Genome-wide genetic changes during modern breeding of

maize

现代玉米育种过程中发生的基因组遗传变化规律

Author: … Jin-sheng Lai …

• 类蜀黍 玉米

• 育种 品系多样性 基因组多样性• 278 份玉米自交系基因组进行系统的比较分析。

90 Ex-PVP 36 public US lines

152 elite Chinese lines • 玉米育种过程中发生的基因组遗传变化规律。

SNPs• SNPs( 单核苷酸多态性 )：主要是指在基因组水平上由单个

核苷酸的变异所引起的 DNA 序列多态性。

它是可遗传的变异中最常见的一种。

• 6,686,326 SNPs (6 百万 ) 用于后续的数据分析• 基因 1,015,790 非同义突变 158,296 编码区 283,186 同义突变 138,918• Large-effect SNPs 3,046 (start codon, stop codon, splice site)

一 SNPs 真实性的检验

• 与已构建的玉米单体型图谱 (HapMap) 进行比对， 95.6% 一致性。

• 对已测序的基因组进行全基因组关联分析(GWAS) ，可以将表型性状与基因型进行有效关联。

HapMap• 对 105 个野生型和栽培品种测序、分析，构建的

单体型图谱。• 单体型：位于染色体某一区域的一组相关联的

SNP 等位位点，并倾向于以整体遗传给后代的单核苷酸多态的组合。

• Hapmap= 基因组中常见多态位点目录。

• 首先在研究人类基因组研究中构建的，筛选频率较高的多态位点作为标记。

• 意义： 人类基因组中有一千万个 SNPs ，若检测所有

的多态位点价格非常昂贵。 利用多态位点在染色体上组成的规律性特征，收

集高频率 SNPs ，进行统计分析，建立 HapMap。

To validate SNP quality, we compared data from three lines (Hp301, Mo17 and P39) to sequences in maize HapMap1, finding over 95.6% accordance .

Gore, M.A. et al. A first-generation haplotype map of maize. Science 326, 1115-1117 (2009).

GWAS（ Genome-wide association study

）• 全基因组关联分析：

在全基因组范围内找出存在的序列变异，即单核苷酸多态性 (SNP) ，从中筛选出与特定性状相关的 SNPs 。

• 高效的探索“性状—基因”关系的方法。

• 3 个性征：Cob color ( 穗轴颜色 )Silk color ( 花丝颜色 )Date to anthesis ( 开花期 )

• 定位于1, 10, 8 号染色体上。

小结 1

• 利用第二代测序技术对来自不同地域以及不同育

种年代的 278 份自交系基因组进行系统的比较分

析， GWAS 获得与玉米农艺性状相关的基因。

• 进一步研究现代玉米育种过程中发生的基因组遗

传变化规律。

二 基因组遗传变化规律的探索• 对 278 份自交系的核苷酸多样性进行比较分析

，结果发现相比之前报道的结果，核苷酸多样性有所较低，也就是说，遗传多样性有所丢失。

• 278 份自交系涉及到的栽培品种非常广泛，并且在现在育种过程中，品系之间的交流程度也有所提高，所以，体现出多样性的丢失。

• 群体遗传学中，一个重要内容就是检测出进化上重要的基因位点 ( 受选择的靶位点 ) 。

基因组哪些变化与育种时产生的变异直接相关。

• 玉米基因组非常庞大 (B73 2.3Gb) ，需要进行系统筛选后才能进一步研究。

• 单位点的检测研究要求对所研究的位点有一个预先判断，即从基因功能等信息上判断该位点是否有可能受到选择。

• 利用 composite likelihood ratio (CLR) 分析方法进行全基因组扫描，鉴定出人工育种过程中受选择的靶位点 Target regions 。

• Target regions 特征：

包括编码蛋白的基因和非编码调控区域。

Ex-PVP 与 publicUS少一致

差异与不同育种年代有关

Chinese 与 US少一致 存在多基因控制性状

差异与不同地域、环境有关

Analysis Genetic changes• 研究对象：家谱信息明确的四个品系 5003, 8112, 478, Zheng58 • 以 B73 基因序列为参考，分析差异基因情况

(Mapping read) 。

杂交后代具有较高的突变率，且大部分突变为稀有等位基因

Identity-by-descent ( 基因型的频率 )

随着育种年代的进化，新品系基因组中稀有等位基因百分比逐渐增加。

启示： 在未来分子育种时，可以将稀有等位基因作为选择参数，根据特定目的对植株进行改造。

总结

• 育种过程中，玉米基因组的同源区间能够产生广泛的遗传变异。

• 通过对变异类型速率的估算，找到与变异直接相关的基因型，进而启动未来高效、便捷的育种工作。

Happy Mid-Autumn Day