Межі в галузі рослинництва

Генетика рослин і геноміка

Редаговано
Сяоу Ван

Інститут біотехнологій, Китайська академія сільськогосподарських наук, Китай

Переглянуто
Mingsheng Chen

Інститут генетики та біології розвитку Китайської академії наук, Китай

Кун Лу

Південно-західний університет, Китай

Приналежності редактора та рецензентів є останніми, наданими в їхніх дослідницьких профілях Loop, і вони не можуть відображати їх ситуацію на момент огляду.

генів-кандидатів

  • Завантажити статтю
    • Завантажте PDF
    • ReadCube
    • EPUB
    • XML (NLM)
    • Додаткові
      Матеріал
  • Експортне посилання
    • EndNote
    • Довідковий менеджер
    • Простий текстовий файл
    • BibTex
ПОДІЛИТИСЯ НА

СТАТТЯ Оригінального дослідження

  • 1 Квінслендський союз з питань сільського господарства та продовольчих інновацій, Квінслендський університет, Уорік, QLD, Австралія
  • 2 Департамент сільського господарства та рибальства, Науково-дослідний центр Ермітажу, м. Уорік, QLD, Австралія
  • 3 BGI Genomics, BGI-Шеньчжень, Шеньчжень, Китай
  • 4 Школа сільського господарства та харчових наук, Університет Квінсленда, Брісбен, QLD, Австралія
  • 5 Квінслендський альянс сільського господарства та інновацій продовольства, Університет Квінсленда, Брісбен, QLD, Австралія

Вступ

Зростання світового населення та збільшення достатку зумовлюють попит на сільськогосподарську продукцію, особливо зернові, які забезпечують понад 75% калорій, споживаних людиною (Sands et al., 2009). Враховуючи обмеженість орних земель та водних ресурсів, особливо в Африці на південь від Сахари, де сорго є основною їжею, а темпи приросту населення є одними з найвищих у світі, підвищення врожайності на одиницю площі зернових культур буде вирішальним для задоволення цього попиту. Кількість насіння на одиницю площі та розмір насіння є критичними компонентами врожайності насіння. Хоча кількість насіння, як правило, має більший вплив на врожайність (Boyles et al., 2016), розмір насіння може внести значний внесок і може запропонувати перспективи для подальшого поліпшення врожайності (Yang et al., 2009). Крім того, це часто є основним атрибутом якості (Lee et al., 2002). Отже, з’ясування генетичної основи розміру насіння та впливу приручення на гени розміру насіння у сорго покращить розуміння одомашнення сільськогосподарських культур та забезпечить нові цілі для маніпулювання розміром насіння в практиці селекції.

Розмір насіння є фізіологічно складною ознакою. Насіння сорго, як правило, схильні до сферичних, хоча існують значні фенотипічні коливання у довжині, ширині та щільності. Потенційний розмір насіння часто пов'язаний з кількістю клітин, розміром клітин і кількістю гранул крохмалю і сильно корелює з об'ємом яєчників при синтезі (Yang et al., 2009). Однак виміри, пов'язані з розміром насіння, не використовуються постійно в літературі, де індивідуальна маса зерна часто використовується як сурогат для розміру насіння. Як ключові компоненти попиту на вуглець (поглинання) під час заповнення насіння, розмір та вага насіння тісно пов’язані як із надходженням вуглецю (джерелом), так і транспортуванням між джерелами вуглецю та насінням (шлях). Потенційна маса окремих насіння визначається швидкістю та тривалістю заповнення насіння. У сорго швидкість заповнення насіння сильно корелює з об’ємом зав’язей при синтезі, що, в свою чергу, пов’язано з розміром меристематичного купола під час раннього розвитку квітника (Yang et al., 2009).

Незважаючи на те, що насіння з більшим потенційним розміром, як правило, мають більшу насіннєву масу, ступінь, наскільки ця збільшена маса насіння насправді досягається, сильно визначається доступністю асиміляції для кожного насіння. Кількість асиміляту на насіння визначається факторами, що впливають як на кількість насіння, так і на його асимілят. Загальна кількість насіння на рослину визначається кількістю насіння на волоть і кількістю волоті на рослину (тобто кущення та розгалуження), на які впливає ряд генетичних факторів та факторів навколишнього середовища (Alam et al., 2014). Негативна кореляція між розміром насіння та кількістю насіння часто спостерігалась у злакових культур (Jakobsson and Eriksson, 2000; Acreche and Slafer, 2006; Peltonen-Sainio et al., 2007; Sadras, 2007). Зокрема, у сорго цей компроміс спостерігався різними групами (Heinrich et al., 1983; Yang et al., 2010; Burow et al., 2014). Такі риси, як кількість насіння на волоть та кількість культиваторів на рослину, також зазвичай негативно корелюють з розміром насіння (Moles and Westoby, 2004). Співробітники асиміляту для заповнення насіння, включаючи фотосинтез (Jagadish et al., 2015), показали позитивні кореляційні зв'язки з розміром насіння. Фактори навколишнього середовища також можуть чинити сильний вплив на розмір насіння, впливаючи на запас асимілятів (Jenner, 1994; Borrell et al., 2014) та транслокацію вуглецю (Zolkevich et al., 1958).

Сорго, яке займає друге місце після кукурудзи серед злаків С4 за масштабами виробництва зерна, відоме своєю адаптацією до спеки та посухового стресу і є основним продуктом для 500 мільйонів найбідніших людей у ​​світі. Незважаючи на велике значення цієї культури, генетична основа розміру насіння у сорго була предметом порівняно невеликих досліджень, і мало інформації про генетичний контроль ознаки та ознак одомашнення. Отже, це дослідження має на меті дослідити закономірності поліморфізму та сигнатури одомашнення генів-кандидатів, пов’язаних з розміром та вагою насіння, використовуючи дані повторного розподілу для різноманітної групи генотипів диких та бур’янових та ландрасних рослин (Mace et al., 2013) з метою посилення розуміння приручення сільськогосподарських культур та забезпечення потенційних цілей для маніпулювання розмірами насіння при розведенні сорго.

Матеріали і методи

Збір даних

Гени, пов'язані з розміром та вагою насіння (надалі - розмір насіння) у трьох видів, кукурудзи, рису та Арабідопсис, були виявлені шляхом всебічного огляду літератури (таблиця S1). Довжина насіння, ширина насіння та щільність насіння потенційно пов’язані з розміром насіння; тому множинні параметри, включаючи тисячу ваги насіння, довжину насіння та ширину насіння, використовувались як ключові слова для пошуку літератури. Ідентифіковано підмножину високоупевнених генів, що підтверджує їх асоціацію з розміром насіння, що підтверджується клонуванням QTL, трансгенними експериментами, аналізом мутантів, сигналом асоціації та/або аналізом близьких ізогенних ліній.

Геномні збірки та прогнозовані генні моделі та білкові послідовності для Arabidopsis thaliana (TAIR10), Oryza sativa (IRGSP-1.0), Zea mays (AGPv4) та Двоцветний сорго (v3.0) були завантажені з TAIR (https://www.arabidopsis.org); База даних проекту "Анотація рису" (http://rapdb.dna.affrc.go.jp); Грамене (http://www.gramene.org) та Інститут спільного геному (http://www.phytozome.net) відповідно.

Ідентифікація генів Orthologos

Ортологічні гени в сорго були ідентифіковані шляхом поєднання підходів на основі синтезу та двонаправленого найкращого попадання (BBH) (Wolf and Koonin, 2012). Геномні синтетичні взаємозв'язки між сорго та модельними видами були вилучені з бази даних копіювання генома рослин (http://chibba.agtec.uga.edu/duplication/) та використані для пошуку синтетичних ортологів, тоді як для підходу BBH була використана локальна стратегія BLAST ідентифікувати пари генів у двох геномах, які є найкращими BLAST-показниками (найвищий бал) один одному, використовуючи BLASTP.

Експресійний аналіз генів кандидатів за розміром насіння

Дані про всю експресію геному в дослідженні Davidson et al. (2012) був використаний для дослідження диференціальної експресії 114 генів-кандидатів. Набір даних порівнював експресію генів у насінні у два різні моменти часу та дві різні тканини насіння на додаток до п'яти тканин, що не є насінням (Davidson et al., 2012). Максимальне значення експресії (фрагменти на кілобазу транскрипту на мільйон відображених зчитувань, FPKM) з будь-якого зразків тканини насіння порівнювали з максимальним значенням експресії в будь-якій з тканин, що не належали до насіння, і різницю складок> 2 використовували для визначення генів які були різно сильно виражені в насінні.

Аналіз популяційної генетики

Параметри генетики популяції на рівні генів

Дані послідовності генів розміру насіння в сорго були витягнуті з цілого геномного даних про повторне секвенування, як описано у Mace et al. (2013) для 25 генотипів сорго, що представляють дві групи: (1) дикорослі та бур’янисті генотипи та (2) ландрас. Ряд зведених статистичних даних, заснованих на рівні генів, включаючи середнє попарне генетичне різноманіття в межах групи, θπ (Nei and Li, 1979) та Tajima's D (Tajima, 1989), були розраховані за допомогою модуля BioPerl та внутрішнього сценарію perl . FST (Hudson et al., 1992) був розрахований для вимірювання диференціації популяції за допомогою іншого модуля BioPerl. Зменшення різноманітності (RoD) під час одомашнення розраховували як кратність зменшення θπ у групі ландрас у порівнянні з дикою та бур’янистою групою.

Визначення підписів щодо відбору на рівні SNP

CDS генів розміру насіння для 25 повторно відстежених генотипів був використаний для формування статистики популяції для кожного SNP за допомогою пакету R PopGenome (Pfeifer et al., 2014). Зокрема, для визначення слайда було використано розмір вікна 1 bp із розміром кроку 1 bp. θπ (Nei and Li, 1979), Fst (Hudson et al., 1992) та Tajima's D (Tajima, 1989) для кожного SNP у межах CDS були розраховані з використанням команд різноманітності, статистики, статистики та нейтральності. Функціональну інформацію оцінював get.codons. RoD у порівнянні попарної популяції предків/нащадків обчислювали як кратність зменшення θπ в ландрасі порівняно з дикими та бур’янистими. Для ідентифікації SNP під час очищувального відбору використовувались наступні критерії: (1) RoD у порівнянні попарної популяції предків/нащадків повинен бути більшим, ніж середній RoD на основі 159 нейтральних локусів; (2) FST має бути позитивним; (3) D Tajima має бути від'ємним.

Тест mlHKA

Набір з 63 генів-кандидатів за розміром насіння під час очищувальної селекції був використаний як вхідні дані, разом із трьома випадковими виділеннями 36 генів із 159 нейтральних генів для тесту mlHKA (Wright and Charlesworth, 2004) з метою перевірки. Програма mlHKA запускалася за нейтральною моделлю, де numselectedloci = 0, а потім за моделлю відбору, де numselectedloci> 0. Кількість циклів ланцюга Маркова була встановлена ​​на рівні 100 000. Для кожного випадкового відбору 36 нейтральних генів було встановлено, що три випадкові числа насіння становлять 10, 20 та 30 відповідно. Це означає, що було виконано 3 × 3 = 9 разів пробіжки. Значимість оцінювали за статистичною статистикою тестування коефіцієнта середнього логарифмічного правдоподібності, де подвійна різниця в log-вірогідності між моделями приблизно дорівнює хі-квадрату, розподіленому з df, рівним різниці в кількості параметрів.

Аналіз гаплотипів генів під селекцією

Аналіз гаплотипів проводили з використанням пакету R pegas (Population and Evolutionary Genetics Analysis System; Paradis, 2010) та пакету мавп (Paradis et al., 2004) для генів, що відбираються. Функції haplotype, haploFreq та haploNet були покликані для створення карт гаплотипів. На додаток до ландрас та дикорослих та бур'янів, приєднання з покращених ліній, Guinea margaritiferum раси і S. propinquum були використані для аналізу гаплотипів (таблиця S2).

Результати

Розміри кандидатів насіння у сорго

Таблиця 1. Гени-кандидати за розміром насіння, ідентифіковані в сорго, включаючи деталі ідентифікаційного підходу, оригінальне дослідження, що описує функцію гена та наявність допоміжної селекції.

Фігура 1. Сто одинадцять ортологів генів розміру насіння, виявлених у сорго. Як метод BBH, так і відомі синтетичні взаємозв'язки використовувались для ідентифікації ортологів раніше ідентифікованих генів розміру насіння у Arabidopsis (43), кукурудзи (21) та рису (65). Чорні стрілки вказують на ідентифіковані BBH ортологи, тоді як червоні стрілки позначають синтетичні ортологи.

114 ідентифікованих генів-кандидатів за розміром насіння були нерівномірно розподілені між 10 хромосомами сорго, починаючи від 23 генів, розташованих в хромосомі 1, і лише до 2 генів, розташованих у хромосомі 5. Дані про експресію цілого генома в дослідженні Davidson et al. (2012) був використаний для дослідження диференціальної експресії 114 генів-кандидатів. Загалом 22 гени демонстрували диференціально високий рівень експресії в насінні (таблиця S3).

Генетична різноманітність в генах розміру насіння в сорго

Малюнок 2. Зміни послідовності виявлені в генах-кандидатах розміру насіння в сорго. (A) Порівняння різноманітності послідовностей (θπ) між генами-кандидатами за розміром насіння (червоний) та середніми показниками по всьому геному (синій) як у ландрасних, так і у диких та бур’янових груп. Смужки помилок вказують на стандартну помилку; * вказує на значну різницю (стор 2 = 6,546, стор-значення Ключові слова: сорго, розмір насіння, ортологи, порівняльна геноміка, підписи підбору, одомашнення

Цитування: Tao Y, Mace ES, Tai S, Cruickshank A, Campbell BC, Zhao X, Van Oosterom EJ, Godwin ID, Botella JR та Jordan DR (2017) Двоцветний сорго Виявлено підписи штучного відбору та уявлення про паралельне одомашнення зернових культур. Спереду. Рослин Sci. 8: 1237. doi: 10.3389/fpls.2017.01237

Отримано: 16 травня 2017 р .; Прийнято: 30 червня 2017 р .;
Опубліковано: 18 липня 2017 р.

Сяоу Ван, Інститут досліджень біотехнологій (CAAS), Китай

Mingsheng Chen, Інститут генетики та біології розвитку (CAS), Китай
Кун Лу, Південно-західний університет, Китай