玉米小RNA种内变异的遗传机制全基因组分析
作者单位：华中农业大学
学位级别：硕士
导师姓名：李林
授予年度：2020年
主 题：玉米 小RNA 全基因组关联研究 表达变异数量性状基因位点 eQTL反式热点
摘 要：长度为18-30个核苷酸(nt)的小RNA(s RNAs)广泛存在于动物、植物以及真菌中,是一类重要的RNA分子,在生物体的众多生物过程中发挥了至关重要的作用。早在上世纪80年代,人们就已经对s RNA进行研究,发现s RNAs是通过内切酶DICERLIKE(DCL)加工产生。1999年在植物中首次发现和基因转录后沉默相关的s RNAs。随后大量研究表明,s RNAs可以在转录、转录后或翻译水平上通过与靶基因序列互补配对的方式调控基因表达,从而参与植物的生长发育、代谢进程以及响应各种胁迫反应的信号通路调控,具有重要的生物学意义。s RNAs在植物中存在广泛的变异,且在同一物种内不同材料之间的变异也广泛存在,并有报道s RNAs在种内变异可能与物种内的表型变异紧密相关。然而我们对种内s RNAs变异的类型与变异的内在分子机制还不清楚,这些限制了我们对植物表型变异的理解与分子育种的实践应用。为了系统鉴定s RNAs的种内变异类型并解析其变异的分子机制,我们收集了两个玉米优良自交系B73和Mo17叶片组织的深度s RNAs测序数据,并收集了一个具有广泛遗传变异的玉米关联群体(338份优良自交系)相关时期叶片的s RNAs测序数据。该s RNAs数据集包涵了15.530亿条有效s RNAs序列。经过序列的质量筛选,我们获得了18～26nt的3.087亿条高质量的s RNAs序列。在我们获取的B73和Mo17叶片组织深度s RNAs数据集中,有1.546亿条s RNAs序列被特异地定位到B73参考基因组中,1.541亿条s RNAs序列特异地定位到Mo17玉米基因组,s RNAs序列分别覆盖了B73和Mo17基因组的6.98%和7.06%。依s RNAs在基因组中的分布来看,在B73中,38.47%的s RNA分布在基因间区,其次30.37%是基因区域;而在Mo17的基因组中,s RNAs有42.78%分布于基因间区,基因区域占比28.43%。s RNAs在B73和Mo17基因组中不同区域的分布存在一定的差异。基于表达丰度(RPM)大于等于0.6并在至少60个不同的自交系中同时检测到的标准,我们共获得了339797条特异的s RNAs,其中,B73基因组中检测到171813条s RNAs,Mo17中检测到167984 s RNAs,同时在两个基因组中都检测到的s RNAs有156422条。进一步分析发现,B73和Mo17之间的s RNAs表达发生了一定程度的变化。在B73和Mo17的基因组中,分别发现了15391和11562条种内特异表达的s RNAs,同时,鉴定到3537条差异表达的s RNAs。为了解析B73和Mo17之间的种内s RNAs变异的分子机制,我们在具有广泛遗传变异的关联群体中对1999条B73和Mo17之间具有两倍及以上差异表达的s RNAs进行了全基因组的表达关联分析,共鉴定到72671个与种内s RNAs变异显著关联的基因组SNP位点。进一步的关联位点去冗余分析,获得了5744个影响s RNA变异的反式e QTL。这些e QTL在玉米10条染色体中分布具有一定的偏好性,其中,第8号染色体鉴定到最多的e QTL(1633个),其次是第2(1077)、1(731)号染色体中,第10(183)号染色体中鉴定到的e QTL最少。为了挖掘控制玉米全基因组种内s RNAs变异的关键调控因子,我们通过Mont Carl模拟分析发现,这5744个e QTL中的反式e QTL显著富集于26.37 Mb基因组区间内,其中调控大量s RNA变异的25个反式e QTL热点集中在2.2Mb的基因组区间内。在这些反式e QTL热点中,chr1,chr2和chr8上分布了三个主要的e QTL热点。在chr8号染色体的e QTL热点区域,有13个基因与其调控的469条种内变异s RNAs中的428条具有表达上的显著相关性。值得注意的是,469条被chr8号染色体的e QTL热点调控的s RNAs大都为24nt的s RNAs,存在显著的s RNAs长度富集。这些24nt的s RNAs主要与chr8号染色体的e QTL热点区域的三个基因具有表达相关性。这三个基因分别是Zm00001d008982,Zm00001d008983,Zm00001d008984,这3个基因可能主要参与了24nt s RNAs的合成与调控途径。同理,在chr2号染色体的e QTL热点调控了180条s RNAs的表达变异,其中,75条s RNAs为22nt的s RNAs。而这些22nt长度的s RNAs主要与chr2号染色体的e QTL的热点区域的一个功能未知的基因具有显著的表达相关。通过类似的关联分析与表达丰度相关分析,我们共鉴定到十个可以调控s RNAs表达变异的功能基因位
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