Вложенное ассоциативное картирование ( NAM ) — это метод, разработанный лабораториями Эдварда Баклера , Джеймса Холланда и Майкла МакМаллена для идентификации и анализа генетической архитектуры сложных признаков кукурузы ( Zea mays ). Важно отметить, что вложенное ассоциативное картирование (в отличие от ассоциативного картирования ) — это особый метод, который не может быть выполнен вне специально разработанной популяции, такой как популяция NAM кукурузы, [1] подробности которой описаны ниже.
NAM был создан как средство объединения преимуществ и устранения недостатков двух традиционных методов идентификации количественных локусов признаков : анализа сцепления и картирования ассоциаций . Анализ сцепления зависит от недавней генетической рекомбинации между двумя различными линиями растений (в результате генетического скрещивания) для определения общих интересующих областей, с преимуществом, требующим небольшого количества генетических маркеров для обеспечения охвата всего генома и высокой статистической мощности на аллель. Однако анализ сцепления имеет недостатки низкого разрешения картирования и низкого богатства аллелей. Картирование ассоциаций , напротив, использует преимущества исторической рекомбинации и выполняется путем сканирования генома на предмет SNP в неравновесном сцеплении с интересующим признаком. Картирование ассоциаций имеет преимущества перед анализом сцепления в том, что оно может картировать с высоким разрешением и имеет высокое аллельное богатство, однако оно также требует обширных знаний об SNP в геноме и, таким образом, только сейчас становится возможным для различных видов, таких как кукуруза.
NAM использует как исторические, так и недавние события рекомбинации, чтобы иметь преимущества низких требований к плотности маркеров, высокого богатства аллелей, высокого разрешения картирования и высокой статистической мощности, не имея ни одного из недостатков анализа сцепления или картирования ассоциаций. [1] [2] В этом отношении подход NAM в принципе аналогичен линиям MAGIC и AMPRIL у Arabidopsis и совместному скрещиванию у мышей.
Двадцать пять различных линий кукурузы были выбраны в качестве родительских линий для популяции NAM, чтобы охватить замечательное разнообразие кукурузы и сохранить историческое неравновесие сцепления. Каждая родительская линия была скрещена с инбредной кукурузой B73 (выбранной в качестве референтной линии из-за ее использования в публичном проекте секвенирования кукурузы и широкого распространения в качестве одной из самых успешных коммерческих инбредных линий) для создания популяции F1 . Затем растения F1 самоопылялись в течение шести поколений, чтобы создать в общей сложности 200 гомозиготных рекомбинантных инбредных линий (RIL) на семью, всего 5000 RIL в популяции NAM. Линии общедоступны через Центр запасов кукурузы USDA-ARS.
Затем каждый RIL был генотипирован с теми же 1106 молекулярными маркерами (чтобы это было возможно, исследователи выбрали маркеры, для которых B73 имел редкий аллель), чтобы идентифицировать блоки рекомбинации. После генотипирования с 1106 маркерами каждая из родительских линий была либо секвенирована , либо генотипирована с высокой плотностью, и результаты этого секвенирования/генотипирования накладывались на блоки рекомбинации, идентифицированные для каждого RIL. Результатом стало 5000 RIL, которые были либо полностью секвенированы, либо генотипированы с высокой плотностью, которые, благодаря генотипированию с общими 1106 маркерами, можно было сравнить друг с другом и проанализировать вместе (рисунок 1). [1] [2]
Вторым аспектом характеристики популяции NAM является секвенирование родительских линий. Это фиксирует информацию о естественной изменчивости, которая вошла в популяцию, и запись обширной рекомбинации, зафиксированной в истории изменчивости кукурузы. Первая фаза этого секвенирования была путем секвенирования с сокращенным представлением с использованием технологии секвенирования следующего поколения, как сообщалось в Gore, Chia et al. в 2009 году. [3] Это первоначальное секвенирование обнаружило 1,6 миллиона вариабельных областей в кукурузе, что теперь облегчает анализ широкого спектра признаков.
Как и в случае с традиционными стратегиями картирования QTL , общей целью картирования вложенных ассоциаций является корреляция интересующего фенотипа с конкретными генотипами. Одной из заявленных создателями целей для популяции NAM было проведение исследований ассоциаций по всему геному кукурузы путем поиска ассоциаций между SNP в популяции NAM и интересующими количественными признаками (например, временем цветения, высотой растения, содержанием каротина ). [1] Однако по состоянию на 2009 год секвенирование исходных родительских линий еще не было завершено в той степени, которая необходима для проведения этих анализов. Однако популяция NAM успешно использовалась для анализа сцепления. В опубликованном исследовании сцепления уникальная структура популяции NAM, описанная в предыдущем разделе, позволила провести совместную пошаговую регрессию и совместное инклюзивное составное интервальное картирование объединенных семейств NAM для идентификации QTL для времени цветения. [4]
Первая публикация, в которой NAM использовался для идентификации QTL, была написана лабораторией Баклера и посвящена генетической архитектуре времени цветения кукурузы и опубликована летом 2009 года. [4] В этом новаторском исследовании авторы подсчитали количество дней до выметывания пестичных столбиков , количество дней до цветения и интервал между выметыванием пестичных столбиков и цветением для почти миллиона растений, затем выполнили одиночную и совместную пошаговую регрессию и инклюзивное составное картирование интервалов (ICIM) для выявления 39 QTL, объясняющих 89% дисперсии в днях до выметывания пестичных столбиков и днях до цветения, и 29 QTL, объясняющих 64% дисперсии в интервале между выметыванием пестичных столбиков и цветением. [4]
Было обнаружено, что девяносто восемь процентов QTL времени цветения, идентифицированных в этой статье, влияют на время цветения менее чем на один день (по сравнению с эталоном B73). Однако было также показано, что эти относительно небольшие эффекты QTL суммируются для каждой семьи, давая большие различия и изменения в днях до выметывания пестичных столбиков. Кроме того, было замечено, что, хотя большинство QTL были общими для разных семей, каждая семья, по-видимому, имеет функционально различные аллели для большинства QTL. Эти наблюдения привели авторов к предложению модели «общих генов с необычными вариантами» [4] для объяснения разнообразия времени цветения кукурузы. Они протестировали свою модель, задокументировав аллельный ряд в ранее изученном QTL времени цветения кукурузы Vgt1 (вегетация-к-переходу1) [5] путем контроля генетического фона и оценки эффектов vgt1 в каждой семье. Затем они перешли к выявлению конкретных вариантов последовательностей, которые соответствовали аллельным сериям, включая один аллель, содержащий миниатюрный транспозон, тесно связанный с ранним цветением, и другие аллели, содержащие однонуклеотидные полиморфизмы, связанные с поздним цветением. [4]
NAM кукурузы помогли картировать сложные признаки, передающие устойчивость к грибкам, включая Kump et al 2011, для устойчивости к южной листовой фитофторе , и Poland et al 2011, для устойчивости к северной листовой фитофторе . [6]
Картирование вложенных ассоциаций имеет огромный потенциал для исследования агрономических признаков кукурузы и других видов. Как показывает первоначальное исследование времени цветения, NAM имеет возможность идентифицировать QTL для сельскохозяйственно значимых признаков и связывать эти QTL с гомологами и генами-кандидатами в видах, не относящихся к кукурузе. Более того, линии NAM становятся мощным общественным ресурсом для сообщества кукурузы и возможностью для обмена зародышевой плазмой кукурузы, а также результатами исследований кукурузы через общие базы данных (см. внешние ссылки), что еще больше облегчает будущие исследования сельскохозяйственных признаков кукурузы. Учитывая, что кукуруза является одной из важнейших сельскохозяйственных культур в мире, такие исследования имеют важные последствия для генетического улучшения сельскохозяйственных культур и, следовательно, для продовольственной безопасности во всем мире . [4]
Аналогичные разработки также создаются для пшеницы , ячменя , сорго и Arabidopsis thaliana .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )Базы данных кукурузы: