Published April 4, 2024
| Version v1
Publication
Open
Integrated meta-analysis and transcriptomics pinpoint genomic loci and novel candidate genes associated with submergence tolerance in rice
Creators
- 1. Yangtze University
- 2. University of Chinese Academy of Sciences
- 3. Université Laval
- 4. Texas A&M University
- 5. South China Agricultural University
- 6. Punjab Agricultural University
- 7. University of Cape Coast
Description
Due to rising costs, water shortages, and labour shortages, farmers across the globe now prefer a direct seeding approach. However, submergence stress remains a major bottleneck limiting the success of this approach in rice cultivation. The merger of accumulated rice genetic resources provides an opportunity to detect key genomic loci and candidate genes that influence the flooding tolerance of rice.In the present study, a whole-genome meta-analysis was conducted on 120 quantitative trait loci (QTL) obtained from 16 independent QTL studies reported from 2004 to 2023. These QTL were confined to 18 meta-QTL (MQTL), and ten MQTL were successfully validated by independent genome-wide association studies from diverse natural populations. The mean confidence interval (CI) of the identified MQTL was 3.44 times narrower than the mean CI of the initial QTL. Moreover, four core MQTL loci with genetic distance less than 2 cM were obtained. By combining differentially expressed genes (DEG) from two transcriptome datasets with 858 candidate genes identified in the core MQTL regions, we found 38 common differentially expressed candidate genes (DECGs). In silico expression analysis of these DECGs led to the identification of 21 genes with high expression in embryo and coleoptile under submerged conditions. These DECGs encode proteins with known functions involved in submergence tolerance including WRKY, F-box, zinc fingers, glycosyltransferase, protein kinase, cytochrome P450, PP2C, hypoxia-responsive family, and DUF domain. By haplotype analysis, the 21 DECGs demonstrated distinct genetic differentiation and substantial genetic distance mainly between indica and japonica subspecies. Further, the MQTL7.1 was successfully validated using flanked marker S2329 on a set of genotypes with phenotypic variation.This study provides a new perspective on understanding the genetic basis of submergence tolerance in rice. The identified MQTL and novel candidate genes lay the foundation for marker-assisted breeding/engineering of flooding-tolerant cultivars conducive to direct seeding.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
بسبب ارتفاع التكاليف ونقص المياه ونقص العمالة، يفضل المزارعون في جميع أنحاء العالم الآن نهج البذر المباشر. ومع ذلك، لا يزال إجهاد الغمر عنق الزجاجة الرئيسي الذي يحد من نجاح هذا النهج في زراعة الأرز. يوفر دمج الموارد الجينية المتراكمة للأرز فرصة للكشف عن المواقع الجينية الرئيسية والجينات المرشحة التي تؤثر على تحمل فيضان الأرز. في هذه الدراسة، تم إجراء تحليل تلوي للجينوم الكامل على 120 موقع سمة كمية (QTL) تم الحصول عليها من 16 دراسة مستقلة لـ QTL تم الإبلاغ عنها من 2004 إلى 2023. اقتصرت QTL هذه على 18 meta - QTL (MQTL)، وتم التحقق من صحة عشرة MQTL بنجاح من خلال دراسات ارتباط مستقلة على مستوى الجينوم من مجموعات طبيعية متنوعة. كان متوسط فترة الثقة (CI) لـ MQTL المحدد أضيق 3.44 مرة من متوسط CI لـ QTL الأولي. علاوة على ذلك، تم الحصول على أربعة مواضع MQTL أساسية بمسافة وراثية أقل من 2 سم. من خلال الجمع بين الجينات المعبر عنها بشكل تفاضلي (DEG) من مجموعتي بيانات ترانسكريبتوم مع 858 جينًا مرشحًا تم تحديدها في مناطق MQTL الأساسية، وجدنا 38 جينًا مرشحًا مشتركًا معبرًا عنه بشكل تفاضلي (DECGs). في التعبير السيليكي، أدى تحليل DECGs هذه إلى تحديد 21 جينًا ذات تعبير عالٍ في الجنين و coleoptile تحت الظروف المغمورة. تقوم DECGs هذه بتشفير البروتينات ذات الوظائف المعروفة المشاركة في تحمل الغمر بما في ذلك WRKY و F - box وأصابع الزنك و glycosyltransferase و protein kinase و cytochrome P450 و PP2C والأسرة المستجيبة لنقص الأكسجة ومجال DUF. من خلال تحليل النمط الفرداني، أظهرت 21 DECGs تمايزًا وراثيًا متميزًا ومسافة جينية كبيرة بشكل رئيسي بين السلالات الفرعية إنديكا وجابونيكا. علاوة على ذلك، تم التحقق من صحة MQTL7.1 بنجاح باستخدام العلامة الجانبية S2329 على مجموعة من الأنماط الجينية ذات الاختلاف الظاهري. توفر هذه الدراسة منظورًا جديدًا لفهم الأساس الجيني لتحمل الغمر في الأرز. تضع الجينات MQTL المحددة والجينات المرشحة الجديدة الأساس للتكاثر/هندسة الأصناف المقاومة للفيضانات التي تساعد على البذر المباشر بمساعدة العلامات.Translated Description (French)
En raison de la hausse des coûts, des pénuries d'eau et des pénuries de main-d' œuvre, les agriculteurs du monde entier préfèrent désormais une approche d'ensemencement direct. Cependant, le stress de submersion reste un goulot d'étranglement majeur limitant le succès de cette approche en riziculture. La fusion des ressources génétiques de riz accumulées offre la possibilité de détecter des loci génomiques clés et des gènes candidats qui influencent la tolérance à l'inondation du riz. Dans la présente étude, une méta-analyse du génome entier a été menée sur 120 loci de caractères quantitatifs (QTL) obtenus à partir de 16 études indépendantes QTL rapportées de 2004 à 2023. Ces QTL ont été limités à 18 méta-QTL (MQTL), et dix MQTL ont été validés avec succès par des études d'association indépendantes à l'échelle du génome de diverses populations naturelles. L'intervalle de confiance moyen (IC) du MQTL identifié était 3,44 fois plus étroit que l'IC moyen du QTL initial. De plus, quatre loci MQTL de base avec une distance génétique inférieure à 2 cM ont été obtenus. En combinant des gènes exprimés différentiellement (DEG) à partir de deux ensembles de données de transcriptome avec 858 gènes candidats identifiés dans les régions centrales de MQTL, nous avons trouvé 38 gènes candidats communs exprimés différentiellement (DECG). L'analyse in silico de l'expression de ces DECG a conduit à l'identification de 21 gènes à forte expression dans l'embryon et le coléoptile en conditions immergées. Ces DECG codent pour des protéines ayant des fonctions connues impliquées dans la tolérance à la submersion, notamment WRKY, F-box, zinc fingers, glycosyltransférase, protéine kinase, cytochrome P450, PP2C, famille sensible à l'hypoxie et domaine DUF. Par analyse haplotypique, les 21 DECG ont démontré une différenciation génétique distincte et une distance génétique substantielle principalement entre les sous-espèces indica et japonica. De plus, le MQTL7.1 a été validé avec succès en utilisant le marqueur flanqué S2329 sur un ensemble de génotypes avec variation phénotypique. Cette étude fournit une nouvelle perspective sur la compréhension de la base génétique de la tolérance à la submersion dans le riz. Les gènes MQTL identifiés et les nouveaux gènes candidats jettent les bases de la sélection/ingénierie assistée par marqueurs de cultivars tolérants aux inondations, propices à l'ensemencement direct.Translated Description (Spanish)
Debido al aumento de los costes, la escasez de agua y la escasez de mano de obra, los agricultores de todo el mundo ahora prefieren un enfoque de siembra directa. Sin embargo, el estrés por inmersión sigue siendo un importante cuello de botella que limita el éxito de este enfoque en el cultivo de arroz. La fusión de los recursos genéticos acumulados del arroz brinda la oportunidad de detectar loci genómicos clave y genes candidatos que influyen en la tolerancia a las inundaciones del arroz. En el presente estudio, se realizó un metanálisis de todo el genoma en 120 loci de rasgos cuantitativos (QTL) obtenidos de 16 estudios independientes de QTL informados de 2004 a 2023. Estos QTL se limitaron a 18 meta-QTL (MQTL), y diez MQTL se validaron con éxito mediante estudios independientes de asociación de todo el genoma de diversas poblaciones naturales. El intervalo de confianza medio (IC) del MQTL identificado fue 3,44 veces más estrecho que el IC medio del QTL inicial. Además, se obtuvieron cuatro loci centrales de MQTL con distancia genética inferior a 2 cM. Al combinar genes expresados diferencialmente (DEG) de dos conjuntos de datos del transcriptoma con 858 genes candidatos identificados en las regiones centrales de MQTL, encontramos 38 genes candidatos expresados diferencialmente (DECG) comunes. El análisis de la expresión in silico de estos DECG condujo a la identificación de 21 genes con alta expresión en embriones y coleóptiles en condiciones sumergidas. Estos DECG codifican proteínas con funciones conocidas involucradas en la tolerancia a la inmersión que incluyen WRKY, caja F, dedos de zinc, glicosiltransferasa, proteína quinasa, citocromo P450, PP2C, familia sensible a la hipoxia y dominio DUF. Mediante el análisis de haplotipos, los 21 DECG demostraron una diferenciación genética distinta y una distancia genética sustancial principalmente entre las subespecies índica y japónica. Además, el MQTL7.1 se validó con éxito utilizando el marcador flanqueado S2329 en un conjunto de genotipos con variación fenotípica. Este estudio proporciona una nueva perspectiva para comprender la base genética de la tolerancia a la inmersión en arroz. El MQTL identificado y los nuevos genes candidatos sientan las bases para la reproducción/ingeniería asistida por marcadores de cultivares tolerantes a inundaciones que conducen a la siembra directa.Files
s12864-024-10219-z.pdf
Files
(6.3 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:2a67cb843170bf8dc780649ddac0eb39
|
6.3 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- يحدد التحليل التلوي المتكامل وعلم النسخ المواقع الجينية والجينات المرشحة الجديدة المرتبطة بتحمل الغمر في الأرز
- Translated title (French)
- La méta-analyse et la transcriptomique intégrées identifient les loci génomiques et les nouveaux gènes candidats associés à la tolérance à la submersion dans le riz
- Translated title (Spanish)
- El metanálisis integrado y la transcriptómica identifican loci genómicos y nuevos genes candidatos asociados con la tolerancia a la inmersión en arroz
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4393943380
- DOI
- 10.1186/s12864-024-10219-z
References
- https://openalex.org/W1537463019
- https://openalex.org/W1873720074
- https://openalex.org/W1930133311
- https://openalex.org/W1963575260
- https://openalex.org/W1971560447
- https://openalex.org/W1983079600
- https://openalex.org/W1985457694
- https://openalex.org/W2006163516
- https://openalex.org/W2006488589
- https://openalex.org/W2007601852
- https://openalex.org/W2023023127
- https://openalex.org/W2031427942
- https://openalex.org/W2053109990
- https://openalex.org/W2057568519
- https://openalex.org/W2063435909
- https://openalex.org/W2072333078
- https://openalex.org/W2082091267
- https://openalex.org/W2083932446
- https://openalex.org/W2088427665
- https://openalex.org/W2094838559
- https://openalex.org/W2097195995
- https://openalex.org/W2099018351
- https://openalex.org/W2102368215
- https://openalex.org/W2138920781
- https://openalex.org/W2142178963
- https://openalex.org/W2147961803
- https://openalex.org/W2150986105
- https://openalex.org/W2151469356
- https://openalex.org/W2152216120
- https://openalex.org/W2155766133
- https://openalex.org/W2159754281
- https://openalex.org/W2164362189
- https://openalex.org/W2165106082
- https://openalex.org/W2262887429
- https://openalex.org/W2292972149
- https://openalex.org/W2336034528
- https://openalex.org/W2414466255
- https://openalex.org/W2420181814
- https://openalex.org/W2472012858
- https://openalex.org/W2485566862
- https://openalex.org/W2552561104
- https://openalex.org/W2560046391
- https://openalex.org/W2564326561
- https://openalex.org/W2586637063
- https://openalex.org/W2591104630
- https://openalex.org/W2596657999
- https://openalex.org/W2603175716
- https://openalex.org/W2610587554
- https://openalex.org/W2784325727
- https://openalex.org/W2800919876
- https://openalex.org/W2886614910
- https://openalex.org/W2900569176
- https://openalex.org/W2911495019
- https://openalex.org/W2936590753
- https://openalex.org/W2939145661
- https://openalex.org/W2947327685
- https://openalex.org/W2950056034
- https://openalex.org/W2952166711
- https://openalex.org/W2980183958
- https://openalex.org/W2988788348
- https://openalex.org/W2992907854
- https://openalex.org/W3005015522
- https://openalex.org/W3008642602
- https://openalex.org/W3009459486
- https://openalex.org/W3015199798
- https://openalex.org/W3036319615
- https://openalex.org/W3044525425
- https://openalex.org/W3049413937
- https://openalex.org/W3077305516
- https://openalex.org/W3092202039
- https://openalex.org/W3093373101
- https://openalex.org/W3111644567
- https://openalex.org/W3137188640
- https://openalex.org/W3149163498
- https://openalex.org/W3164503333
- https://openalex.org/W3168791867
- https://openalex.org/W3182750183
- https://openalex.org/W3195629510
- https://openalex.org/W4200190442
- https://openalex.org/W4206369217
- https://openalex.org/W4214534866
- https://openalex.org/W4221068573
- https://openalex.org/W4247406137
- https://openalex.org/W4283734580
- https://openalex.org/W4290805611
- https://openalex.org/W4300865353
- https://openalex.org/W4309314822
- https://openalex.org/W4353075548
- https://openalex.org/W4362666168
- https://openalex.org/W4366743001
- https://openalex.org/W4372330628
- https://openalex.org/W4379519660
- https://openalex.org/W4383875338
- https://openalex.org/W4385879685
- https://openalex.org/W4385982039