高粱千粒重全基因组关联分析和候选基因预测

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１１ 期
高粱千粒重全基因组关联分析和候选基因预测
２１２５
发展和全基因组测序的完成 ［７］ ，利用连锁分析方法检
农业科学院作物科学研究所作物种质资源中心、浙江
了高粱粒重的 ＱＴＬｓ 定位
粮研究所。
测高粱粒重主效 ＱＴＬｓ 成为热门课题。 大量研究报道
（ ＱＴＮｓ） ，这些位点不均匀地分布在 １０ 条染色体上。 单个 ＱＴＮ 可解释 ０ ４％ ～ ２６ ６％的表型变异。 不同
模型检测到 的 位 点 数 目 不 同， ＦＡＳＴｍｒＭＬＭ 模 型 最 多， 然 后 依 次 是 ｐＫＷｍＥＢ 模 型、 ｐＬＡＲｍＥＢ 模 型、
ｍｒＭＬＭ 模型、ＩＳＩＳ ＥＭ⁃ＢＬＡＳＳＯ 模型和 ＦＡＳＴｍｒＥＭＭＡ 模型。 合并共同 ＱＴＮｓ 后得到 ９６ 个显著影响千粒
收稿日期：２０２２⁃０２⁃１８ 接受日期：２０２２⁃０３⁃３１
基金项目：国家重点研发计划（２０１８ＹＦＤ１０００７０６－１１） ，浙江省农业新品种选育重大科技专项资助（２０２１Ｃ０２０６４－６） ，浙江省数字旱粮重点实验室
（２０２２Ｅ１００１２） ，贵州省科技计划项目（ 黔科合基础［２０２０］１Ｙ１０３）
培的禾谷类作物之一，因其具有很强的抗逆性和适应
粮食问题中曾发挥过巨大作用［１］ 。 随着水稻、小麦、玉
米等粮食作物育种水平的提高以及人民生活条件的改
善，高粱的利用价值发生了根本性转变，由曾经的口粮
变成了如今的工业原料，用于酿酒、饲用、制醋等，继续
在我国国民经济发展和乡村振兴中发挥重要作用
［２］
。
量大幅提高，而且导致选育的骨干亲本籽粒也在不断
刘合芹１ 郑学强１ 张立异２，∗
（ １ 浙江省农业科学院作物与核技术利用研究所 ／ 浙江省数字旱粮重点实验室，浙江 杭州 ３１００２１；
２
贵州省农业科学院贵州省旱粮研究所，贵州 贵阳 ５５０００６）
摘 要：千粒重是作物产量构成的三要素之一。 增加粒重是提高作物产量的重要途径。 为阐明高梁千粒
１ ７ 候选基因的单倍型分析
基于 ２４２ 份高粱种质资源的重测序数据，挑选出
千 粒 重 候 选 基 因 （ Ｓｏｂｉｃ． ００２Ｇ３６７３００、 Ｓｏｂｉｃ．
１ ５ 候选基因预测
００２Ｇ３６７６００、 Ｓｏｂｉｃ． ００３Ｇ４１１９００、 Ｓｏｂｉｃ． ００９Ｇ０２４６００ 和
ｍａｙｓ Ｌ．） 粒重相关基因的蛋白序列， 在 Ｐｈｙｔｏｚｏｍｅ １３
展的统计方法将目标性状的表型与基因型进行关联分
析，从而快速准确地定位到影响目标性状的染色体区
段或基因。 该方法因研究材料来源广泛，可有效捕获
个体间丰富的变异，节省构建遗传群体所需时间，具有
更高的分辨率 ［１４］ 等特点，迅速成为传统双亲种群作图
的替代方法和研究复杂性状遗传的有力工具。 目前
ＧＷＡＳ 已广泛应用于动植物的功能基因挖掘，并取得
［８－１３］
，但由于受作图群体亲
省农业科学院作物与核技术利用研究所以及贵州省旱
本遗传背景、群体类型和群体大小、标记类型差异等的
１ ２ 田间试验与表型调查
差异，且多数位点对粒重表型的贡献率较低，通过 ＱＴＬ
１９ＧＹ 和 ２０ＧＹ） 、浙江杭州（１８ＨＺ 和 １９ＨＺ） 、海南乐东
究上述基因的功能还存在很大困难。 到目前为止，通
美国） 进行测序。 利用 ＢＷＡ 软件将过滤后的测序数
据比对到高粱参考基因组 ＢＴｘ６２３ 的序列上（ ｈｔｔｐｓ： ／ ／
ｐｈｙｔｏｚｏｍｅ⁃ｎｅｘｔ．ｊｇｉ．ｄｏｅ． ｇｏｖ ／ ｉｎｆｏ ／ Ｓｂｉｃｏｌｏｒ ＿ｖ３ ＿１ ＿１） 。 利
用 ＧＡＴＫ 软件进行群体 ＳＮＰ 检测，用 Ｐｌｉｎｋ 软件进行
２ ５ ｍ，行距 ６０ ｃｍ，株距 ２５ ｃｍ，人工点播，适时进行间
影响，检测到影响粒重 ＱＴＬｓ 的数量和位置存在很大
克隆的方法克隆这些影响粒重性状的基因，并深入研
过 ＱＴＬｓ 图位克隆的方法对高粱粒重相关基因的克隆
和功能研究报道较少，远远落后于水稻、拟南芥和玉米
粒重性状的分子遗传研究。
２０１８—２０２０ 年连续 ３ 年分别在贵州贵阳（ １８ＧＹ、
ＤＯＩ：１０ １１８６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１００⁃８５５１ ２０２２ １１ ２１２４
高粱［Ｓｏｒｇｈｕｍ ｂｉｃｏｌｏｒ （Ｌ．） Ｍｏｅｎｃｈ］ 是我国最早栽
的重大更替。 每一次品种的更替不仅使得单位面积产
性，在全国各地均有种植。 历史资料表明，高粱在解决
变大 ［３］ 。 籽粒变大不仅能够增加产量，而且对种子活
有效获取目标性状的候选基因提供了新途径。 与传统
连锁作图方法相比，ＧＷＡＳ 方法可同时对自然群体内
种子成熟。 收获后自然晒干，再脱粒、精选和考种分
析。 千粒重具体测量方法：单株全株脱粒后，选择饱满
无损伤的籽粒（ ＞１００ 粒） ，利用 ＳＣ⁃Ｇ 型自动考种分析
及千粒重仪系统（ 杭州万深检测科技有限公司） 进行
了显著的成绩
［１５］
。 尽管近年来利用 ＧＷＡＳ 方法解析
农作物重要农艺性状的遗传机理发展迅猛，但有关高
粱千粒重全基因组关联分析和候选基因的研究报道较
少，仅少数 研 究 组 报 道 了 高 粱 粒 重 性 状 的 ＧＷＡＳ 分
析
［１６－２０］
。 这些研究所采过两种模型，所得结果难以相互比较。 基
重的 ＱＴＮｓ，其中 ４ 个 ＱＴＮｓ 与前人报道的高粱基因位点重叠，另有 ４ 个 ＱＴＮｓ 包含与水稻中克隆的粒重
相关基因 ｑＧＷ７ ／ ＧＬ７、ＢＧ２、ＯｓＡＲＦ４、ＲＳＲ１、ＴＧＷ６ 等同源的基因。 本研究结果为探究高粱千粒重性状分
子遗传机理和高粱分子设计育种提供了科学依据。
关键词：高粱； 千粒重； 多位点全基因组关联分析； 数量性状核苷酸（ ＱＴＮｓ） ； 候选基因
作者简介：邹桂花，女，副研究员，主要从事高粱遗传育种研究。 Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｚｏｕｇｕｉｈｕａｚｗ＠ １６３．ｃｏｍ；
∗
丁延庆，男，助理研究员，主要从事高粱遗传育种研究。 Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｄｙｑｃｙｌ＠ １６３．ｃｏｍ。 ∗∗ 同为第一作者。
通讯作者：张立异，女，研究员，主要从事高粱分子育种研究。 Ｅ⁃ｍａｉｌ：５７０１２９８８３＠ ｑｑ．ｃｏｍ
遗传多样性丰富的每个个体进行高通量测序，在获得
计数和测定，重复取样 ３ 次，保证 ３ 次称重结果差异小
ｐｏｌｙｍｏｒｐｈｉｓｍ， ＳＮＰ） 分子标记的基础上，运用不断发
用 ＳＰＳＳ ２１ ０ 软件对各个环境的千粒重表型进行平均
数 以 百 万 计 的 单 核 苷 酸 多 态 性 （ ｓｉｎｇｌｅ⁃ｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅ
理结 合， 无 法 确 定 控 制 粒 重 的 数 量 性 状 位 点
粱主栽品种经历了从地方品种到新品种到优良杂交种
粱粒重性状遗传研究进展。 随着高粱分子标记技术的
的提高具有重要意义。 自上世纪 ５０ 年代以来，我国高
（ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｔｒａｉｔ ｌｏｃｕｓ，ＱＴＬｓ） 或基因，从而限制了高
（２０ＬＤ） 和海南陵水（２０ＬＳ） 共进行 ７ 次试验。 小区长
苗定苗、追肥、除草和病虫害防治等管理工作。 在抽穗
期，每小区选择具有代表性的 ３ 个穗子用硫酸钠纸袋
套袋自交，在整株完成授粉时，将纸袋换成网袋，直至
基于 高 通 量 测 序 技 术 的 全 基 因 组 关 联 分 析
（ｇｅｎｏｍｅ⁃ｗｉｄｅ ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｓｔｕｄｙ，ＧＷＡＳ） 方法的发展，为
供试材料为 ２４２ 份籽粒高粱种质资源，主要为我
国的地方品种、育成品种及高世代育种材料，来自中国
算。 ＧＷＡＳ 分析时所有参数均设置为默认值。 显著关
联的 ＳＮＰｓ 阈值为 ＬＯＤ （ ｌｏｇａｒｉｔｈｍ ｏｆ ｏｄｄｓ） ≥３ ０ ［２６］ 。
当显著 ＳＮＰ 位点（ 物理距离不超过 ５０ ｋｂ） 满足至少
重的遗传机理，本试验以主要来自于我国 １６ 个高粱种植省份的 ２４２ 份高粱品种（ 系） 组成的关联群体
为研究材料，借助覆盖全基因组的 ２ ０１５ ８５０ 个高质量 ＳＮＰｓ 标记，采用多位点分析软件 ｍｒＭＬＭ ４ ０ Ｒ
软件包中的 ｍｒＭＬＭ、ＦＡＳＴｍｒＭＬＭ、ＦＡＳＴｍｒＥＭＭＡ、ＩＳＩＳ ＥＭ⁃ＢＬＡＳＳＯ、ｐＬＡＲｍＥＢ、ｐＫＷｍＥＢ ６ 种模型，对
物学重复。
即认为该 ＳＮＰ 位点可靠，将其作为 １ 个数量性状核苷
的命名参照 Ｌｉｎｇｅ 等
［２９］
［２９］
。 ＱＴＮ
的方法，如 ｑｔｎＴＧＷ１ １ 表示在
第 １ 染色体上控制千粒重的第一个 ＱＴＮ，利用 ＲｅｃｔＣｈｒ
１ ３１ 软件绘图。
ｒｅａｄｓ）方法进行归一化处理。 每时期的样品均取 ３ 次生
２０１８—２０２０ 年贵州贵阳、浙江杭州、海南乐东、海南陵水 ３ 年 ４ 点 ７ 个环境的高梁千粒重进行全基因组
关联分析。 结果表明，７ 个环境的高梁千粒重均表现连续正态分布，呈现明显的数量性状遗传特性，变
异范围于 １０ ～ ５０ ｇ 之间。 利用 ６ 个模型共检测到 ３２３ 个与千粒重显著关联的数量性状核苷酸位点
１ ４ 全基因组关联分析
４ 个点 ７ 个环境下测定千粒重，利用多位点 ＧＷＡＳ 分
境获得的千粒重性状进行全基因组关联分析。 为了提
响千粒重性状的显著性位点，挖掘、预测相关候选基
４ ０ 软 件 ［２２］ 进 行 性 状 多 位 点 关 联 分 析 （ ｍｕｌｔｉ⁃ｌｏｃｕｓ
群体为供试群体，连续 ３ 年在杭州、贵阳、乐东和陵水
于 ０ １ ｇ（５％以内） 为有效的 ３ 个数据，取平均值。 利
值、标准差、频率分布等描述性统计分析和相关性分
析，利用 Ｒ ４ ０３ 软件绘图。
１ ３ 基因型检测
采用 ＣＴＡＢ 法 ［２１］ 提取 ２４２ 份高粱资源叶片 ＤＮＡ，
质检合格后利用 ＨｉＳｅｑ ４０００ 高通量测序仪（ Ｉｌｌｕｍｉｎａ，
力、播后 出 苗、 早 期 生 长 和 品 质 性 状 均 具 有 重 要 影
响 ［４－６］ 。 因此，高粱籽粒大小的研究一直是国内外高
粱育种家和遗传学家关注的热点。 早期研究主要从形
态和生理学机制上揭示高粱籽粒大小、粒重和产量三
者之间的关系，但上述研究均未与粒重性状的遗传机
实践证明，高粱籽粒大小的遗传改良对单产水平
核 农 学 报 ２０２２，３６（１１） ：２１２４ ～ ２１３６
２１２４
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｒ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ
文章编号：１０００⁃８５５１（２０２２）１１⁃２１２４⁃１３
高粱千粒重全基因组关联分析和候选基因预测
邹桂花１，∗∗ 丁延庆２，∗∗ 徐建霞２ 曹 宁２ 陈合云１
ｍｒＭＬＭ ［２３］ 、 ＦＡＳＴｍｒＭＬＭ ［２４］ 、 ＦＡＳＴｍｒＥＭＭＡ ［２５］ 、 ＩＳＩＳ
１ 材料与方法
ＥＭ⁃ＢＬＡＳＳＯ ［２６］ 、ｐＬＡＲｍＥＢ ［２７］ 、 ｐＫＷｍＥＢ ［２８］ ６ 种 关 联
模型。 Ｋ 矩阵（ 亲缘关系矩阵） 由 ｍｒＭＬＭ 软件进行计
１ １ 试验材料
析软件中的 ６ 种模型进行全基因组关联分析，鉴定影
因，旨在为进一步开展高粱千粒重基因的克隆及其遗
传改良提供依据。
对 ２０１８—２０２０ 年贵阳、杭州、乐东和陵水 ７ 个环
高关联分析的准确性和可靠性， 本研究利用 ｍｒＭＬＭ
ＧＷＡＳ ｍｅｔｈｏｄｓ） ，即同一染色体上物理距离≤２０ ｋｂ 的
所有显著 关 联 ＳＮＰ 位 点 总 结 为 １ 个。 该 软 件 包 含
ＳＮＰ 过 滤， 筛 选 条 件： ＳＮＰ 最 小 等 位 基 因 频 率
（ ｍｉｎｉｍｕｍ ａｌｌｅｌｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ＭＡＦ） ＞５％，缺失率（ ｍｉｓｓｉｎｇ
ｒａｔｅ， ＭＲ） ＜２０％。 最终获得 ２ ０１５ ８５０ 个高质量 ＳＮＰｓ
用于后续全基因组关联分析和单倍型分析。
于此，本研究以 ２４２ 份籽粒高粱品种（ 系） 组成的自然
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３６ 卷
核 农 学 报
在 ３ 个模型中检测到，或者在 ２ 个以上试验中检测到，
（ｆｒａｇｍｅｎｔｓ ｐｅｒ ｋｉｌｏｂａｓｅ ｏｆ ｔｒａｎｓｃｒｉｐｔ ｐｅｒ ｍｉｌｌｉｏｎ ｍａｐｐｅｄ
酸位 点 （ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｔｒａｉｔ ｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅｓ， ＱＴＮ ）