应用遗传大数据解析作物养分高效性状的遗传机制课件

应用遗传大数据解析作物养分高效性状的遗传机制2019-8-5应用遗传大数据解析作物养分高效性状的遗传机制2019-8-511.遗传大数据研究体系2.遗传大数据与作物养分的结合3.遗传大数据与作物养分结合的研究进展报告提纲1.遗传大数据研究体系报告提纲21.遗传大数据研究体系2.遗传大数据与作物养分性状的结合3.遗传大数据与作物养分性状结合的研究进展报告提纲1.遗传大数据研究体系报告提纲3遗传大数据方法解析玉米性状的应用从单一群体到多个群体结合遗传与组学技术进行复杂性状的挖掘基因组信息表型遗传学；育种学统计学；生物信息学遗传大数据解析遗传群体(自然群体，人工群体)0100200300400500200020102018YearNumberbiologicalbigdatabiologicalbigdataplant单一群体株型与产量性状多群体多性状多环境的系统解析遗传大数据方法解析玉米性状的应用从单一群体到多个群体结合遗传4创建玉米多亲本随机混合分离群体，熟悉基因组信息Panetal.,2016,NewPhytologist050100150(Mb)02468BzRecombinationrate(cM/Mb)ABD1234756891012347568910RecombinantsMaizeWholeGenomeMaizeChromosome9MaizeWholeGenomeChr.32110987654RecombinationLandscapeCMinMaxRecombinationRate(cM/Mb)B73/BY804BY815/KUI3KUI3/B77KUI3/SC55K22/CI7MO17/X26-4ZHENG58/SKZONG3/YU87-1DE3/BY815K22/BY815DAN340/K22YU87-1/BK创建玉米多亲本随机混合分离群体，熟悉基因组信息Panet5不断挖掘新的基因组信息AGCTGGTGTCTAGGGGCCAGCTGGTGTCTAGGGGCCTAGCTGGTGTCTAGGGGCCGTAGCTGGTGTCTAGGGGCCTAGAGCTGGTGTCTAGGGGCCTCTAAGCTGGTGTCTAGGGGCCTAGGGAGCTGGTGTCTAGGGGCCAGCTGGAGCTGGTGTCTAGGGGCCTGTCTAGAGCTGGTGTCTAGGGGCCGTCTAGGG18nt19nt20nt21nt22nt23nt24nt25nt26ntALine1Line2Line3Line338……MaizeassociationpanelSequencingSequenceextraction376,780192,852197,75526,07230,975B73Mo17SmallRNAspeciesBSmallRNAcluster166,780B73Mo17366,440Panetal.,unpublished基因组GeneTFSmallRNACircleRNALongnocodingRNA不断挖掘新的基因组信息AGCTGGTGTCTAGGGGCCA6创建了混合群体定位分析方法，克隆一个控制株型的新基因Panetal.,2017,PlantPhysiologyPHEHTALTBNULALNAELNBELLLW2年12点田间试验，10个株型性状创建了混合群体定位分析方法，克隆一个控制株型的新基因Pan7利用上述群体与方法开展了多个性状的研究遗传图谱创新群体定位方法玉米基因组进化籽粒维生素E遗传解析玉米温热代基因组进化籽粒大小遗传解析籽粒初级代谢物遗传解析

穗部性状遗传解析籽粒氨基酸含量遗传解析进化品质品质产量利用上述群体与方法开展了多个性状的研究遗传图谱创新群体定位方8利用遗传大数据方法克隆了与绿色革命相关的新基因ZhangandPanetal.,2019,MolecularPlant

(Co-firstauthor）

5’UTRATGTAA6bpInsertionG1G2G3G4G5G6G7G8G9G10G11G12G13283032343638-log10(P)130140150Chr7(Mb)135145300kbGeneannotationEightexpressiongenesExpressiondifferencegene1gene3gene6gene7Expressionnodifferencegene4gene10gene12gene13Gene7-Zm00001d020874Nonsynonymousgene4gene12gene135‘UTRinsertiongene3gene6gene7HZS1462SNP2(T)SNP1(T)6bpDeletion5’UTRATGSNP2(G)SNP1(C)TAASNP3(G)SNP4(T)SNP5(A)SNP3(A)SNP4(C)SNP5(C)300kb40000050100150Chr7(Mb)Euclideandistanceraisedtothefourthpoweronchromosome7ED4利用遗传大数据方法克隆了与绿色革命相关的新基因Zhanga9报告提纲1.遗传大数据研究体系2.遗传大数据与作物养分性状的结合3.遗传大数据与作物养分性状结合的研究进展报告提纲1.遗传大数据研究体系10现代植物营养遗传学的契机1922玉米品种对肥力相应差异1929营养突变体1963对离子的吸收由遗传控制1972《植物矿质营养原理》提出植物营养学概要1994孟德尔遗传规律基因学说中心法则分子标记QTL定位基因组遗传大数据18651926195719952000-2000-2010-植物矿质营养学,养分归还学植物根际营养18401984新时代植物营养遗传学关联分析植物营养遗传学引入中国严小龙张福锁1939营养功能必需元素1972植物营养遗传现代植物营养遗传学的契机1922玉米品种对肥力相应差异19211现代植物营养遗传：利用生物大数据系统解析植物营养学问题微生物元素根系叶片土壤不同环境条件下基因型植物营养体系遗传群体基因组信息组学技术发展植物营养性状的复杂性（植物-环境）现代遗传学的突破性进展（基因组学）个体性状差异-动态+多环境群体水平差异-动态+多环境遗传大数据方法-动态+多环境挖掘候选基因，解决养分吸收利用高效协同机制养分吸收利用科学问题研究思路研究需求遗传个体现代植物营养遗传：微生物元素根系叶片土壤不同环境条件下基因型12研究方向：玉米氮营养高效遗传基础氮高效基因型驱动的植物-微生物互作机制氮高效利用与高产协同机制Geigeretal.,2005Zhangetal.,2019研究方向：玉米氮营养高效遗传基础氮高效基因型驱动的植物-微生13玉米氮高效品种的生理基础：花后氮转移过程是协同高产和氮高效的关键XY335中上部叶片中的氮转移效率显著高于ZD958（郭松，未发表）氮转移关键基因GS1.4在XY335中上部叶片中的表达水平显著高于ZD958玉米氮高效品种的生理基础：XY335中上部叶片中的氮转移效率14报告提纲1.遗传大数据研究体系2.遗传大数据与作物养分性状的结合3.遗传大数据与作物养分性状结合的研究进展报告提纲1.遗传大数据研究体系15高产氮高效玉米亲本吐丝期后存在氮利用效率差异先玉335亲本个体在吐丝期后叶片氮含量与保绿度存在差异Gongetal.,unpublished先玉335亲本在吐丝期后叶片保绿度存在差异高产氮高效玉米亲本吐丝期后存在氮利用效率差异先玉335亲本个1605001000150004812LOD(Mb)Chr1Chr2Chr3Chr4Chr5Chr6Chr7Chr8Chr9Chr102000…..…..PH4CVPH6WCDH1DH200…..Panetal.,2016,NewPhytologist;Panetal.,2017,PlantPhysiology结合遗传大数据方法挖掘了控制氮利用效率的主效位点亲本个体在吐丝期后叶片氮转移存在差异构建了亲本差异的后代群体定位到氮转移差异的主效位点构建了后代群体的遗传图谱05001000150004812LOD(Mb)Chr1Ch17利用组学技术挖掘高产氮高效品种亲本间差异基因Gongetal.,unpublished鉴定了近8000个吐丝后3个时期的上调与下调差异基因差异基因进行了GO富集分析利用组学技术挖掘高产氮高效品种亲本间差异基因Gonget18高产氮高效品种亲本叶片差异表达基因与氮利用效率相关基因表达模式分为8个模块，其中2个模块与氮转移表型相关Gongetal.,unpublished高产氮高效品种亲本叶片差异表达基因与氮利用效率相关基因表达模19氮利用效率相关基因共表达模块构建鉴定出控制氮转移核心调控基因Gongetal.,unpublishedRedmoduleHighTurquoisemodulePH6WCPH4CVPH4CVPH6WCLowBColorkey(-log10P)02.55.0bindingcarbohydratemetabolicprocesscatabolicprocesscatalyticactivitycellcommunicationcellcyclecellularaminoacidandderivativemetabolicprocesscellularcomponentorganizationcytoskeletoncytosolDNAmetabolicprocessendoplasmicreticulumhydrolaseactivitykinaseactivitylipidmetabolicprocessmembranemulticellularorganismaldevelopmentnucleaseactivitynucleobase,nucleoside,nucleotideandnucleicacidmetabolicprocessnucleusplasmamembraneplastidproteinbindingproteinmetabolicprocessresponsetoabioticstimulusresponsetohormonestimulusresponsetoextracellularstimulusresponsetostressripeningsecondarymetabolicprocesssignaltransductionthylakoidtranscriptionfactoractivitytranscriptionregulatoractivitytransportregulationofgeneexpression,epigeneticPH6WC0_1PH6WC0_2PH6WC0_3PH6WC15_1PH6WC15_2PH6WC15_3PH6WC25_1PH6WC25_3PH6WC25_2PH6WC0_1PH6WC0_2PH6WC0_3PH6WC15_1PH6WC15_2PH6WC15_3PH6WC25_1PH6WC25_3PH6WC25_2PH4CV0_1PH4CV0_2PH4CV0_3PH4CV15_1PH4CV15_2PH4CV15_3PH4CV25_1PH4CV25_2PH4CV25_3PH4CV0_2PH4CV0_3PH4CV15_1PH4CV15_2PH4CV15_3PH4CV25_1PH4CV25_2PH4CV25_3PH4CV0_1ACGRMZM2G137421GRMZM2G137421GRMZM2G104639GRMZM2G084397GRMZM2G005233GRMZM2G114893GRMZM2G044383GRMZM2G349187GRMZM2G087103GRMZM2G150758GRMZM2G393529GRMZM2G065829氮利用效率相关基因共表达模块构建鉴定出控制氮转移核心调控基因20PH6WCSPH6WC15PH6WC25PH4CVSPH4CV15PH4CV25WRKY20/1WRKY4/62WRKY2/71WRKY4/58WRKY2/52WRKY72/26WRKY42/69WRKY21/12WRKY51/27WRKY33/57WRKY40/124WRKY51/73WRKY108/75WRKY22/47WRKY70/15WRKY53/79WRKY53/121WRKY53/38WRKYERFAMYBbHLHNACNAC079,080,4,080/40NAC047/122NAC047/25NAC41/63NAC90/93PH6WCSPH6WC15PH6WC25PH4CVSPH4CV15PH4CV25PH6WCSPH6WC15PH6WC25PH4CVSPH4CV15PH4CV25PH6WCSPH6WC15PH6WC25PH4CVSPH4CV15PH4CV25PH6WCSPH6WC15PH6WC25PH4CVSPH4CV15PH4CV25●●WRKYERF0.0900.0950.1000.105GeneRatio0.0050.0100.0150.0200.025p.adjustCount●50.052.555.057.560.00.00070.0262BCGRMZM2G114444AC203535.4_FG001GRMZM2G076657GRMZM2G064630GRMZM2G051793GRMZM2G003715氮转移表型相关基因转录因子表达模式鉴定出氮转移相关的核心转录调控因子Gongetal.,unpublishedPH6WCSPH6WC15PH6WC25PH4CVSPH4C2105001000150004812LOD(Mb)Chr1Chr2Chr3Chr4Chr5Chr6Chr7Chr8Chr9Chr102000利用组学结合大数据方法克隆了氮利用效率基因167.0(Mb)173.0(Mb)

130genesRNA-seq23DEGsbetweenPH6WCandPH4CVWGCNA11genesin“turquoise”module0510152025300102030DaysaftersilkingGRMZM2G057841(ZMAASR6)PH6WCPH4CV0123456780102030DaysaftersilkingGRMZM2G059671(AT5G03730.1/AtCTR1)PH6WCPH4CV02468101214160102030DaysaftersilkingGRMZM2G093716(AT5G22370.1/EMB1705,QQT1)PH6WCPH4CV024681012140102030DaysaftersilkingGRMZM2G118737(ZMINVAN2)PH6WCPH4CV05101520250102030DaysaftersilkingGRMZM2G136296AT5G07350.2(AtTudor1)PH6WCPH4CV01020304050607080900102030DaysaftersilkingGRMZM2G172230(AT5G51070.1/CLPD,SAG15)PH6WCPH4CV01234567890102030DaysaftersilkingGRMZM2G352431AT1G77300.1(ASHH2)PH6WCPH4CV00.511.522.533.50102030DaysaftersilkingGRMZM2G54077AT1G53570.1(MAP3KA,MAPKKK3)PH6WCPH4CV00.511.522.533.544.50102030DaysaftersilkingGRMZM5G814945PH6WCPH4CV05101520250102030DaysaftersilkingGRMZM5G844257PH6WCPH4CV