大家好，今天给大家分享的是一篇关于鉴定玉米叶片发育相关基因的文章。
文章题目：A forward genetics approach integrating genome-wide association study and expression quantitative trait locus mapping to dissect leaf development in maize (Zea mays)（GWAS与表达量性状定位相结合的玉米叶片发育正向遗传学研究）
期刊：The plant journal
影响因子：2020_IF = 6.417; 中科大类: 生物 2区; 中科小类: 植物科学 1区; JCR分区: Q1
发文单位：意大利圣安娜高级研究学院生命科学研究所、比利时根特大学等5家单位。
文章作者：圣安娜高级研究学院Mara Miculan为第一作者，Matteo Dell’Acqua为通讯作者。
摘要：玉米（Zea mays）叶片发育的遗传基础特征研究能帮助育种家获得具有更高活力和生产力的新品种。本研究以197个玉米重组自交系（RILs）为材料，对其苗期多个叶片性状进行分析。正向遗传学方法结合RNA测序和SNPs用来精确定位参与叶片发育的候选基因。首先，将叶片性状与基因表达水平相关联，以确定转录-性状相关性。然后，在GWAS研究中，将叶片性状与SNPs进行关联分析。最后，对38个共表达模块中的所有转录本进行网络分析。通过整合正向遗传学方法，作者鉴定了25个高度富集于特定功能类别的候选基因，为支持液泡质子泵、细胞壁效应器和囊泡交通控制器在叶片生长中的作用提供了证据。这些结果解决了玉米叶片性状测定的复杂性，为玉米精确育种提供了依据。
作者在该研究中采用了一种整合转录组学、表型分析和GWAs的正向遗传学方法，用来确定与玉米叶片性状相关的基因组位点和候选基因（图1）。第一步是表达水平和叶片表型之间的关联。第二步是确定标记-性状关联（MTAs）与GWAS。最后一步是获得eQTL，并将它们与性状-表型关联和MTA联系起来。然后，作者进行了网络分析，同时描述了一个复杂的相互作用网络的生物途径有助于叶片发育，确定了25个候选基因参与叶性状的生物过程。
主要结果：
1. 群体的基因型特征
RNA-seq分析产生了373769个SNP，主要位于端粒区域（图 1a）。 遗传多样性分析表明，每个RIL集都聚集在其相应的亲本之间，而 MAGIC 种群显示出更高的多样性（图 1b）。LD衰减分析发现，在2号染色体上观察到的LD衰退最慢（1.34 Mb），在10号染色体上观察到的LD衰退最快（0.66 Mb）。
图1. 基因型多样性和LD衰减图。(a)染色体SNP密度。SNP的数量用颜色表示。(b)群体结构。用前两个主成分对亲本和RILs做图。 (c)每条染色体的LD衰减图。
2. 性状与转录水平关联
在双亲和多亲本RILs中，叶片伸长率（LER）、细胞分裂区大小（DZ-size）和叶片长度均呈正相关。叶片伸长持续时间（LED）与LER呈负相关（图2a，b）。计算所有保留基因转录水平与性状值的之间的皮尔逊相关系数（PCC），以得出其表达与表型显著相关的基因，以下称为PCC基因。通过该方法，共鉴定出1327个独特的PCC基因，这些基因很少同时与多个性状相关（图2c）。
图2. 性状和转录本之间的皮尔逊相关系数(PCCs)。双亲（a）和多亲（b）RIL群体性状间的PCCs用饼图表示。（c）性状间PCC基因的重叠。
3. SNP关联的性状和eQTL分析
通过eQTL分析得到了871461个显著关联。一般认为，关联的SNPs和转录本之间的距离<1 Mbp归类为local，而其余的eQTL被认为是distant。根据这一定义，发现的大多数关联是distant eQTL（52%）。LED的PCC-eQTLs和GWA-eQTLs数目最多，涉及2617个SNP和601个基因。对于该性状，一个SNP可以影响51个转录本的表达水平。LER是与最少数量的PCC-eQTL和GWA-eQTL相关的表型，转录本和MTAs之间有154个关联，涉及77个SNP和72个基因（图3）。
图3. SNP和GWA-eQTLs在基因组中的位置。x轴上为显著的GWA-eQTLs的基因组位置。y轴上为GWA-eQTLs靶向的转录本在基因组上位置。显著的GWA- eQTL用灰点表示。在GWA-eQTLs和PCC-eQTLs中同时鉴定到的转录本用彩色的圈表示。
4. 共表达网络分析
为了更全面地了解驱动叶片发育的分子机制，对每个RIL群体进行加权基因共表达网络分析（WGCNA）。叶长与6个模块相关，LER与1个模块相关，LED与8个模块相关，DZ大小与6个模块相关（P<0.05）。只有品红、棕褐色和青色模块与除LER外的所有性状相关（图4a）。候选模块的GO注释（FDR<0.05）分析显示在次级细胞壁生物发生（品红和深橙色模块）、细胞周期阻滞和生长素信号转导（tan模块）、木质素分解代谢过程（深橙色模块）、肽生物合成过程（浅青色模块）和转录共激活活性（青色模块）中显著富集。与性状相关的候选模块比与性状无关的模块具有更高的模块内平均连接性（kWithin，即给定基因与同一模块的基因的连接程度）和更低的模块间平均连接性（kOut，即给定基因与模块外基因的连接程度）。所有模块均表现出负平均连通性差异（kDiff），即模块内和模块间连通性的差异，只有5%的基因具有正kDiff值（图4b）。
图4. 共表达分析。(a)共识模块-特质关联。每行对应一个共有模块特征基因，每列对应一个特征；每个单元格中的数字为相关值。星号表示显著相关。 (b） 共识模块的连通性度量。第一个面板对应于模块内连接（kWithin），第二个面板对应于模块间连接（kOut），第三个面板对应于模块内和模块间连接的差异（kDiff）。在每个面板中，左边的箱线图报告了与性状不相关的模块的连通性度量，而右边的箱线图则是与性状相关的模块。每个点的颜色与模块名称相对应。
5.挖掘候选基因
该研究中共有25个基因对应的转录本，其表达水平与其中一个性状（PCC基因）同时相关，并由同一性状的一个或多个MTAs控制。例如，位于2号染色体上50.5 Mb的SNP增加了位于2号染色体上5.19 Mb的两个PCC基因（ZM00001D0064）和位于Chr 4上177.54 Mb的两个PCC基因（Zm00001d052047）的表达，而降低了位于2号染色体上141.2 Mb的PCC基因（ZM00001D04822）的表达。在该位点具有纯合突变等位基因的RIL显示出较低的DZ大小、LED和叶长值，同时加强了靶向转录本在确定表型中的可能作用（图5）。
图5. eQTL对基因表达和表型值影响的例子。位于2号染色体上 50,479,366位置的SNP影响三个基因（Zm00001d002064编码糖基转移酶、Zm00001d052047编码bZIP转录因子和Zm00001d004822编码未知功能的蛋白质）的转录水平以及DZ大小、LED和叶长的表型值。基因型0为纯合参考基因型，基因型1为杂合，基因型2为纯合突变基因型。DZ，分区；eQTL，表达数量性状位点；LED，叶片伸长持续时间
作者通过全基因组关联研究与表达量和性状定位相结合的方法，鉴定了25个影响叶片发育的候选基因，解决了玉米叶片性状测定的复杂性，为玉米精确育种提供了依据。
文中所有图片均来自A forward genetics approach integrating genome-wide association study and expression quantitative trait locus mapping to dissect leaf development in maize (Zea mays)**
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文章链接地址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.15364#
参考文献：
1.Miculan, M., Nelissen, H., Hassen, M. B., Marroni, F., Inze, D., & Enrico, M. (2021). A forward genetics approach integrating genome-wide association study and expression quantitative trait locus mapping to dissect leaf development in maize (Zea mays).