دانلود رایگان ترجمه مقاله مطالعه هم خوانی سراسر ژنوم کنترل ژنتیکی بیوسنتز اسید چرب دانه – Frontiersin 2017

مطالعه ارتباط کنترل ژنتیکی بیوسنتز اسید چرب دانه در براسیکا ناپوس در سطح ژنوم

Genome-Wide Association Study of Genetic Control of Seed Fatty Acid Biosynthesis in Brassica napus

چکیده
اسیدهای چرب و ترکیب آنها در دانه ها, ارزش روغن را برای اهداف تغذیه ای یا صنعتی تعیین می کنند و همچنین بر جوانه زنی دانه و نیز ایجاد گیاهچه اثر می گذارند. برای درک بهتر مبانی ژنتیکی بیوسنتز اسیدهای چرب دانه در کلزا (براسیکا ناپوسL.)، ما یک مطالعه مرتبط در سطح ژنوم را با استفاده از 91205 پلیمورفیسم تک نوکلئوتید (SNP) اعمال نمودیم که توسط یک جمعیت آماری نگاشته با ژنوتیپ بدون چربی با وضوح بالا توسط توالی بندی (SkimGBS) مشخص می شود. ما خوشه ای از مکان های هندسی را در کروموزوم A05 مرتبط با اسیدهای چرب دانه اولئیک (روغنی) و Linاولئیک (لینولئیک) شناسایی کردیم. منطقه ژنوم مشخص شده حاوی اورتولگ هایی از ژنهای Arabidopsis thaliana بود که نقش مهم آنها در تنظیم بیوسنتز اسید چرب دانه شناخته شده است, مانند تریستئاز چربی آسیل-ACP B (FATB) و Fatty Acid Desaturase (FAD5) دارد. این رویکرد ما را قادر می سازد تا ژن های کاری بالقوه تنظیم کننده ترکیب اسید چرب در این محصول مهم تولید کننده روغن را شناسایی نماییم و نشان می دهد که این رویکرد می تواند به عنوان یک ابزار قدرتمند برای تشریح صفات پیچیده برای برنامه های بهبود B. napus استفاده شود.

مقدمه
کلزا (براسیکا ناپوسL.) در حال حاضر دومین تولید کننده بزرگ روغن در جهان پس از سویا است (به ترتیب 70.9 و 314.5 میلیون تن، FAO1). سه اسید چرب اصلی (FAها) در روغن کلزا، اسید اولئیک FA تک-اشباع شده و دو اسید لینولئیک FAs چنداشباع شده و اسید لینولینیک هستند (Smooker et al.، 2011). ارزش تغذیه ای بالای روغن B. napus در مقایسه با سایر روغن های گیاهی به میزان بالای اسید اولئیک و همچنین به نسبت بهینه (2:1) FAهای ضروری لینولئیک (امگا 6) و لینولنیک (امگا 3) نسبت داده می شود (Hu و همکاران، 2006). برای مقاصد صنعتی، پایداری حرارتی روغن B. napus با سطح پایین اسید لینولینیک تضمین می شود. درک مبانی ژنتیکی بیوسنتز اسید چرب در کلزا به منظور دستکاری محتوای آن اهمیت زیادی دارد.
فرایند بیوسنتز روغن در گونه های مدل و عضو دقیقاً مرتبط Brasicaceae به خوبی مشخص شده است؛ Arabidopsis thaliana. این فرایند پیچیده از یک عمل هماهنگ ژن های دخیل در بلوغ دانه، متابولیسم انرژی، اسید چرب و مسیرهای بیوسنتز تریاسیل گلیسرول (TAG) استفاده می کند (Baud and Lepiniec، 2010؛ Bates et al.، 2013). سنتز De Novo FAها در داخل پلاستیدهای دانه اتفاق می افتد و تشکیل اسید پالمیتیک (16:0)، اسید استریک (18:0) و اسید اولئیک (18: 1) را میسر می سازد. پس از تولید، آنها توسط دو دسته از آنزیم های تیواستراز ACP-آسیل (FAT) منتشر می شوند: FATA با نسبت بالاتری نسبت به 18:1-ACP و FATB با همبستگی بالاتر به 16:0-ACP (Bonaventure et al.، 2003). FAهای پلاستیدال به ریشه اندوپلاسمی منتقل می شوند (ER) که در آنجا می توانند از طریق FAD2 و FAD3، آنزیم های کلیدی شناخته شده برای تولید FAهای لینولئیک (18:2) و لینولنیک (18: 3) که به صورت غیر اشباع شده تولید می شوند، تحت تغییرات اشباع زدایی قرار گیرند (Okuley et al.، 1994؛ Yang و همکاران، 2012). به موازات مسیر اشباع زدایی، FAها می توانند توسط FAE1 به اسید اروسیک طویل شوند یا برای تولید TAG، یک شکل عمده روغن دانه در گیاهان به گلیسرول استری شوند (James et al.، 1995). اگر چه مسیرهای متابولیک برای سنتز بیوسنتز اسید چرب به خوبی شناخته شده اند، تنظیم ژنتیکی این مسیرها و از این رو ترکیب ترکیبات اسید چرب در دانه، هنوز درک نشده است.
B. napus (AACC، 2n = 38) از هیبریداسیون طبیعی بین B. rapa (AA، 2n = 20) و B. oleracea (CC، 2n = 18) در حدود 7500 سال پیش نشات گرفت. اجداد تضاعف کروموزومی B. napus تحت تکثیر ژنتیکی قرار گرفتند که منجر به تشکیل خانواده های بزرگ ژن و توالی های تکراری افزونه شد. ژن های بیوسنتز روغن در B. napus تحت گسترش قرار گرفته اند که بیش از آن چیزی است که در سایر گیاهان دانه روغنی شناخته شده است (Chalhub et al.، 2014). Polyploidy و پیچیدگی ژنوم B. napus, انتقال محدود دانش پایه از A. thaliana به بهبود محصول کلزا به عنوان شناسایی ژن های فردی کنترل کننده تغییرات طبیعی در این محصول به چالش کشیدن (Wells و همکاران، 2014).
تا به امروز، چندین مطالعه برای تشریح معماری ژنتیکی بیوسنتز اسیدهای چرب در محصولات روغن انجام شده است. مطالعات نگاشت مکان صفت کمی (QTL) در B. rapa (Basnet و همکاران، 2016)، Glycine max (Wang و همکاران، 2014)، Jatropha curcas ، و B. napus, شناسایی جایگاه هایی با اثر آلل کوچک تا بزرگ درگیر در بیوسنتز اسید چرب در دانه ها را میسر ساخت (Burns و همکاران، 2003؛ Hu و همکاران، 2006؛ Zhao و همکاران، 2008؛ Yan و همکاران، 2011؛ Wang و همکاران، 2015). ارتولوگ های کدگذار آنزیم های اصلی دخیل در بیوسنتز FA، مانند FAD2 و FAD3، در B. napus روی کروموزوم های A1، A5، C1، و C5 (Scheffler و همکاران، 1997. Schierholt و همکاران، 2000؛ Yang و همکاران ، 2012) و A3، A4، A5، C3 و C4 (Hu و همکاران، 2006؛ Smooker و همکاران، 2011) نگاشت شده اند. به تازگی، یک رویکرد ژنتیکی سیستم که مطالعات بیان ژن را با نگاشته ژنتیکی QTL (eQTL) ترکیب نمود, منجر به شناسایی دیگر ژن هایFAD (BrFAD5 و BrFAD7) شد که نقشی تعاملی با BrFAD2 در تنظیم FAهای اولئیک و لینولئیک در B. rapa ایفا می کنند (ET Basnet al.، 2016). مطالعات تحلیل رونویسی در توسعه دانه های Arabidopsis و B. napus نشان داد که تنظیم بیوسنتز FA, پیچیده است و شامل ژن های مسئول برای تنظیم رونویسی، سوخت و ساز نشاسته، و همچنین سیگنالینگ هورمون اکسین و جاسمونات (Niu و همکاران، 2009؛ Mendes و همکاران .، 2013؛ Chen و همکاران، 2015).
به تازگی، مطالعات ارتباط در گستره ژنوم (GWAS) به عنوان یک ابزار قدرتمند برای تشریح معماری ژنتیک صفات پیچیده در گونه های محصول (Edwards و همکاران، 2013) تکامل یافته است. پیشرفت ها در توالی بندی نسل بعدی (NGS) امکان شناسایی هزاران مکان نشانگر ژنتیکی را فراهم می کند که ارتباط آماری آنها با صفات مورد نظر را براساس عدم تعادل ارتباط میسر می کند (Davey et al.، 2011). ژنوتیپ مبتنی بر بی چربی بودن با توالی بندی (skimGBS) از توالی ژنوم کلی کم-پوشش (1-10x) برای ژنوتیپ با وضوح بالا استفاده می کند. ژنومیک خوانده شده از افراد والدین به ژنوم مرجع نگاشته می شوند و SNPها پیش بینی می شوند. پس از آن خواندن ها از نسلی به همان مرجع نگاشته می شوند و مقایسه با فایل SNP والدین، باعث فراخوانی SNP ها در نسلی از یک یا چند ژنوتایپ والدین می شود (Bayer et al.، 2015). نشانگرهای وابسته به ژنتیک می تواند به خاطر صفت موردنظر یا در عدم تعادل ارتباط با یک منبع علمی, گاه به گاه باشند (Rafalski، 2010). تا به امروز، رویکردهای GWAS با استفاده از توالی بندی کلی ژنوم به محققان اجازه داده است تا به تشریح مقررات ژنتیکی صفات پیچیده مانند بیوسنتز روغن، غلظت کاروتنوئید و بازده در محصولات به خوبی مورد مطالعه گرفته از جمله ذرت و برنج بپردازند (Gao و همکاران، 2013؛ Li H. همکاران ، 2013؛ Suwarno و همکاران، 2015). در کلزا، GWAS با استفاده از DartSeq و رویکردهای ژنوتیپ آرایه Brassica 60K SNP, شناسایی آلل های درگیر در تنظیم زمان گلدهی، و نیز صفات کیفیت دانه شامل جوانه زنی، قدرت و وزن دانه را میسر نمود (Li و همکاران، 2014؛ Hatzig و همکاران ، 2015؛ Raman و همکاران، 2016).
هدف از مطالعه حاضر، انجام نگاشت ارتباط GWAS با استفاده از SkimGBS ژنوم کلی (Bayer et al.، 2015) برای شناسایی تغییرات آللیمی بود که بر ترکیب اسید چرب در دانه های اولاد از خطوط هیپلوئید دوبل شده 60 B.napus (DH) تاثیر می گذارد. این رویکرد جدید منجر به شناسایی یک کانون ژنومی ژنهای تنظیم کننده کاندیدای کروموزوم A05 از کلزای زمستانی شد.

Fatty acids and their composition in seeds determine oil value for nutritional or industrial purposes and also affect seed germination as well as seedling establishment. To better understand the genetic basis of seed fatty acid biosynthesis in oilseed rape (Brassica napus L.) we applied a genome-wide association study, using 91,205 single nucleotide polymorphisms (SNPs) characterized across a mapping population with high-resolution skim genotyping by sequencing (SkimGBS). We identified a cluster of loci on chromosome A05 associated with oleic and linoleic seed fatty acids. The delineated genomic region contained orthologs of the Arabidopsis thaliana genes known to play a role in regulation of seed fatty acid biosynthesis such as Fatty acyl-ACP thioesterase B (FATB) and Fatty Acid Desaturase (FAD5). This approach allowed us to identify potential functional genes regulating fatty acid composition in this important oil producing crop and demonstrates that this approach can be used as a powerful tool for dissecting complex traits for B. napus improvement programs.

INTRODUCTION

Oilseed rape (Brassica napus L.) is now the second largest oil-producing crop in the world after soybean (70.9 and 314.5 million tons respectively; FAO1 ). Three of the major fatty acids (FAs) in oilseed rape oil are the monounsaturated FA oleic acid and the two polyunsaturated FAs linoleic acid and linolenic acid (Smooker et al., 2011). The high nutritional value of B. napus oil compared to other vegetable oils is attributed to a high level of oleic acid, as well as an optimal ratio (2:1) of the essential linoleic (omega 6) and linolenic (omega 3) FAs (Hu et al., 2006). For industrial purposes, thermal stability of B. napus oil is assured with a low level of linolenic acid. Understanding the genetic basis of fatty acid biosynthesis in oilseed rape is of great importance in order to manipulate its content. The process of oil biosynthesis has been well-characterized in the model species and closely related member of Brasicaceae; Arabidopsis thaliana. This complex process employs a coordinated action of genes involved in seed maturation, energy metabolism, fatty acid, and triacylglycerol (TAG) biosynthesis pathways (Baud and Lepiniec, 2010; Bates et al., 2013). De novo synthesis of FAs occurs within plastids of the seed and enables formation of palmitic acid (16:0), stearic acid (18:0), and oleic acid (18:1). Once produced, they are released by two classes of acyl-ACP thioesterase (FAT) enzymes: FATA with higher affinity to 18:1-ACP and FATB with higher affinity to 16:0- ACP (Bonaventure et al., 2003). Plastidial FAs are transported to the endoplasmic reticulum (ER) where they can undergo desaturation modification via FAD2 and FAD3, key enzymes known to generate polyunsaturated linoleic (18:2) and linolenic (18:3) FAs respectively (Okuley et al., 1994; Yang et al., 2012). In parallel to a desaturation pathway, FAs can be elongated by FAE1 to erucic acid or esterified to glycerol to generate TAG, a major form of seed oil in plants (James et al., 1995). Although the metabolic pathways for fatty acid biosynthesis synthesis are well known, genetic regulation of these pathways, and thus variable fatty acid composition in seed, is still poorly understood. B. napus (AACC, 2n = 38) originated from natural hybridization between B. rapa (AA, 2n = 20) and B. oleracea (CC, 2n = 18) around 7500 years ago. The diploid progenitors of B. napus underwent genetic triplication which led to formation of large gene families and abundant repetitive sequences. Oil biosynthesis genes have undergone expansion in B. napus which exceeds that known in other oilseed plants (Chalhoub et al., 2014). Polyploidy and the genome complexity of B. napus limit translation of fundamental knowledge from A. thaliana into oilseed rape crop improvement as identification of individual genes controlling natural variation in this crop is challenging (Wells et al., 2014). To date, several studies have been undertaken to dissect the genetic architecture of fatty acid biosynthesis in oil crops. Quantitative trait loci (QTL) mapping studies in B. rapa (Basnet et al., 2016), Glycine max (Wang et al., 2014), Jatropha curcas, and B. napus allowed identification of loci with small to large allelic effect involved in fatty acid biosynthesis in seeds (Burns et al., 2003; Hu et al., 2006; Zhao et al., 2008; Yan et al., 2011; Wang et al., 2015). Orthologs encoding major enzymes involved in FA biosynthesis, such as FAD2 and FAD3, have been mapped in B. napus on chromosomes A1, A5, C1, and C5 (Scheffler et al., 1997; Schierholt et al., 2000; Yang et al., 2012) and A3, A4, A5, C3, and C4 (Hu et al., 2006; Smooker et al., 2011) respectively. Recently, a systems genetic approach that combined gene expression studies with QTL genetic mapping (eQTL) led to identification of other FAD genes (BrFAD5 and BrFAD7) playing an interactive role with BrFAD2 in regulation of oleic and linoleic FAs in B. rapa (Basnet et al., 2016). Transcriptional analysis studies in developing seeds of Arabidopsis and B. napus showed that regulation of FA biosynthesis is complex and involves genes responsible for transcriptional regulation, starch metabolism, as well as auxin and jasmonate hormone signaling (Niu et al., 2009; Mendes et al., 2013; Chen et al., 2015). Recently, genome wide association studies (GWAS) have evolved as a powerful tool to dissect the genetic architecture of complex traits in crop species (Edwards et al., 2013). Advances in next generation sequencing (NGS) allow identification of thousands of genetic marker loci which enables their statistical association with traits of interest based on linkage disequilibrium (Davey et al., 2011). Skim-based genotyping by sequencing (skimGBS) uses low-coverage (1–10x) whole genome sequencing for high resolution genotyping. Genomic reads from parental individuals are mapped to the reference genome and SNPs are predicted. Reads from the progeny are then mapped to the same reference and comparison with the parental SNP file enables the calling of SNPs in the progeny of one or other of the parental genotypes (Bayer et al., 2015). Associated genetic markers can be causal for the trait of interest or in linkage disequilibrium with a causal locus (Rafalski, 2010). To date, GWAS approaches using whole genome sequencing have allowed researchers to dissect genetic regulation of complex traits such as oil biosynthesis, carotenoid concentration and yield in well studied crops including maize and rice (Gao et al., 2013; Li H. et al., 2013; Suwarno et al., 2015). In oilseed rape, GWAS using DartSeq and Brassica 60K SNP array genotyping approaches allowed identification of alleles involved in regulation of flowering time, as well as seed quality traits including germination, vigor and seed weight (Li et al., 2014; Hatzig et al., 2015; Raman et al., 2016). The aim of the present study was to perform GWAS association mapping using whole genome SkimGBS (Bayer et al., 2015) to identify allelic variation that affects fatty acid composition in progeny seeds from 60 B. napus doubled haploid (DH) lines. This novel approach led to identification of a genomic hotspot of candidate regulatory genes on chromosome A05 of winter type oilseed rape.