玉米核心种质黄早四基因组de novo测序及其衍生系遗传解析

【作者】 李春辉； 宋伟； 骆迎峰； 高胜寒； 张如养； 石子； 王夏青； 王荣焕； 王凤格； 王继东； 赵衍鑫； 苏爱国； 王帅； 李鑫； 骆美洁； 王帅帅； 张云霞； 葛建镕； 何航； 严建兵； 王元东； 胡松年； 赵久然；

【机构】 北京农林科学院玉米研究中心； 中国科学院北京基因组研究所； 北京大学； 华中农业大学；

【摘要】 【研究背景】玉米优良骨干自交系黄早四选自于中国地方品种。以农家种唐四平头为材料选育出唐四平头自交系,并以其为母本组配出白单4号等杂交种,在唐四平头自交系繁种田中发现若干异形株,从其中一株自交后代中选育出了黄早四自交系。利用黄早四自交系直接组配的玉米杂交种有近百个,如大面积推广的黄417、掖单2号等。又以黄早四为基础进一步改良选育出大量自交系,通称为黄改系,数以百计的黄改系已形成具有中国特色的玉米核心种质群—黄改群。当前黄改系仍在我国玉米科研和生产中发挥着重要作用,包括目前的主导大品种郑单958、京科968等已累计推广数十亿亩,其父本昌7-2、京92均为黄改系。之前已发表完成了de novo测序的国外骨干自交系B73、Mo17、PH207等,均是来自于美国的重要核心种质。而来源于我国地方品种的玉米核心种质黄早四,与已发表的几个核心种质属于不同的杂种优势群,存在较大遗传差异。因此发布和解析黄早四基因组,对深入理解玉米基因组多样性及黄改系育种改良历史,破解黄早四的确切来源及其遗传结构等都具有重要意义。【材料与方法】本研究以黄早四自交系、其来源上游农家种12份和其下游黄改系228份(含28份骨干自交系)为研究材料,利用已发布的玉米基因组数据进行比较基因组分析,并利用全基因组关联分析方法和选择性消除分析等方法解析黄改系改良过程中的关键位点。【结果与分析】利用高通量测序技术,组装出2.2Gb玉米自交系黄早四基因组,预测出40893个蛋白编码基因,并与已公布的4个美国玉米骨干自交系(B73、Mo17、PH207和W22),以及玉米野生近缘种墨西哥大刍草的基因组进行比较基因组分析和蛋白基因家族聚类。发现其中37756个聚类到20767个基因家族中,24264个基因聚类到6个基因组共有的11324个核心基因家族中;638个基因聚类到264个黄早四特有基因家族中,且串联重复事件是形成黄早四特有基因家族的重要原因。通过对黄早四上游农家种的基因组测序分析,从基因组层面推测出黄早四来源于唐四平头自交系和黄四平头农家种。对黄早四上下游自交系的群体遗传研究表明,超过60%的选择消除信号聚集在IBD(Identity-by-desent)保守区域,并且与产量相关的基因/QTL在黄早四特征性选择区域中富集。黄早四特有家族基因在基因组中并非均匀分布,而是富集分布在产量性状相关基因组区域中。【结论】该研究首次提供了来源于中国的重要玉米骨干自交系黄早四的高质量基因组序列,解析了黄早四来源之谜,并揭示出黄改系遗传改良中的关键基因组区域,为玉米种内基因组遗传变异和遗传改良研究提供了宝贵的数据资源。更多还原