新的高密度玉米SNP芯片可用于基因组选择、GWAS和群体遗传学

2014年10月7日
作者：Justin Petrone

一个研究小组已经开发出一款高密度的SNP基因分型芯片，可用于玉米的基因分型。此款芯片上带有超过60万个标记，是为农作物研究人员而开发的首款芯片，为多种应用提供了一种全新的工具，包括基因组选择、全基因组关联研究、群体遗传学和精细定位。

由Affymetrix制造的SNP芯片，名为Axiom Maize Genotyping Array，出现在《BMC Genomics》杂志上的一篇新文章中。

这篇文章的通讯作者Eva Bauer告诉《BioArray News》，此款芯片是通过Synbreed计划来设计的，Synbreed是个关注植物和动物育种的研究计划，由德国联邦教育与研究部资助。Synbreed是通过慕尼黑工业大学的生命与食品科学中心来协调设计计划，而Bauer正是其中的一名科学家。

据Bauer介绍，Synbreed的科学家着手开发一款高密度的玉米基因分型芯片，是因为他们一方面受到牲畜物种（如牛和鸡）高密度芯片成果的鼓舞，同时不满意现有的玉米基因分型方法。

“我们利用其他方法研究了很长时间，但我们目睹了动物高密度芯片的成功，从而认为它们也适合研究玉米，玉米这个物种也是高度多样的，有着低水平的连锁不平衡，”Bauer谈道。

Bauer指出，目前市场上的工具并不总能满足Synbreed研究人员在某些研究问题上的需求。据研究人员介绍，Illumina的MaizeSNP50 BeadChip芯片是仅有的另一款适用于玉米基因分型的目录芯片，但有着分辨率的问题。考虑到玉米的多样性，研究人员有时无法用MaizeSNP50产生的数据来推断，因为此芯片仅包含了自交系B73基因组的约56,000个标记。

“尤其对于玉米这样的大基因组和高水平多样性而言，高的标记分辨率才是理想的，”作者在文章中指出。此外，连锁不平衡（LD）也在一些种质中迅速衰减……这强调了标记密度需要比目前的基因分型芯片更高。

尽管基于测序的基因分型（genotyping by sequencing）仍然是玉米研究的一个“合理选择”，但“目前有这么多的缺失信息”，且“SNP检出需要一个并不简单的生物信息学流程”，Bauer指出。“玉米的多样性如此之高，让我们在某些应用中使用低覆盖度的GBS数据时感到不太合适，”比如群体遗传学。

“我们希望开发一款芯片，适合美国和欧洲的数据集，”Bauer谈道。“有了高密度的芯片，你就再也没有数据推算和缺失信息的烦恼。”

在被问及一些高密度芯片已用于牲畜的基因分型，但农作物研究为何还没有高密度芯片时，Bauer指出，牛和鸡的全基因组测序项目比玉米开始得要早。事实上，科学家们五年前才在《Science》上发表了玉米B73的基因组序列草图。

芯片开发

文章中指出，这款新的玉米芯片中包含的616,201个SNP和插入缺失是从5700万的数据中精心挑选的，它们是通过测序30个有代表性的温带玉米品系而获得的。这些玉米自交系包括17个欧洲硬质玉米品系（Flint lines）以及9个欧洲和4个美国的马齿种玉米品系（Dent lines）。作者谈到，“这些品系代表了欧洲和美国玉米育种的重要创始品系，也在之前的研究中使用过。”

然而，研究人员根据序列质量值过滤了5700万个变异，将它们缩小到一组120万个变异。为了确定更高可信度的变异，研究人员利用高密度筛选芯片对285个DNA样品进行了基因分型，这款筛选芯片由Affymetrix提供，包含120万个变异。

据文章报道，这285个样品代表了全世界玉米品系的“广泛遗传多样性”，包括对欧洲玉米育种和杂交很重要的品系，如马齿种（Dent）和硬质（Flint），这些广泛种植于中欧的寒冷地区。研究人员同时也对欧洲、美国、亚热带和热带来源的样品进行基因分型，用于实验表现验证。

作者在文中写道，他们根据验证期间的表现、测序数据对基因型检出的支持，以及物理分布，挑选出最终616,201个变异。他们指出，这款芯片包含了Illumina MaizeSNP50 BeadChip上的45,655个SNP。

在验证之后，作者确定这款芯片“特别适合剖析温带玉米品系的多样性和遗传组成”，不过芯片在分析“热带品种或野生近缘种”上的表现还需要进一步研究。

他们补充说，这款芯片有着理想的密度，适合玉米的全基因组关联研究，而Illumina MaizeSNP50 BeadChip芯片的现有密度则“提供了有限的分辨率”。

据Bauer介绍，新的玉米芯片未来可应用在基因组选择、全基因组关联研究、群体遗传学上，以及在某些情况下，也可应用于基因组区域的精细作图和标记-性状关联的检测。

在这篇文章中，作者指出，这款芯片也可用来鉴定谱系关系、血缘一致（identity-by-descent）区域以及祖先谱系。使用这款芯片能够“高度准确地从较低密度标记panel分析的遗传物质中推算基因型”。

同时，Bauer也指出，定制集合的SNP能与任何基因组区域组装，并转换成其他SNP分析方案，如Fluidigm或KASP分析，用于精细作图、基于图谱的克隆研究，或分子标记辅助选择。

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