谷类作物代谢物和表型联合GWAS分析

  摘要

  植物代谢组已经得到了广泛的描述，同时也经常被当作连接基因组和表型组的桥梁。本文报道了稻粒的新陈代谢和表型的全基因组关联分析，除此之外还包括水稻叶片和玉米籽粒的代谢全基因组关联分析，并展示了两物种之间特有及共有的遗传物质。研究发现了潜在的影响重要的代谢和形态学性状的候选基因。研究发现不同组织间水稻新陈代谢的不同遗传结构部分是由组织特异性表达引起的。利用平行的代谢和表型的全基因组关联分析，发现响应籽粒颜色和大小变化的候选基因以及代谢型-表型连锁的证据。本研究示范了植物中功能基因组和代谢组之间在克隆一些复杂性状微效QTL中共同利用的策略优势。

  材料方法

  植物材料：来自世界各地的502份水稻。

  代谢物描述：液相色谱分离整个干燥稻粒的代谢物。

  代谢物提取：干燥稻粒（100mg）研碎，4℃+1ml纯甲醇/70%甲醇（0.1 mg/L利多卡因）过夜提取。

  代谢物定量：scheduled multiple reaction monitoring method。

  GWAS：测序数据来自RiceVarMap (http://ricevarmap.ncpgr.cn)。

  统计学分析：广义遗传力（H2）：mixed effects model；

  玉米成对SNP位点：(http://www.maizegenetics.net/tassel)。

  代谢网络：Cytoscape (3.0.2)。

  研究结果

  1、水稻籽粒代谢组描述

  a,对代谢物的质谱峰mr208位置的全基因关联分析。b,关联强度最高SNP位点相距22Kb位置的基因OsLKR，编码的蛋白为酵母氨酸脱氢酶。因此mr208位置的代谢物可能是酵母氨酸。c,d,利用MRM分析方法获得质谱峰mr208，并对其出峰时间及物质质合比进行统计。

  2、  水稻籽粒代谢的遗传基础

  587种代谢物的变异系数及广义遗传力分布。

  谷类作物代谢物和表型联合GWAS分析比较水稻籽粒和叶片中的代谢物，以及分别关联到的SNP位点。类黄酮（绿色），氨基酸和脂肪酸派生物（红色），萜类化合物（绿色），苯胺（蓝色），其它（紫色）。

  在水稻籽粒和叶片中代谢物分别关联到的位点数目及种类（上为籽粒、下为叶片）。

  3、水稻籽粒中新发现的代谢性状变异  

  利用代谢物GWAS分析获得的32个候选基因。

  为了识别水稻籽粒中互作的代谢物及基因，采用了PCA分析及GGM构建直接相关的代谢物互作网络。

  氨基酸派生物（蓝色圆圈），新发现的代谢物（灰色三角）互作的代谢物和基因的识别。利用体外酶促反应获得与基因Os11g42370编码的酶互作的物质，在经过质谱分离获得这些物质。注释结果表明Os11g42370编码的BAHD酰基转移酶。

  4、 水稻和玉米间的代谢组GWAS比较

  全基因组范围内水稻与玉米之间的同源位点。

  水稻6号染色体diC,C-糖基芹黄素候选区域与玉米的同源区段的共线性关系。

  对Os06g18670进行转基因，并检测在野生型和转基因植株中的相对表达量，以及diC,C-糖基芹黄素含量检测证实，Os06g18670编码芹黄素C-糖基转移酶。

  5、 利用代谢物GWAS和表型GWAS揭示复杂的性状

  a,葫芦巴碱与粒宽的相关性分析。b,野生型和转基因植株间粒宽的比较（mGWAS和pGWAS关联到的位点基因Os02g5770）。c,小穗外壳横截面，细胞数量、长度、宽度的比较。结果表明葫芦巴碱可能通过扩大细胞体积增加籽粒宽度d,e,分析了有丝分裂间期G2时期5个基因及有丝分裂时期中重要的2个基因的表达水平。表明葫芦巴碱在细胞整个有丝分裂时期对粒宽都有明显的影响。

  结论亮点

  1、结合了代谢物GWAS分析和表型GWAS分析对水稻全基因组目标性状位点和代谢物进行关联。

  2、对代谢物含量与表型相关性达到r2>3以上的代谢物GWAS和表型GWAS结果进行验证，结果表明代谢物与表型是连锁的。

  3、 对水稻籽粒和叶片、水稻籽粒与玉米籽粒间同源基因的共线性分析。

  参考文献

  Comparative and parallel genome-wide association studies for metabolic and agronomic traits in cereals[J].Nat Commun. 2016 Oct 4;7:12767. doi:10.1038/ncomms12767.

  IF=11.329