Published October 29, 2021
| Version v1
Publication
Open
Genome-wide association study uncovers major genetic loci associated with seed flooding tolerance in soybean
Creators
- 1. Nanjing Agricultural University
- 2. University for Development Studies
Description
Abstract Background Seed flooding stress is one of the threatening environmental stressors that adversely limits soybean at the germination stage across the globe. The knowledge on the genetic basis underlying seed-flooding tolerance is limited. Therefore, we performed a genome-wide association study (GWAS) using 34,718 single nucleotide polymorphism (SNPs) in a panel of 243 worldwide soybean collections to identify genetic loci linked to soybean seed flooding tolerance at the germination stage. Results In the present study, GWAS was performed with two contrasting models, Mixed Linear Model (MLM) and Multi-Locus Random-SNP-Effect Mixed Linear Model (mrMLM) to identify significant SNPs associated with electrical conductivity (EC), germination rate (GR), shoot length (ShL), and root length (RL) traits at germination stage in soybean. With MLM, a total of 20, 40, 4, and 9 SNPs associated with EC, GR, ShL and RL, respectively, whereas in the same order mrMLM detected 27, 17, 13, and 18 SNPs. Among these SNPs, two major SNPs, Gm_08_11971416, and Gm_08_46239716 were found to be consistently connected with seed-flooding tolerance related traits, namely EC and GR across two environments. We also detected two SNPs, Gm_05_1000479 and Gm_01_53535790 linked to ShL and RL, respectively. Based on Gene Ontology enrichment analysis, gene functional annotations, and protein-protein interaction network analysis, we predicted eight candidate genes and three hub genes within the regions of the four SNPs with Cis- elements in promoter regions which may be involved in seed-flooding tolerance in soybeans and these warrant further screening and functional validation. Conclusions Our findings demonstrate that GWAS based on high-density SNP markers is an efficient approach to dissect the genetic basis of complex traits and identify candidate genes in soybean. The trait associated SNPs could be used for genetic improvement in soybean breeding programs. The candidate genes could help researchers better understand the molecular mechanisms underlying seed-flooding stress tolerance in soybean.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
يعد إجهاد فيضان البذور أحد الضغوط البيئية المهددة التي تحد سلبًا من فول الصويا في مرحلة الإنبات في جميع أنحاء العالم. إن المعرفة بالأساس الجيني الكامن وراء تحمل فيضان البذور محدودة. لذلك، أجرينا دراسة ارتباط على مستوى الجينوم (GWAS) باستخدام 34718 تعدد أشكال النيوكليوتيدات المفردة (SNPs) في لوحة من 243 مجموعة من فول الصويا في جميع أنحاء العالم لتحديد المواقع الوراثية المرتبطة بتحمل فيضان بذور فول الصويا في مرحلة الإنبات. النتائج في هذه الدراسة، تم إجراء GWAS باستخدام نموذجين متباينين، النموذج الخطي المختلط (MLM) والنموذج الخطي المختلط ذو التأثير العشوائي متعدد المواقع (mrMLM) لتحديد SNPs الهامة المرتبطة بالتوصيل الكهربائي (EC)، ومعدل الإنبات (GR)، وطول اللقطة (ShL)، وطول الجذر (RL) سمات في مرحلة الإنبات في فول الصويا. مع MLM، ما مجموعه 20 و 40 و 4 و 9 SNPs المرتبطة بـ EC و GR و ShL و RL، على التوالي، في حين اكتشف mrMLM بالترتيب نفسه 27 و 17 و 13 و 18 SNPs. من بين هذه SNPs، تم العثور على اثنين من SNPs الرئيسية، Gm _08 _11971416، و Gm _08 _46239716 لتكون مرتبطة باستمرار مع سمات تحمل الفيضانات البذور ذات الصلة، وهي EC و GR عبر بيئتين. اكتشفنا أيضًا اثنين من SNPs، Gm _05 _1000479 و Gm _01 _53535790 مرتبطين بـ ShL و RL، على التوالي. استنادًا إلى تحليل إثراء علم الوجود الجيني، والتعليقات التوضيحية الوظيفية للجينات، وتحليل شبكة تفاعل البروتين والبروتين، توقعنا ثمانية جينات مرشحة وثلاثة جينات محورية داخل مناطق SNPs الأربعة مع عناصر Cis - في مناطق المحفز التي قد تشارك في تحمل فيضان البذور في فول الصويا وهذه تتطلب مزيدًا من الفحص والتحقق الوظيفي. تظهر النتائج التي توصلنا إليها أن GWAS بناءً على علامات SNP عالية الكثافة هو نهج فعال لتشريح الأساس الجيني للسمات المعقدة وتحديد الجينات المرشحة في فول الصويا. يمكن استخدام السمة المرتبطة بـ SNPs للتحسين الجيني في برامج تكاثر فول الصويا. يمكن أن تساعد الجينات المرشحة الباحثين على فهم أفضل للآليات الجزيئية الكامنة وراء تحمل إجهاد فيضان البذور في فول الصويا.Translated Description (French)
Résumé Contexte Le stress lié aux inondations de semences est l'un des facteurs de stress environnementaux menaçants qui limite négativement le soja au stade de la germination à travers le monde. Les connaissances sur la base génétique qui sous-tend la tolérance à l'inondation des semences sont limitées. Par conséquent, nous avons réalisé une étude d'association à l'échelle du génome (GWAS) en utilisant 34 718 polymorphismes mononucléotidiques (SNP) dans un panel de 243 collections mondiales de soja pour identifier les loci génétiques liés à la tolérance à l'inondation des graines de soja au stade de la germination. Résultats Dans la présente étude, le GWAS a été réalisé avec deux modèles contrastés, le Modèle Linéaire Mixte (MLM) et le Modèle Linéaire Mixte à Effet Random-SNP Multi-Locus (mrMLM) pour identifier les SNP significatifs associés à la conductivité électrique (EC), au taux de germination (GR), à la longueur des pousses (ShL) et à la longueur des racines (RL) au stade de la germination chez le soja. Avec MLM, un total de 20, 40, 4 et 9 SNP associés à EC, GR, ShL et RL, respectivement, alors que dans le même ordre, mrMLM a détecté 27, 17, 13 et 18 SNP. Parmi ces SNP, il a été constaté que deux SNP majeurs, Gm_08_11971416 et Gm_08_46239716, étaient systématiquement liés à des traits liés à la tolérance à l'inondation des semences, à savoir EC et GR dans deux environnements. Nous avons également détecté deux SNP, Gm_05_1000479 et Gm_01_53535790 liés à ShL et RL, respectivement. Sur la base de l'analyse de l'enrichissement de l'ontologie des gènes, des annotations fonctionnelles des gènes et de l'analyse du réseau d'interaction protéine-protéine, nous avons prédit huit gènes candidats et trois gènes concentrateurs dans les régions des quatre SNP avec des éléments cis- dans les régions promotrices qui peuvent être impliquées dans la tolérance à l'inondation des graines dans le soja, ce qui justifie un dépistage plus approfondi et une validation fonctionnelle. Conclusions Nos résultats démontrent que le GWAS basé sur des marqueurs SNP à haute densité est une approche efficace pour disséquer la base génétique de traits complexes et identifier les gènes candidats dans le soja. Les SNP associés aux caractères pourraient être utilisés pour l'amélioration génétique dans les programmes de sélection du soja. Les gènes candidats pourraient aider les chercheurs à mieux comprendre les mécanismes moléculaires sous-jacents à la tolérance au stress par inondation de semences chez le soja.Translated Description (Spanish)
Resumen Antecedentes El estrés por inundación de semillas es uno de los estresores ambientales amenazantes que limita negativamente la soja en la etapa de germinación en todo el mundo. El conocimiento sobre la base genética subyacente a la tolerancia a las inundaciones de semillas es limitado. Por lo tanto, realizamos un estudio de asociación de todo el genoma (GWAS) utilizando 34,718 polimorfismos de un solo nucleótido (SNP) en un panel de 243 colecciones mundiales de soja para identificar loci genéticos relacionados con la tolerancia a la inundación de semillas de soja en la etapa de germinación. Resultados En el presente estudio, GWAS se realizó con dos modelos contrastantes, el Modelo Lineal Mixto (MLM) y el Modelo Lineal Mixto Multi-Locus Aleatorio-SNP-Efecto (mrMLM) para identificar los SNP significativos asociados con la conductividad eléctrica (EC), la tasa de germinación (GR), la longitud del brote (ShL) y la longitud de la raíz (RL) en la etapa de germinación en la soja. Con MLM, un total de 20, 40, 4 y 9 SNP asociados con EC, GR, ShL y RL, respectivamente, mientras que en el mismo orden mrMLM detectó 27, 17, 13 y 18 SNP. Entre estos SNP, se encontró que dos SNP principales, Gm_08_11971416 y Gm_08_46239716, estaban conectados consistentemente con rasgos relacionados con la tolerancia a la inundación de semillas, a saber, EC y GR en dos entornos. También detectamos dos SNP, Gm_05_1000479 y Gm_01_53535790 vinculados a ShL y RL, respectivamente. Con base en el análisis de enriquecimiento de la ontología génica, las anotaciones funcionales de los genes y el análisis de la red de interacción proteína-proteína, predijimos ocho genes candidatos y tres genes hub dentro de las regiones de los cuatro SNP con elementos Cis en regiones promotoras que pueden estar involucradas en la tolerancia a la inundación de semillas en la soja y estos justifican una mayor detección y validación funcional. Conclusiones Nuestros hallazgos demuestran que GWAS basado en marcadores SNP de alta densidad es un enfoque eficiente para diseccionar la base genética de rasgos complejos e identificar genes candidatos en la soja. Los SNP asociados al rasgo podrían utilizarse para la mejora genética en los programas de cultivo de soja. Los genes candidatos podrían ayudar a los investigadores a comprender mejor los mecanismos moleculares que subyacen a la tolerancia al estrés por inundación de semillas en la soja.Files
s12870-021-03268-z.pdf
Files
(2.3 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:78921f1be6a77bc794910ffba914e63c
|
2.3 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تكشف دراسة الارتباط على مستوى الجينوم عن مواضع وراثية رئيسية مرتبطة بتحمل فيضان البذور في فول الصويا
- Translated title (French)
- Une étude d'association à l'échelle du génome révèle des loci génétiques majeurs associés à la tolérance à l'inondation des graines de soja
- Translated title (Spanish)
- Un estudio de asociación de todo el genoma descubre los principales loci genéticos asociados con la tolerancia a las inundaciones de semillas en la soja
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3210260005
- DOI
- 10.1186/s12870-021-03268-z
References
- https://openalex.org/W1528825905
- https://openalex.org/W1820802385
- https://openalex.org/W1909023867
- https://openalex.org/W1942272780
- https://openalex.org/W1947954067
- https://openalex.org/W1972033719
- https://openalex.org/W1973769499
- https://openalex.org/W1977708739
- https://openalex.org/W1989163020
- https://openalex.org/W1992512552
- https://openalex.org/W2003043581
- https://openalex.org/W2006528224
- https://openalex.org/W2017586115
- https://openalex.org/W2018571580
- https://openalex.org/W2020292637
- https://openalex.org/W2023386373
- https://openalex.org/W2043778011
- https://openalex.org/W2059892207
- https://openalex.org/W2060579883
- https://openalex.org/W2068406373
- https://openalex.org/W2072692374
- https://openalex.org/W2078649519
- https://openalex.org/W2080010948
- https://openalex.org/W2082092933
- https://openalex.org/W2085714759
- https://openalex.org/W2085885237
- https://openalex.org/W2086936435
- https://openalex.org/W2088368280
- https://openalex.org/W2088673572
- https://openalex.org/W2093319611
- https://openalex.org/W2096173332
- https://openalex.org/W2103072898
- https://openalex.org/W2106234613
- https://openalex.org/W2108153167
- https://openalex.org/W2110035718
- https://openalex.org/W2118715391
- https://openalex.org/W2123181065
- https://openalex.org/W2124942223
- https://openalex.org/W2126682829
- https://openalex.org/W2141916112
- https://openalex.org/W2146108696
- https://openalex.org/W2156480474
- https://openalex.org/W2162530578
- https://openalex.org/W2165530894
- https://openalex.org/W2267834167
- https://openalex.org/W2341069492
- https://openalex.org/W2418302710
- https://openalex.org/W2436287432
- https://openalex.org/W2549976854
- https://openalex.org/W2559894431
- https://openalex.org/W2567896378
- https://openalex.org/W2568193365
- https://openalex.org/W2587366179
- https://openalex.org/W2737124623
- https://openalex.org/W2749951460
- https://openalex.org/W2767365801
- https://openalex.org/W2789357982
- https://openalex.org/W2895653695
- https://openalex.org/W2896591071
- https://openalex.org/W2913075186
- https://openalex.org/W2915614615
- https://openalex.org/W2935024989
- https://openalex.org/W2939480393
- https://openalex.org/W2942240084
- https://openalex.org/W2964872967
- https://openalex.org/W2986435831
- https://openalex.org/W2990147809
- https://openalex.org/W2992896888
- https://openalex.org/W2996590548
- https://openalex.org/W3003897983
- https://openalex.org/W3005570792
- https://openalex.org/W3008429035
- https://openalex.org/W3029700858
- https://openalex.org/W3031884005
- https://openalex.org/W3036319615
- https://openalex.org/W3048342462
- https://openalex.org/W3082508018
- https://openalex.org/W3108028701
- https://openalex.org/W3120532131
- https://openalex.org/W3122472439
- https://openalex.org/W3155227654
- https://openalex.org/W3176952322
- https://openalex.org/W3179770222