Genetica și genomica plantelor

Editat de
Xiaowu Wang

Institutul de Cercetări Biotehnologice, Academia Chineză de Științe Agricole, China

Revizuite de
Mingsheng Chen

Institutul de Genetică și Biologie a Dezvoltării, Academia Chineză de Științe, China

Kun Lu

Southwest University, China

Afilierile editorului și ale recenzenților sunt cele mai recente oferite în profilurile lor de cercetare Loop și este posibil să nu reflecte situația lor în momentul examinării.

analiza

  • Descărcați articolul
    • Descărcați PDF
    • ReadCube
    • EPUB
    • XML (NLM)
    • Suplimentar
      Material
  • Citarea exportului
    • Notă finală
    • Manager de referință
    • Fișier TEXT simplu
    • BibTex
DISTRIBUIE PE

Cercetare originală ARTICOL

  • 1 Alianța Queensland pentru Agricultură și Inovare Alimentară, Universitatea din Queensland, Warwick, QLD, Australia
  • 2 Departamentul Agriculturii și Pescuitului, Facilitatea de Cercetare Hermitage, Warwick, QLD, Australia
  • 3 BGI Genomics, BGI-Shenzhen, Shenzhen, China
  • 4 Școala de științe agricole și alimentare, Universitatea din Queensland, Brisbane, QLD, Australia
  • 5 Alianța Queensland pentru Agricultură și Inovare Alimentară, Universitatea din Queensland, Brisbane, QLD, Australia

Introducere

O populație mondială în creștere și o creștere a bogăției determină cererea de produse agricole, în special cereale, care furnizează mai mult de 75% din caloriile consumate de oameni (Sands și colab., 2009). Cu terenuri arabile și resurse de apă limitate, în special în Africa Subsahariană, unde sorgul este un aliment de bază și rata de creștere a populației este una dintre cele mai mari din lume, creșterea randamentului pe unitate de suprafață a culturilor de cereale va fi esențială pentru a satisface această cerere. . Numărul de semințe pe unitatea de suprafață și dimensiunea semințelor sunt componente critice ale randamentului semințelor. Deși numărul semințelor tinde să aibă o influență mai mare asupra randamentului (Boyles și colab., 2016), dimensiunea semințelor poate aduce o contribuție semnificativă și poate oferi perspective de îmbunătățire suplimentară a randamentului (Yang și colab., 2009). În plus, este adesea un atribut major de calitate (Lee și colab., 2002). Prin urmare, elucidarea bazei genetice a dimensiunii semințelor și a impactului domesticirii asupra genelor dimensiunii semințelor din sorg va spori înțelegerea domesticirii culturilor și va oferi noi ținte pentru manipularea dimensiunii semințelor în practica de reproducere.

Dimensiunea semințelor este o trăsătură fiziologic complexă. Semințele de sorg tind în mod obișnuit spre sferice, deși există variații fenotipice considerabile în lungime, lățime și densitate. Mărimea potențială a sămânței este adesea asociată cu numărul celulei, dimensiunea celulei și numărul granulelor de amidon și este puternic corelată cu volumul ovarului la anteză (Yang și colab., 2009). Cu toate acestea, măsurile asociate cu mărimea semințelor nu au fost utilizate în mod consecvent în literatura de specialitate, unde greutatea individuală a boabelor este adesea folosită ca surogat pentru mărimea semințelor. Ca componente cheie ale cererii de carbon (chiuvetă) în timpul umplerii semințelor, dimensiunea și greutatea semințelor sunt puternic asociate atât cu aprovizionarea cu carbon (sursă), cât și cu transportul între sursele de carbon și semințe (cale). Masa potențială a semințelor individuale este determinată de rata și durata umplerii semințelor. În sorg, rata de umplere a semințelor este puternic corelată cu volumul ovarului la anteză, care la rândul său este asociat cu dimensiunea cupolei meristematice în timpul dezvoltării timpurii a florilor (Yang și colab., 2009).

Deși semințele cu dimensiuni potențiale mai mari tind să aibă o masă mai mare de semințe, măsura în care această masă crescută de semințe este de fapt atinsă este puternic determinată de disponibilitatea asimilată pentru fiecare semință. Cantitatea de asimilat pe semințe este determinată de factori care afectează atât numărul de semințe, cât și oferta de asimilare. Numărul total de semințe pe plantă este determinat de numărul de semințe pe paniculă și de numărul de panicule pe plantă (adică, cultivarea și ramificarea), care sunt afectate de o serie de factori genetici și de mediu (Alam și colab., 2014). O corelație negativă între mărimea semințelor și numărul semințelor a fost observată frecvent la cereale (Jakobsson și Eriksson, 2000; Acreche și Slafer, 2006; Peltonen-Sainio și colab., 2007; Sadras, 2007). În mod specific în sorg, acest compromis a fost observat de diferite grupuri (Heinrich și colab., 1983; Yang și colab., 2010; Burow și colab., 2014). Trăsături, cum ar fi numărul de semințe pe paniculă și numărul de motocultoare pe plantă, sunt de asemenea corelate negativ cu dimensiunea semințelor (Moles și Westoby, 2004). Contribuitorii la disponibilitatea asimilării pentru umplerea semințelor, inclusiv fotosinteza (Jagadish și colab., 2015), au arătat corelații pozitive cu dimensiunea semințelor. Factorii de mediu pot exercita, de asemenea, o influență puternică asupra dimensiunii semințelor prin afectarea aprovizionării asimilate (Jenner, 1994; Borrell și colab., 2014) și translocarea carbonului (Zolkevich și colab., 1958).

Sorgul, al doilea după porumbul dintre cerealele C4 în ceea ce privește amploarea producției de cereale, este cunoscut pentru adaptarea sa la căldură și stres de secetă și este un aliment de bază pentru 500 de milioane dintre cei mai săraci oameni din lume. În ciuda importanței mari a acestei culturi, baza genetică a mărimii semințelor în sorg a făcut obiectul a relativ puține studii și sunt disponibile puține informații despre controlul genetic al trăsăturii și semnăturilor domesticirii. Prin urmare, acest studiu își propune să investigheze modelele și semnăturile polimorfismului de domesticire a genelor candidate asociate cu mărimea și greutatea semințelor, utilizând date de resecvențiere pentru un grup divers de genotipuri sălbatice, cu buruieni și landrace (Mace și colab., 2013) pentru a îmbunătăți înțelegerea domesticirii culturilor și furnizarea de ținte potențiale pentru manipularea dimensiunii semințelor în reproducerea sorgului.

Materiale și metode

Colectare de date

Gene asociate cu mărimea și greutatea semințelor (denumite în continuare mărimea semințelor) la trei specii, porumb, orez și Arabidopsis, au fost identificate printr-o revizuire cuprinzătoare a literaturii (Tabelul S1). Lungimea semințelor, lățimea semințelor și densitatea semințelor sunt toate potențial asociate cu dimensiunea semințelor; prin urmare, mai mulți parametri, inclusiv greutatea mii de semințe, lungimea semințelor și lățimea semințelor, au fost folosiți ca cuvinte cheie pentru căutările din literatură. Un subset de gene de mare încredere au fost identificate cu dovezi ale asocierii lor cu dimensiunea semințelor susținute de clonarea QTL, experimente transgenice, analize mutante, semnal de asociere și/sau analiza liniilor aproape izogene.

Ansambluri genomice și modele genetice prevăzute și secvențe proteice pentru Arabidopsis thaliana (TAIR10), Orez sativa (IRGSP-1.0), Zea mays (AGPv4) și Sorg bicolor (v3.0) au fost descărcate de la TAIR (https://www.arabidopsis.org); Baza de date a proiectului Rice Annotation (http://rapdb.dna.affrc.go.jp); Gramene (http://www.gramene.org) și institutul Joint Genome (http://www.phytozome.net), respectiv.

Identificarea genelor Orthologos

Genele ortologe din sorg au fost identificate prin combinarea abordărilor bazate pe sintenie și cele mai bune hituri bidirecționale (BBH) (Wolf și Koonin, 2012). Relațiile sintetice genomice dintre sorg și speciile model au fost extrase din baza de date de copiere a genomului plantelor (http://chibba.agtec.uga.edu/duplication/) și utilizate pentru a căuta ortologi sintetici, în timp ce o abordare BBAST locală a fost utilizată pentru abordarea BBH pentru a identifica perechi de gene din două genomi care sunt cele mai bune hit-uri BLAST (cel mai mare scor) între ele, folosind BLASTP.

Analiza expresiei genelor candidate la dimensiunea semințelor

Datele privind expresia întregului genom din studiul realizat de Davidson și colab. (2012) a fost folosit pentru a investiga expresia diferențială a celor 114 gene candidate. Setul de date a comparat expresia genelor din semințe în două momente diferite de timp și două țesuturi diferite de semințe, în plus față de cinci țesuturi non-semințe (Davidson și colab., 2012). Valoarea maximă de expresie (Fragmente pe kilobază de transcriere pe milion de lecturi cartografiate, FPKM) din oricare dintre probele de țesut de semințe a fost comparată cu valoarea maximă de expresie în oricare dintre țesuturile non-semințe și s-a utilizat o diferență de pli> 2 care au fost diferențiat extrem de exprimate în sămânță.

Analiza geneticii populației

Parametrii genetici ai populației la nivel genic

Datele de secvență ale genelor mărimii semințelor din sorg au fost extrase din întregul genom de resecvenție a datelor, așa cum este descris în Mace și colab. (2013) pentru 25 de genotipuri de sorg, reprezentând două grupuri: (1) genotipuri sălbatice și buruieni și (2) rase terestre. O serie de statistici rezumative bazate pe nivelul genelor, inclusiv diversitatea genetică medie în perechi într-un grup, θπ (Nei și Li, 1979) și Tajima's D (Tajima, 1989), au fost calculate utilizând un modul BioPerl și un script perl intern . FST (Hudson și colab., 1992) a fost calculat pentru a măsura diferențierea populației utilizând un alt modul BioPerl. Reducerea diversității (RoD) în timpul domesticirii a fost calculată ca o reducere a θπ în grupul landrace comparativ cu grupul sălbatic și cu buruieni.

Identificarea semnăturilor de selecție la nivelul SNP

CDS ale genelor mărimii semințelor din 25 de genotipuri resecvențiate au fost utilizate pentru a genera statistici ale populației pentru fiecare SNP utilizând pachetul R PopGenome (Pfeifer și colab., 2014). Mai exact, a fost utilizată o dimensiune a ferestrei de 1 bp cu o dimensiune de pas de 1 bp pentru a defini fereastra de diapozitive. θπ (Nei și Li, 1979), Fst (Hudson și colab., 1992) și Tajima's D (Tajima, 1989) pentru fiecare SNP din CDS au fost calculate folosind comenzi diversitate.stats, F_ST.stats și neutrality.stats. Informațiile funcționale au fost estimate de get.codons. RoD în comparația populației strămoși descendenți în perechi a fost calculată ca o creștere a scăderii θπ în cursa terestră comparativ cu sălbaticul și buruienile. Pentru a identifica SNP-urile în cadrul selecției de purificare, s-au utilizat următoarele criterii: (1) RoD în compararea populației strămoș/descendent ar trebui să fie mai mare decât RoD mediu bazat pe 159 loci neutri; (2) FST ar trebui să fie pozitiv; (3) D-ul lui Tajima ar trebui să fie negativ.

Testul mlHKA

Un set de 63 de gene candidate la dimensiunea semințelor, sub selecție de purificare, au fost utilizate ca input, împreună cu trei selecții aleatorii de 36 de gene din 159 gene neutre, pentru testul mlHKA (Wright și Charlesworth, 2004) în scopuri de validare. Programul mlHKA a fost rulat sub un model neutru, unde numselectedloci = 0, și apoi sub un model de selecție, unde numselectedloci> 0. Numărul de cicluri ale lanțului Markov a fost stabilit să fie de 100.000. Pentru fiecare selecție aleatorie a 36 de gene neutre, trei numere aleatoare de semințe au fost setate să fie 10, 20 și respectiv 30. Aceasta înseamnă că s-au efectuat 3 × 3 = 9 ori de rulare. Semnificația a fost evaluată prin statistica de testare a raportului de probabilitate logaritmică medie, unde dubla diferență de probabilitate a logaritmică între modele este aproximativ chi pătrată distribuită cu df egală cu diferența în numărul de parametri.

Analiza haplotipului genelor în selecție

Analiza haplotip a fost efectuată folosind pachetul R pegas (Sistemul de analiză a populației și genetica evolutivă; Paradis, 2010) și pachetul maimuță (Paradis și colab., 2004) pentru genele aflate în selecție. Funcțiile haplotype, haploFreq și haploNet au fost chemate pentru a genera hărți haplotype. În plus față de landrace și wild & weedy, accesări de la linii îmbunătățite, Guinea margaritiferum rasa si S. propinquum au fost utilizate în analize de haplotip (Tabelul S2).

Rezultate

Gene candidate la mărimea semințelor în sorg

tabelul 1. Gene candidate la dimensiunea semințelor identificate în sorg, inclusiv detalii despre abordarea de identificare, studiul original care descrie funcția genei și prezența selecției de susținere.

figura 1. O sută unsprezece ortologi ai genelor mărimii semințelor identificate în sorg. Atât metoda BBH, cât și relațiile sintetice cunoscute au fost utilizate pentru a identifica ortologii genelor de mărime ale semințelor identificate anterior în Arabidopsis (43), porumb (21) și orez (65). Săgețile negre indică ortologii identificați cu BBH, în timp ce săgețile roșii indică ortologii sintetici.

Cele 114 gene candidate la mărimea semințelor identificate au fost distribuite inegal în cele 10 cromozomi de sorg, variind de la 23 de gene situate pe cromozomul 1 până la doar 2 gene localizate pe cromozomul 5. Date despre expresia întregului genom din studiul realizat de Davidson și colab. (2012) a fost folosit pentru a investiga expresia diferențială a celor 114 gene candidate. Un total de 22 de gene au prezentat niveluri de expresie diferențial ridicate în semințe (Tabelul S3).

Diversitatea genetică în dimensiunea semințelor Gene în sorg

Figura 2. Variația secvenței identificată în genele candidate la mărimea semințelor în sorg. (A) O comparație a diversității secvențelor (θπ) între genele candidate la dimensiunea semințelor (roșu) și mediile la nivelul genomului (albastru) atât în ​​grupa terestră, cât și în grupurile sălbatice și cu buruieni. Barele de eroare indică eroarea standard; * indică o diferență semnificativă (p 2 = 6.546, p-valoare Cuvinte cheie: sorg, mărimea semințelor, ortologi, genomică comparativă, semnături de selecție, domesticire

Citare: Tao Y, Mace ES, Tai S, Cruickshank A, Campbell BC, Zhao X, Van Oosterom EJ, Godwin ID, Botella JR și Jordan DR (2017) Analiza întregului genom al genelor candidate asociate cu mărimea și greutatea semințelor în Sorg bicolor Dezvăluie semnăturile selecției artificiale și cunoștințele despre domesticirea paralelă în culturile de cereale. Față. Plant Sci. 8: 1237. doi: 10.3389/fpls.2017.01237

Primit: 16 mai 2017; Acceptat: 30 iunie 2017;
Publicat: 18 iulie 2017.

Xiaowu Wang, Institutul de Cercetări Biotehnologice (CAAS), China

Mingsheng Chen, Institutul de Genetică și Biologie a Dezvoltării (CAS), China
Kun Lu, Universitatea Southwest, China