利用全基因组关联分析从细胞水平研究拟南芥生物量杂种优势的机制

Heterosis of seedling in Arabidopsis is most significantly manifested in increased leaf size which is mainly determined by the number and size of leaf cells. In this project, we plan to identify the genetic regulators of leaf size and its heterosis at the cell level including: 1) to make 300 hybrid combinations in Arabidopsis and determine leaf size, leaf cell number and size of hybrids and parental lines; 2) to perform Genome-wide Association Studies (GWAS) for leaf size, leaf cell number and size using publicly available Arabidopsis SNP data, and identify new genes for leaf size control by expression and function analysis of candidate genes; 3) to perform GWAS for heterosis of leaf size, leaf cell number and size, and identify candidate genes for leaf size heterosis by differential gene expression analysis; 4) to make mutant hybrids for known and new genes involved in leaf size regulation and for leaf size heterosis candidate genes, and identify the genes which contribute to leaf size heterosis by comparing between mutant and wild-type hybrids; 5) to perform sequence analysis of the promoters of heterosis genes, and compare the transcriptomes and cell number and size between mutant and wild-type hybrids, in order to explain the mechanisms of heterosis for leaf size at the cell level.

拟南芥杂交子一代苗期杂种优势最显著表现为生物量和叶片大小增加。叶片大小主要由叶片细胞的数量和大小决定。本项目拟从细胞水平鉴定调控叶片大小及其杂种优势的遗传因子，包括：1）配制共至300个拟南芥杂交组合，测量杂交子一代及其亲本叶片大小、叶片细胞数量和大小；2）利用拟南芥公共SNP数据，进行叶片大小、叶片细胞数量和大小的全基因组关联分析（GWAS），结合基因表达和功能分析，鉴定调控叶片大小的新基因；3）进行叶片大小、叶片细胞数量和大小杂种优势的关联分析，鉴定叶片大小杂种优势候选基因；4）制备调控叶片大小的已知基因和新基因、以及叶片大小杂种优势候选基因突变体杂交子一代，通过与野生型杂交子一代的比较，鉴定叶片大小杂种优势基因；5）对所鉴定的杂种优势基因进行其启动子区序列变异分析，结合突变体和野生型杂交子一代中转录组及叶片细胞数量和大小的比较，从细胞水平上解释叶片大小杂种优势的分子机制。

本项目研究测定了约200个拟南芥杂交组合苗期叶片栅栏组织的细胞面积和数量，借助全基因组关联分析（GWAS）的方法，在细胞水平鉴定出与杂交子一代（F1）叶片细胞数量杂种优势紧密相关的关联区间，其中包含9个候选基因。对部分候选基因通过制备突变体杂交组合并与野生型杂交组合进行比较，初步揭示了H7基因在拟南芥苗期杂种优势中起作用。同时，本研究还对拟南芥杂交组合种子大小进行全基因组关联分析，找到了与F1种子大小杂种优势显著关联的位点和候选基因，并发现过表达CYCB1;4基因后细胞周期加快，产生更大的种子和更高的产量，而cycb1;4突变体种子变小。拟南芥H7和CYCB1;4基因的鉴定为农作物生长和产量杂种优势利用提供了参考。本研究还对一个强优势拟南芥杂交组早期地上部和幼苗第一片真叶进行了持续表型分析和转录组测序，获得了高分辨率的组织器官发育时序动态表型和转录组图谱。通过加权基因共表达网络分析（WGCNA），构建了在亲本和F1之间高度保守、调控幼苗地上部早期发育及真叶发育的核心基因共表达网络。鉴定出了调控以上两个发育过程的共表达网络中的关键基因，并发现这些基因显著富集到光合作用、细胞周期及基础发育和代谢等生物学过程。进一步分析揭示，在转录水平上，F1通过整合母本更强的细胞分裂能力和父本更强的光合作用能力从而促成了其幼苗发育早期相较于亲本的生长优势。此外，本研究还获得了一个以Col-0为共同母本、约100种不同生态型分别为父本杂交产生的半胞杂交组合群体茎尖和第一片真叶的转录组数据。通过全转录组关联分析（TWAS），在群体水平验证了F1中细胞周期和光合作用通路的基因分别在茎尖和真叶的表达上调程度正向调控F1叶片面积杂种优势。并通过表达数量性状位点（eQTL）分析，解释了叶片生长杂种优势表现水平变异的遗传机制。总之，本项目综合运用基因组和转录组分析方法并结合细胞水平表型分析，从叶片生长发育角度解析了拟南芥杂种优势的分子机制，为农作物杂种优势的研究和利用提供了重要线索。

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