基于基因调控网络的胡杨无性选育方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于基因调控网络的胡杨无性选育方法，所述方法包括：构建胡杨定位群体；根据胡杨定位群体进行外植体培养，并在培养的过程中获取胡杨生根能力的表型数据、转录组学数据、蛋白质组学数据以及代谢组学数据；分别根据胡杨定位群体的表型数据、转录组学数据、蛋白质组学数据和代谢组学数据定位胡杨生根能力的QTL、eQTL、pQTL以及mQTL；根据胡杨生根能力的QTL、eQTL、pQTL以及mQTL构建胡杨生根过程的基因调控网络，并根据基因调控网络定位胡杨生根能力网络数量性状位点nQTL；根据胡杨生根能力的nQTL进行胡杨无性选育。本发明实施例的方法，能够有效地筛选出生根能力强的胡杨单株，提高胡杨的繁殖率，极大地促进了胡杨抗逆无性系选育。
【专利说明】基于基因调控网络的胡杨无性选育方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及育种【技术领域】，尤其涉及一种基于基因调控网络的胡杨无性选育方 法。
【背景技术】
[0002] 胡杨被誉为"英雄树"，是分布在我国西北沙漠地区的耐盐、耐寒、耐旱、抗风沙的 唯一乔木树种。然而，由于胡杨实生苗的性状分离非常严重，不利于筛选出优良的胡杨单 株。因而，为了克服胡杨性状分离严重的缺点，前目胡杨主要通过无性繁殖的方法进行选 育。但是，胡杨的生根能力比较差，在扦插时，因生根率较低而造成扦插繁殖非常困难。因 此，解决胡杨生根问题已经成为胡杨种质资源筛选的关键环节。
【发明内容】
[0003] 本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0004] 为此，本发明的目的在于提出一种基于基因调控网络的胡杨无性选育方法，能够 有效地筛选出生根能力强的胡杨单株，提高胡杨的繁殖率，极大地促进了胡杨抗逆无性系 选育。
[0005] 根据本发明实施例的基于基因调控网络的胡杨无性选育方法，包括：构建胡杨定 位群体；根据所述胡杨定位群体进行外植体培养，并在所述培养的过程中获取胡杨生根能 力的表型数据、转录组学数据、蛋白质组学数据以及代谢组学数据；分别根据所述胡杨定 位群体的表型数据、转录组学数据、蛋白质组学数据和代谢组学数据定位胡杨生根能力的 QTL、表达数量性状位点eQTL、蛋白质数量性状位点pQTL以及代谢物数量性状位点mQTL;根 据所述胡杨生根能力的QTUeQTUpQTL以及mQTL构建胡杨生根过程的基因调控网络，并根 据所述基因调控网络定位胡杨生根能力网络数量性状位点nQTL;根据所述胡杨生根能力 的nQTL进行胡杨无性选育。
[0006] 根据本发明实施例的基于基因调控网络的胡杨无性选育方法，通过对构建的胡杨 定位群体进行外植体培养，并获取胡杨生根能力的表型数据以及定位胡杨生根能力的QTL、 eQTL、pQTL以及mQTL，以构建胡杨生根过程的基因调控网络，并据此定位胡杨生根能力网 络数量性状位点nQTL，从而能够在构建一个能够揭示从基因到蛋白质再到表型形成这一动 态过程的基因调控网络的基础上，定位影响这一动态过程的nQTL，并指导胡杨无性选育，在 克服了胡杨形状分离严重不利于筛选的问题的同时，能够有效地筛选出生根能力强的胡杨 单株，提高胡杨的繁殖率，极大地促进了胡杨抗逆无性系选育。
[0007] 另外，根据本发明上述实施例的基于基因调控网络的胡杨无性选育方法，还可以 具有如下附加的技术特征：
[0008] 所述根据所述胡杨生根能力的QTL、eQTL、pQTL以及mQTL构建胡杨生根过程的基 因调控网络，具体包括：获取所述胡杨生根能力的QTUeQTUpQTL以及mQTL之间的作用关 系；根据所述作用关系建立表示胡杨生根过程的基因调控网络的微分方程组。
[0009] 所述根据所述基因调控网络定位胡杨生根能力网络数量性状位点nQTL，具体包 括：分别估计所述eQTL、所述pQTL、所述mQTL的基因型对应的第一类微分方程系数；确定 决定所述eQTL、所述pQTL、所述mQTL的基因型差异的第二类微分方程系数；在得到所述第 一类微分方程系数和所述第二类微分方程系数后，定位影响所述微分方程组对应的基因调 控网络结构的nQTL。
[0010] 所述胡杨定位群体包括多个胡杨母株和多个半同胞子代群体，所述构建胡杨定位 群体具体包括：从胡杨自然分布区内随机选取所述多个胡杨母株；分别采集每个母株的种 子并培育成子代苗，以构建与所述多个胡杨母株分别对应的多个半同胞子代群体。
[0011] 所述根据所述胡杨定位群体进行外植体培养具体包括：分别从每个母株和每个半 同胞子代群体中的每个子代上取预设数量的茎段，并对取得的茎段分别进行培养。
[0012] 所述在所述培养的过程中获取胡杨生根能力的表型数据、转录组学数据、蛋白质 组学数据以及代谢组学数据具体包括：在所述培养的过程中，记录所述胡杨定位群体的生 根能力表型数据，并在所述培养的过程中设定多个时间点；根据所述生根能力表型数据从 所述胡杨定位群体中筛选出生根能力大于第一预设阈值或生根能力小于第二预设阈值的 母株和子株；在生根过程中的每个时间点获取所述生根能力大于第一预设阈值或生根能力 小于第二预设阈值的母株和子株的切口组织，并对获取到的切口组织进行转录分析、蛋白 组学分析和代谢组学分析，以获取所述胡杨生根能力转录组学数据、蛋白质组学数据以及 代谢组学数据。
[0013] 所述分别根据所述胡杨定位群体的表型数据、转录组学数据、蛋白质组学数据和 代谢组学数据定位胡杨生根能力的QTL、表达数量性状位点eQTL、蛋白质数量性状位点 PQTL以及代谢物数量性状位点mQTL，具体包括：将所述胡杨定位群体的表型数据与胡杨分 子标记数据进行关联分析以定位影响胡杨生根能力的QTL;将所述胡杨定位群体的转录组 学数据与胡杨分子标记数据进行关联分析以定位影响胡杨生根过程中基因含量的eQTL; 将所述胡杨定位群体的蛋白质组学数据与胡杨分子标记数据进行关联分析以定位影响胡 杨生根过程中蛋白质含量的PQTL;将所述胡杨定位群体的代谢组学数据与胡杨分子标记 数据进行关联分析以定位影响胡杨生根过程中代谢物含量的mQTL。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1为根据本发明一个实施例的基于基因调控网络的胡杨无性选育方法的流程 图；
[0015] 图2为根据本发明一个实施例的基因间相互作用的关系的示意图。
【具体实施方式】
[0016] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0017] 下面参考附图描述根据本发明实施例的基于基因调控网络的胡杨无性选育方法。
[0018] 图1为根据本发明一个实施例的基于基因调控网络的胡杨无性选育方法的流程 图。
[0019] 如图1所示，该基于基因调控网络的胡杨无性选育方法，包括：
[0020] SlOl，构建胡杨定位群体。
[0021] 其中，胡杨定位群体包括多个胡杨母株和多个半同胞子代群体。具体地，可首先从 胡杨自然分布区内随机选取多个胡杨母株，举例来说，在本发明的一个实施例中，可以从胡 杨自然分布区内随机选取500个胡杨母株，其中，为了防止选取的母株之间具有亲缘关系， 可选取株间距大于预设阈值（如50米）的500个母株。然后，分别采集每个母株的种子并 培育成子代苗，以构建与多个胡杨母株分别对应的多个半同胞子代群体。
[0022] S102,根据胡杨定位群体进行外植体培养，并在培养的过程中获取胡杨生根能力 的表型数据、转录组学数据、蛋白质组学数据以及代谢组学数据。
[0023] 其中，生根能力表型数据是指对每个植株（母株或子代）上取得的预设数据量的 茎段的生根数量的平均值。
[0024] 具体地，可分别从每个母株上取预设数量（例如，可以是20)的茎段，并将取得的 茎段作为外植体进行培养，在培养的过程中观察并记录每个母株的茎段的生根能力表型数 据。对于每个半同胞群体，分别从每个子代植株上取预设数量的茎段，并将取得的茎段作为 外植体进行培养，在培养的过程中观察并记录每个子代的茎段的生根能力表型数据。
[0025] 进一步地，可根据生根能力表型数据从胡杨定位群体中筛选出生根能力大于第一 预设阈值或生根能力小于第二预设阈值的母株和子株。生根能力大于第一预设阈值的植株 为生根能力较强的植株，生根能力小于第二预设阈值的植株为生根能力较弱的植株。其中， 第一预设阈值与第二预设阈值可根据历史试验数据设定，举例来说，第一预设阈值可设为 全部植株上选取的茎段的生根数量总平均值的130%，第二预设阈值可设为全部植株上选 取的茎段的生根数量总平均值的70%。
[0026] 另外，可预先在培养的过程中设定多个时间点，在生根过程中的每个时间点获取 生根能力大于第一预设阈值或生根能力小于第二预设阈值的母株和子株的切口组织，并对 获取到的切口组织进行转录分析、蛋白组学分析和代谢组学分析，以获取胡杨生根能力转 录组学数据、蛋白质组学数据以及代谢组学数据。
[0027] S103,分别根据胡杨定位群体的表型数据、转录组学数据、蛋白质组学数据和代谢 组学数据定位胡杨生根能力的QTL、表达数量性状位点eQTL、蛋白质数量性状位点pQTL以 及代谢物数量性状位点mQTL。
[0028] 在本发明的实施例中，由于基因表达、蛋白表达与代谢产物含量之间存在复杂的 交互与因果关系，因此，可构建数学模型构建基因表达、蛋白表达与代谢产物含量之间的数 量关系，并进一步与分子标记进行关联分析，以发现影响基因、蛋白与代谢物含量的QTL，即 eQTL、pQTL与mQTL。其中，用于构建基因表达、蛋白表达与代谢产物含量之间的数量关系的 数学模型可参考相关技术，本发明对数学模型的具体类型不做限定。
[0029] 具体地，可将胡杨定位群体的表型数据与胡杨分子标记数据进行关联分析以定位 影响胡杨生根能力的QTL;将胡杨定位群体的转录组学数据与胡杨分子标记数据进行关联 分析以定位影响胡杨生根过程中基因含量的eQTL;将胡杨定位群体的蛋白质组学数据与 胡杨分子标记数据进行关联分析以定位影响胡杨生根过程中蛋白质含量的PQTL;将胡杨 定位群体的代谢组学数据与胡杨分子标记数据进行关联分析以定位影响胡杨生根过程中 代谢物含量的mQTL。
[0030] 其中，分子标记可以是任意可实现的标记，本发明对分子标记的类型不做具体限 定。举例来说，分子标记可以是SSR标记、SNP标记等。
[0031] 由于eQTL、pQTL和mQTL的定位能同时对多性状进行分析，从而能够克服传统性状 分析方法信息量不足的问题。
[0032] S104,根据胡杨生根能力的QTUeQTUpQTL以及mQTL构建胡杨生根过程的基因调 控网络，并根据基因调控网络定位胡杨生根能力网络数量性状位点nQTL。
[0033] 具体地，可首先获取胡杨生根能力的QTL、eQTL、pQTL以及mQTL之间的作用关系， 然后根据作用关系建立表示胡杨生根过程的基因调控网络的微分方程组。由此，构建了胡 杨生根过程的基因调控网络。
[0034] 进一步，可分别估计微分方程组中eQTL、pQTL、mQTL的基因型对应的第一类微分 方程系数，然后确定决定eQTL、pQTL、mQTL的基因型差异的第二类微分方程系数，并在得到 第一类微分方程系数和第二类微分方程系数后，定位影响微分方程组对应的基因调控网络 结构的nQTL。其中，可将基因调控网络的微分方程组与胡杨的分子标记进行关联分析，从而 得到高解析度、稿精度、高系统性的胡杨基因调控网络。
[0035] 举例来说，如果对于三个基因Genl、Gen2和Gen3来说，三者的作用关系如图2所 示，Genl的表达受到Gen3的抑制，Genl促进Gen2的转录，并且在Genl和Gen2共同促进 Gen3的转录，那么，根据Genl、Gen2和Gen3的作用关系可建立以下微分方程组：
【权利要求】
1. 一种基于基因调控网络的胡杨无性选育方法，其特征在于，包括： 构建胡杨定位群体； 根据所述胡杨定位群体进行外植体培养，并在所述培养的过程中获取胡杨生根能力的 表型数据、转录组学数据、蛋白质组学数据以及代谢组学数据； 分别根据所述胡杨定位群体的表型数据、转录组学数据、蛋白质组学数据和代谢组学 数据定位胡杨生根能力的QTL、表达数量性状位点eQTL、蛋白质数量性状位点pQTL以及代 谢物数量性状位点mQTL ; 根据所述胡杨生根能力的QTL、eQTL、pQTL以及mQTL构建胡杨生根过程的基因调控网 络，并根据所述基因调控网络定位胡杨生根能力网络数量性状位点nQTL ; 根据所述胡杨生根能力的nQTL进行胡杨无性选育。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述胡杨生根能力的QTL、eQTL、 pQTL以及mQTL构建胡杨生根过程的基因调控网络，具体包括： 获取所述胡杨生根能力的QTL、eQTL、pQTL以及mQTL之间的作用关系； 根据所述作用关系建立表示胡杨生根过程的基因调控网络的微分方程组。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述基因调控网络定位胡杨生根 能力网络数量性状位点nQTL,具体包括： 分别估计所述eQTL、所述pQTL、所述mQTL的基因型对应的第一类微分方程系数； 确定决定所述eQTL、所述pQTL、所述mQTL的基因型差异的第二类微分方程系数； 在得到所述第一类微分方程系数和所述第二类微分方程系数后，定位影响所述微分方 程组对应的基因调控网络结构的nQTL。
4. 如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述胡杨定位群体包括多个胡杨 母株和多个半同胞子代群体，所述构建胡杨定位群体具体包括： 从胡杨自然分布区内随机选取所述多个胡杨母株； 分别采集每个母株的种子并培育成子代苗，以构建与所述多个胡杨母株分别对应的多 个半同胞子代群体。
5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述胡杨定位群体进行外植体培 养具体包括：分别从每个母株和每个半同胞子代群体中的每个子代上取预设数量的茎段， 并对取得的茎段分别进行培养。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述在所述培养的过程中获取胡杨生根能 力的表型数据、转录组学数据、蛋白质组学数据以及代谢组学数据具体包括： 在所述培养的过程中，记录所述胡杨定位群体的生根能力表型数据，并在所述培养的 过程中设定多个时间点； 根据所述生根能力表型数据从所述胡杨定位群体中筛选出生根能力大于第一预设阈 值或生根能力小于第二预设阈值的母株和子株； 在生根过程中的每个时间点获取所述生根能力大于第一预设阈值或生根能力小于第 二预设阈值的母株和子株的切口组织，并对获取到的切口组织进行转录分析、蛋白组学分 析和代谢组学分析，以获取所述胡杨生根能力转录组学数据、蛋白质组学数据以及代谢组 学数据。
7. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分别根据所述胡杨定位群体的表型数 据、转录组学数据、蛋白质组学数据和代谢组学数据定位胡杨生根能力的QTL、表达数量性 状位点eQTL、蛋白质数量性状位点pQTL以及代谢物数量性状位点mQTL，具体包括： 将所述胡杨定位群体的表型数据与胡杨分子标记数据进行关联分析以定位影响胡杨 生根能力的QTL ; 将所述胡杨定位群体的转录组学数据与胡杨分子标记数据进行关联分析以定位影响 胡杨生根过程中基因含量的eQTL ; 将所述胡杨定位群体的蛋白质组学数据与胡杨分子标记数据进行关联分析以定位影 响胡杨生根过程中蛋白质含量的PQTL ; 将所述胡杨定位群体的代谢组学数据与胡杨分子标记数据进行关联分析以定位影响 胡杨生根过程中代谢物含量的mQTL。
【文档编号】G06F19/18GK104361262SQ201410532492
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年10月10日 优先权日:2014年10月10日
【发明者】邬荣领, 张健, 薄文浩, 郭允倩, 徐放 申请人:北京林业大学