養助理研究員與華中農業大學的5名科研人員為論文共同第一作者。玉米中心多位研究人員與其他合作單位的科研工作者對本項目的順利開展付出了艱辛努力。該研究得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、北京市科技計劃項目、博士后創新人才支持計劃等資助。

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