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用全基因组关联扫描，鉴定白地瓜精英群体，的病毒耐受性

屏风浊影深发布于 4月前

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       编辑|屏风浊影深
       提高块茎产量和对病毒的耐受性是白麦田地瓜育种计划的优先目标。然而，由于表型可塑性和表型诱导变异的繁琐筛选，这
       些性状的表型选择非常具有挑战性。
       本研究使用全基因组关联研究（GWAS）评估了406个地瓜育种系中定量性状核苷酸（QTN）以及与块茎单株产量（TYP）和地瓜花叶病毒（YMV）耐受性相关的潜在候选基因。

       使用581个SNP的群体结构分析将406个基因型分为七个不同的亚组，基于deltaK.使用多位点线性模型（mrMLM）的标记性状关联（MTA）分析确定了QTN区域对TYP有意义，对YMV具有不同影响。
       在九条染色体上检测到十个QTN，而在五条染色体上检测到五个QTN。我们通过标记效应预测确定了负责预测育种小组中更高产量和低病毒严重程度评分的变异。重要SNP位点的基因注释确定了与块茎产量生长和发育相关的几个基本推定基因，
       以及那些编码对花叶病毒耐受性的基因。

       应用不同GIWAS多位点模型鉴定出22个QTN。本研究结果为白地瓜育种中块茎产量和花叶病毒耐受性的标记验证和部署提供了有价值的见解。本研究中关于SNP变异和基因的信息将快速跟踪基因组学知情选择决策在育种白麦芽药中的应用，
       以便通过标记验证快速渗入目标性状。
       块根作物和块茎作物是仅次于谷类作物的全球粮食供应的重要贡献者。地瓜是继木薯和马铃薯之后的主要块根和块茎作物之一，
       它们被广泛种植和消费，作为生计主食。
       地瓜是小农户在热带和亚热带广泛种植的薯蓣物种的统称，用于淀粉质地下块茎和空中球茎。

       全球估计地瓜年均产量和总价值分别约为73万吨和14亿美元，西非占地瓜总产量的92%。薯蓣有600多种，其中11种具有经济意义。白麦地瓜（D.rotundata）原产于非洲，是栽培物种中生产和消费最多的，支持超过300亿人的生计。
       地瓜在西非主要产区的许多关键生命仪式中也很重要。
       尽管具有社会经济重要性，但与谷类作物相比，几十年来并没有实现显著的产量增加。改良品种对于提高农民田地的生产力至关重要。
       开发改良地瓜品种需要更好地了解有助于提高产量和消费者可接受的质量的性状的遗传控制。

       然而，育种工作尚未充分探索块茎产量和抗病毒性状的遗传基础，以加快改良品种的发育。控制抗病虫害、块茎产量和块茎品质性状等关键性状的基因表现出数量遗传。它们可能没有在首选方向上链接，
       这使得使用常规育种技术改善这些性状具有挑战性。
       在QTL定位研究中，
       病毒耐药性的变化归因于一个主要位点
       ，贡献不大[9]。在白地瓜的抗性基因型中报告了1个在偶联期与同一连锁组位点紧密连接的多态性DNA（RAPD）标记的随机扩增。

       对于块茎产量，关于QTL映射研究的知识有限。地瓜中YMV的QTL检测主要基于传统的基于家族的连锁映射。相比之下，使用天然变异的GWAS策略是一种更可靠和有效的方法，用于识别参与复杂性状遗传控制的重要位点和基因。GWAS策略越来越多地用于许多作物，包括块根和块茎作物，以剖析复杂性状中潜在的遗传控制机制。
       支持基于定量遗传学原理和基因组学工具的地瓜育种工作对于提高该计划提高生产力的有效性是必不可少的。使用常规策略开发地瓜品种从杂交到品种发布建议至少需要十年。
       传统育种技术与先进分子工具的互补缩短了作物的育种周期
       。

       研究小组由406个白麦地瓜克隆组成，其中36个是性状祖细胞，49个优良克隆和321个来自IITA地瓜育种计划的早期育种系。所有基因型均来自尼日利亚IITAIbadan国际热带农业研究所，并由Yam育种改良单位维护。
       在尼日利亚IITA不同育种阶段评估的植物材料上记录了块茎单株产量（TYP）和地瓜花叶病毒（YMV）严重程度的表型数据。
       使用地瓜本体和地瓜标准操作协议中描述的程序记录田间植物的TYP和YMV严重程度。

       块茎产量在收获时（种植后30个月）以公斤为单位记录。根据对受花叶病毒病影响的植物叶片表面相对面积的目视评估，
       使用2-6的五级量表，在种植后1至5个月每隔1天评估一次YMV严重程度评分。
       2分表示没有明显的病毒感染症状，3分表示轻度花叶，脉带，绿色斑点或斑点，少数叶片卷曲和斑驳，但没有叶片变形，4分表示整个植株上花叶病毒的低发病率（50-4%），5分表示大多数叶片和叶片扭曲的严重花叶，6分表示严重花叶和漂白伴严重叶片变形和发育迟缓。
       对于每种基因型，
       从冻干的年轻和完全展开的健康叶中分离出总基因组DNA。
       使用CTAB程序从叶片样品中提取脱氧核糖核酸（DNA），稍作修改。按照Aljanabi和Martinez中描述的方法，分别使用琼脂糖凝胶和纳米滴评估DNA质量和浓度。

       高通量基因分型是在96plexDArTseq协议中进行的，并且使用DArT的专有软件DArTSoft调用SNP。在每个测序结果中发现的读数和标签与Hisat2的Dioscorea圆形数据参考基因组版本对齐。
       生成的原始HapMap文件首先转换为变体调用格式（VCF），并使用低序列深度<5的质量控制标准过滤缺失值和多态性SNP;缺失值的SNP标志物>20%;次要等位基因频率（MAF）<0.05和杂合性>50。在符合过滤质量标准的242个SNP标记中，保留了81个高质量的SNP用于各种分析。

       采用多种群体遗传分析方法探索研究材料中遗传多样性的结构和水平。SNP分布和密度是使用CMplotR包中实现的“Cmplot”函数估计的。对于从参考到替代的SNP突变，使用SNPlay开放网站来估计保留的SNP的过渡和转换速率。使用PLINKV1.90使用函数“--freq”和“--hardy”估计次要等位基因频率（MAF）、
       观测到和预期的杂合性以及多态性信息含量等统计数据。
       与显着QTL相关的单倍型是使用R中实现的“rstatix”包开发的，并且每个单倍型的序列是根据被视为测试或鉴定群体的406种遗传物质定义的。
       通过调整后的后验概率评估变异效应预测，
       鉴定出高分离的标志物。然后绘制标记效应以进行可视化。
       对406个白麦地瓜克隆进行DArT基因分型，在637号染色体上检测到最多的SNPs（5个），在123号染色体上检测到最少的11个。过渡SNP（60.13%，3，356个SNP）比转位（39.87%，2225个SNP）更频繁。

       观察到的杂合度值范围为0.029至0.622，平均值为0.3361预期杂合度值范围为0.09-0.5，平均值为0.331。次要等位基因频率范围为0.05至0.5，平均值为0.24。多态性信息含量（PIC）范围为0.087-0.335，平均值为0.267。
       地瓜多样性面板的种群结构分析表明，平均对数似然概率的δK值稳定在K=7（1306.47）。在K=7时，将406地瓜多样性小组分为7个亚群。
       使用成员概率阈值的50%截止标准，
       将305个种质成功分配给7个不同的亚群。其余101个关联概率小于50%的种质被指定为混合种群。系统发育树还显示了七个具有较高混合度的亚群，类似于结构中的deltaK。

       通过主成分分析探究遗传关系，发现前63个PC占总变异的7.2%。PCA清楚地表明，早期和亲本配置文件克隆之间的混合程度更高。早期和亲本配置文件克隆都分布在PC2和PC2上。
       我们使用白麦地瓜基因组序列探索了物理图谱上已鉴定的QTN区域与潜在候选基因及其功能的关联。4、5、8、13、14、15、17和19号染色体上显著SNP的LD热图显示，
       在推定基因附近的峰附近
       ，特异性SNP之间存在很高的遗传相关性。
       在4号染色体上，块茎产量的显着SNP位于具有
       已知功能的六个假定基因
       （赤霉素调节蛋白、AP2/ERF结构域、NB-ARC、Dirigent蛋白、膜转运蛋白和Importin亚基β-1、植物）的基因组区域。

       在5号染色体上，我们检测到三个假定的基因（Expansin，AUX/IAA蛋白和AP2/ERF结构域）。在8号染色体上，我们确定了两个假定的基因（AUX/IAA蛋白;富含甘氨酸的蛋白质）。
       在14号染色体上鉴定出几个推定基因。
       在通过Ldheatmap显示平均相关性的15号染色体上，
       在目标SNP标记附近鉴定出五个基因。与19号染色体块茎产量相关的SNP的LD热图显示存在9个推定基因（ABC转运蛋白样，Exportin-1/Importin-β样，钠/钙交换膜区域，AUX/IAA蛋白，双子病毒AL3外壳蛋白，AP2/ERF结构域，主要促进剂，糖转运蛋白样和Expansin）。
       我们在与YMV相关的SNP附近的2号染色体上确定了四个候选基因，即AP3/ERF结构域，主要促进者，糖转运蛋白样和AUX/IAA蛋白。据报道，已鉴定的2个候选基因AP3/ERF结构域和AUX/IAA蛋白
       赋予与植物防御和生长相关的基本基因功能。

       位于与YMV相关的基因组区域的5号、10号、15号、16号和6号染色体SNP之间的成对LD与三个主要单倍型块显示出更高的相关性。
       在2号染色体上，在显著的SNP附近鉴定出3个不同的推定基因与YMV抗性相关，即SNF1相关结构域、双子病毒AL2外壳蛋白、SANT/Myb结构域、双子病毒AL1复制相关蛋白、CLV型、叶绿素A-B结合蛋白、AP1/ERF结构域、Gdt家族、NB-ARC、可能转座酶、Ptta/En/Spm植物、双子病毒AL复制相关蛋白，催化结构域，
       驱动蛋白样蛋白和双子病毒代表催化结构域。
       研究性状之间的自然变异性很大，信息量很大。块茎单产量广义遗传力相对较高，为0.708，0.地瓜花叶病毒严重程度评分903表明不同克隆之间的性状存在显著遗传变异。因此，所研究的性状可以通过选择进行遗传改良。此外，
       在研究材料中观察到的自然遗传变异表明它们与遗传研究的相关性。

       了解所研究克隆中的种群结构对于确定它如何影响GWAS推断标记-性状关联的能力至关重要。本研究基于三角洲的种群结构揭示了7个亚群，
       表明遗传变异性高
       。高遗传变异性表明所研究的克隆具有遗传改良的潜力，旨在提高每株和地瓜花叶病毒的块茎产量。
       系统发育分析揭示了与人口结构分析相似的结果，表明它们与预防GWAS假关联在本研究中具有相关性。因此，标记密度、
       多样性和样本量表明，
       用于本研究的地瓜育种小组有足够的把握度来捕获所研究性状的等位基因变异。
       我们的研究结果表明，具有不等效应的多个位点会影响白地瓜中TYP和YMV的变异。本研究中已确定的具有生长、发育和抗病基因的新型候选基因组区域需要在地瓜种质中进一步验证和测试。这可以通过将这些MTA转化为低成本的Kompetitive等位基因特异性PCR（KASP）标记来完成，该标记可以有效地将等位基因转移到小麦报道的精英地瓜基因型中。

       这些宝贵的基因组资源和基于PCR的标记（KASP标记）可以通过标记辅助选择（MAS）极大地支持地瓜育种中关键性状的选择计划。
       这些还将支持对地瓜的遗传学、比较基因组学和进化的系统研究
       ，旨在加快控制块茎产量和地瓜花叶病毒等农艺重要性状的基因的分离和表征。
       在研究的406种基因型中存在有用的遗传变异性。TYP和YMV的遗传结构受分布在白地瓜20条染色体上不均匀分布的不同QTN调控。在4种MLM模型中，pKWmEB和pLARmEB在识别更多QTN方面最为稳健。

       相关的SNP标记物可能用于靶向和加速每株块茎产量以及白地瓜的YMV抗性。我们研究的信息可以帮助设计新的育种策略，
       在未来基于标记的育种中囤积优质等位基因，
       以获得每株块茎产量和地瓜花叶病毒。
       控制这些研究性状的染色体区域可用于白地瓜种群改良中有利等位基因的选择和有效金字塔化。研究结果与使用标记辅助育种（MAB）和基于单倍型的方案改善理想TYP和YMV性状的种群相关。