科研 | Plant Biotechnol. J.：通过pQTL定位和多组学联合分析挖掘玉米新的籽粒大小基因

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编译：微科盟花卷小丸子，编辑：微科盟Tracy、江舜尧。

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导读

玉米籽粒是糖、蛋白、油分和关键营养物质的贮藏器官，是提高玉米产量改善品质的主要研究对象，也是进行遗传和分子生物学研究的模式组织。国内广泛应用的关联群体和5个重组自交系已经在基因组、转录组、代谢组、表型组水平应用全基因组关联分析（GWAS）和连锁定位，获得了与玉米籽粒品质和大小相关的数量性状遗传位点（QTL）上的一些候选基因。目前，在群体范围上，对玉米籽粒蛋白组的研究鲜有报道。蛋白组QTL（pQTL）分析已经在多种人类疾病诊断上应用，并构建了应用于临床的基因组-蛋白组网络。阐明现代玉米育种过程中基因表达变异的功能背景十分必要，但是pQTL如何调控玉米籽粒发育还未报道。

论文ID

原名：Mining Novel Kernel Size Related Genes by pQTL Mapping and Multi-Omics Integrative Analysis in Developing Maize Kernels译名：通过pQTL定位和多组学联合分析挖掘玉米新的籽粒大小基因
期刊：Plant Biotechnology Journal
IF：8.154发表时间：2021.05通讯作者：汤继华，付志远，严建兵
通讯作者单位：河南农业大学农学院，华中农业大学植物科学技术学院

实验设计

实验结果

本研究利用二维凝胶电泳与 LC-MS/MS 结合技术，在210个自交系的发育籽粒中鉴定了468个清晰且一致的蛋白质点。这些蛋白质点由 283 个 unigenes 翻译而来，其中84个基因编码的蛋白质参与转录后/翻译修饰。KEGG分析表明，54%已鉴定到的蛋白质富集在碳水化合物代谢 (13%) 、氨基酸代谢 (16%) 和遗传信息加工 (18%)（图1a）。46% 已鉴定蛋白质无法归入已知的KEGG 通路，表明发育中的玉米籽粒中有相当多的蛋白质未被表征。自交系之间差异积累的蛋白质鉴定到297 个。通过Gephi0.9.2的模块化方法对转录本和蛋白质丰度分别计算成对 Pearson 相关系数，根据r² >= 0.25, p <= 0.05) 构建调节网络（图1b和1c）。对两个网络的分析表明，参与同一途径的基因并不总是出现在同一模块中。此外，转录水平与同一基因的蛋白质丰度之间存在中度或较低的相关性，如几个先前报道的用于籽粒发育的基因：GRMZM2G068506 (Bt2)、GRMZM2G429899 (Sh2)、GRMZM2G089713(Sh1)、GRMZM2G415359 (Mdh4)、GRMZM2G306345 (Mdh4)、GRMZM2G306345(Pdk1) 和GRMZM2G097457 (Pdk2)，只有 Bt2表现出转录本和蛋白质水平之间的强相关性（r = 0.78, p < 0.01）。这些基因在转录水平上聚集到不同的子网络（图 1b），但在蛋白质水平上聚集到相同的子网络（图 1c），表明，群体的转录水平并不总能准确预测蛋白质丰度，蛋白质丰度变化可能在协调参与相同生物学途径的基因的生物学功能方面发挥重要作用。因此，有必要进行 pQTL 分析以充分阐明与籽粒相关表型的分子基础。 图1 玉米籽粒开发中的pQTL鉴定和多组学整合分析
（a）已鉴定蛋白质的功能注释。（b-c）基于 297 个蛋白质的蛋白质丰度及其相应转录物的表达水平构建的网络。（d）此处确定的 46 个 pQTL 和先前确定的与这些 pQTL 一致的籽粒相关性状的 QTL。（e）pQTL 的染色体分布。x 轴表示 pQTL 在十条玉米染色体上的物理位置 (Mb)，热图显示了这些 pQTL 在整个玉米基因组中的密度（窗口大小 = 10 Mb）。（f）数据分析流程图。（g）候选基因区域关联分析和P1107 近端 pQTL 的成对连锁不平衡分析。GRMZM2G399284 位于反义链上，条形图显示与先导 SNP 相关的蛋白质丰度差异。（h）通过 KN5585 中的遗传转化验证 GRMZM2G000823，顶部显示了两个 T1 独立转基因品系，中间显示了 T2 穗上 3 bp 缺失的分离，比例尺，1 厘米，下图是 WT 和突变粒之间的粒大小和百粒重的统计分析。*** p < 0.001，Student t 检验，三个生物学重复。（i）基于多组学整合分析构建玉米籽粒形成网络。
我们基于1.25 M SNPs进行GWAS，以p值（1/N, p <=2.04 × 10^-6）为阈值，确定了与40个蛋白质丰度显著关联的独立SNPs共421个，这些蛋白质点由38个unigenes编码。在210个自交系的Lead SNP正负50 Kb 侧翼区域内，我们根据全基因组的连锁不平衡（r² >= 0.1），鉴定到了46个非冗余pQTLs，包括13个近端pQTLs和33个在10条玉米染色体上分布不均的远端pQTL（图1d），7号染色体上pQTLs密度最低，2号染色体上pQTLs密度最高（图1e）。五个蛋白质点：P3206、P4506、P3005、P5202 和 P2111，受到两个或多个pQTL调控，其余蛋白点仅受一个pQTL的调控，两个pQTL调节在转录后/翻译修饰中起作用的蛋白质（P5315和P6207，P6508和P7502）。

我们通过对该群体进行多组学整合，来全面了解玉米籽粒发育的机制基础（图1f）。发现先前报道的87个eQTLs调节编码30个蛋白点的基因的转录水平，而我们仅在蛋白点 P1107、P1208、P6508、P8302和 P5211中观察到 eQTL 和 pQTL 的共定位。将鉴定的 pQTL 与先前报道的籽粒品质 QTL 和普通QTL 进行了比较，我们发现17 个 pQTL 与来自关联群体的 10 个 QTL 和来自五个 RIL 群体的 10 个 QTL 一致（图1d）。只有四个表型 QTL 与其 eQTL 和 pQTL 共分离，P6508 和 P7502 蛋白的丰度与其转录水平显着相关，并且其 pQTL 与在 ZHENG58 × SK重组自交系（RIL）群体中鉴定到的粒宽（KW）QTL（LOD = 7.03，R² = 9.37%）共定位；P8302 的 pQTL 与近端 eQTL、（谷氨酰胺和谷氨酸）/总氨基酸水平的 QTL 、代谢物 n0565 和 n0579 的 mQTL、RIL 群体（ZHENG58 × SK）粒长 (KL) QTL，均共定位(LOD = 3.19, R2 = 4.81%)（图1g）；P1107 的 pQTL 与RIL 群体（BY815 × KUI3）近端 eQTL 和粒厚 (KT) QTL (LOD = 3.16, R2 =5.11%) 一致；P5211 的丰度与其近端 eQTL 显着相关，后者与先前报道的 RIL 群体（K22 × CI7）的 KW QTL（LOD = 4.28，R2 = 7.22%）共定位。综上所述，多组学整合分析在揭示玉米遗传变异与籽粒性状之间新关系方面起到很重要的作用。

然而，不同水平之间的相关性很低，因为从 DNA 到表型的信息流动是一个信号传播过程。因此，这种整合策略不适用于共同分离的功能无关 QTLs，例如远端 pQTLs。 P2704 的远端 QTL （GRMZM2G000823）编码 EAD-box ATP 依赖性 RNA 解旋酶 38，与之前报道的任何籽粒大小 QTL 都不重合。我们通过CRISPR-Cas9遗传转化来验证该基因（图1h），在阳性杂合株系 T₁检测到了3 bp 缺失从而导致赖氨酸 (K) 缺失，在其后代的 T₂穗子，检测到正常籽粒和小粒大约 3:1 的分离比例。所有具有突变表型的 T₂ 籽粒都带有 3-bp 缺失 (-/-)，而正常的 T₂ 籽粒表现出杂合 (+/-) 或纯合 WT (+ /+) 基因型，确定了该基因上3-bp 缺失是突变表型和正常籽粒遗传上的差异来源。与从同一穗收获的 WT 籽粒相比，突变籽粒中的籽粒大小组分（包括 KL、KW 和 KT）均显著降低，其中 HKW 降低了近 50%，证明 GRMZM2G000823 与籽粒大小变异之间有一定关系，并证明了 pQTL 分析在鉴定籽粒相关性状的新候选基因方面的可用性。总之，涉及 pQTL的多组学整合分析为玉米籽粒发育中的蛋白质丰度变化增加一层新的功能性背景知识；结果表明，参与氨基酸代谢、信号转导和未知机制的基因可能会调节玉米粒大小（图 1i）。

结论

本研究鉴定到自交系群体468个清晰的蛋白质点，一半蛋白质参与碳代谢、氨基酸代谢和遗传信息加工，另一半参与玉米籽粒发育的蛋白质未知，说明参与氨基酸代谢、信号转导和未知机制的基因可能会调节玉米粒大小。转录本丰度和蛋白丰度的相关性分析显示，参与相同通路的蛋白质对应的转录本并不聚到同一模块，说明群体水平仅通过转录本的丰度来预测蛋白质丰度并不可靠。因此，涉及 pQTL的多组学整合分析在揭示玉米遗传变异与籽粒性状之间的新关系方面具有重要作用。

原文链接：  

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34013625/

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