基于数量性状混合分析模型和GWAS挖掘锈色棕榈象色斑变化基因

作     者：林城 

作者单位：四川农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨桦

授予年度：2023年

学科分类：09[农学] 0904[农学-植物保护] 090402[农学-农业昆虫与害虫防治] 

主      题：锈色棕榈象 色斑性状 数量性状混合分析模型 全基因组重测序 GWAS 

摘      要：锈色棕榈象Rhynchophorus ferrugineus是一种为害棕榈科植物的蛀干害虫,严重制约着棕榈科植物的观赏价值和经济价值的开发利用,同时锈色棕榈象也是一种典型的色斑型多态物种,对于遗传学、生物学和进化方面的研究具有重要意义。对于锈色棕榈象色斑的研究,不少学者仅从统计学角度对其色斑数量和色斑形状进行简单描述,并未深入研究其内在机理和遗传机制。为了探究锈色棕榈象色斑数量变化与其内在分子机制,挖掘可能调控色斑数量变化的潜在基因。本研究从遗传学实验和分子生物学的全基因组关联分析(Genome-wide association study,GWAS)两个方向对锈色棕榈象色斑变化进行研究,从遗传角度分析了锈色棕榈象前胸背板色斑性状的遗传规律,并利用全基因组重测序和四种GWAS技术对其调控色斑性状的潜在基因进行了挖掘和验证,主要结果有:1、通过连续自交和双列杂交实验,构建了锈色棕榈象P、P、F和F代分离群体,并记录表型观测值,共获得9种表型,分别为两点型(2D)、三点型(3D)、四点型(4D)、五点型(5D)、六点型(6D)、七点型(7D)、八点型(8D)、十点型(10D)和花斑(HD),根据色斑分型结果和分离比,初步确定了锈色棕榈象胸背板色斑的遗传规律;进一步利用数量性状混合分析模型R软件包SEAv2.0对统计结果进行了分析,结果表明锈色棕榈象前胸背板色斑多样性存在两个主基因控制,主要表现为加性-显性效应。2、利用全基因组重测序技术对120个色斑性状差异样本的单核苷酸多态性(SNP)进行高密度扫描测序,获得了高覆盖的大量基因组序列信息(即SNP标记)。本研究共获得了600Gb的原始数据,质控后得到548.79Gb的干净数据;Q20和Q30分别为99.10%和96.43%,GC含量在32.71%～42.67%之间。以上结果表明,测序深度和覆盖度较高,可以用于后续生物信息分析。3、本研究结合连锁分析共获得19个锈色棕榈象色斑变化相关的数量性状基因座(Quantitative trait locus,QTL);通过4种多位点全基因组关联分析方法得到8个锈色棕榈象调控色斑性状的显著数量性状基因(Quantitative trait nucleotides,QTN);结合连锁分析和关联分析共发现12个性状关联QTN。4、利用生物信息数据库(KEGG和GO注释)对连锁分析结果进行注释,发现了3个潜在的候选基因,分别为GWI33＿021103、GWI33＿007852和GWI33＿001443。对多位点GWAS分析结果进行注释,发现了3个可能的潜在基因,分别是GWI33＿009061、GWI33＿012518和GWI33＿015311。对连锁分析与单一GWAS分析结合的结果进行注释,确定了3个潜在的候选基因为GWI33＿009807、GWI33＿007410和GWI33＿002411。利用q RT-PCR验证了三个可能的候选基因在不同色斑数量锈色棕榈象中的相对表达量,初步确定了2个可能参与调控锈色棕榈象色斑变化的关键基因,分别为GWI33＿007410和GWI33＿002411。5、综上所述,从锈色棕榈象群体数量性状混合分析模型结果、连锁分析和GWAS结果以及q RT-PCR验证结果表明,GWI33＿007410和GWI33＿002411基因可能与锈色棕榈象色斑变化高度关联,本研究可为后续锈色棕榈象色斑变化机制研究提供理论依据。