Metabolome-Scale Genome-Wide Association Studies Reveal Chemical Diversity and Genetic Control of Maize Specialized Metabolites

生物 数量性状位点 代谢组 代谢组学 基因组 基因 基因座(遗传学) 近交系 遗传学 遗传多样性 全基因组关联研究 基因型 人口 单核苷酸多态性 生物信息学 社会学 人口学
作者
Shaoqun Zhou,Karl A. Kremling,Nonoy Bandillo,Annett Richter,Ying K. Zhang,Kevin R. Ahern,Alexander B. Artyukhin,Joshua X. Hui,Gordon C. Younkin,Frank C. Schroeder,Edward S. Buckler,Georg Jander
出处
期刊:The Plant Cell [Oxford University Press]
卷期号:31 (5): 937-955 被引量:82
标识
DOI:10.1105/tpc.18.00772
摘要

Cultivated maize (Zea mays) has retained much of the genetic diversity of its wild ancestors. Here, we performed nontargeted liquid chromatography-mass spectrometry metabolomics to analyze the metabolomes of the 282 maize inbred lines in the Goodman Diversity Panel. This analysis identified a bimodal distribution of foliar metabolites. Although 15% of the detected mass features were present in >90% of the inbred lines, the majority were found in <50% of the samples. Whereas leaf bases and tips were differentiated by flavonoid abundance, maize varieties (stiff-stalk, nonstiff-stalk, tropical, sweet maize, and popcorn) showed differential accumulation of benzoxazinoid metabolites. Genome-wide association studies (GWAS), performed for 3,991 mass features from the leaf tips and leaf bases, showed that 90% have multiple significantly associated loci scattered across the genome. Several quantitative trait locus hotspots in the maize genome regulate the abundance of multiple, often structurally related mass features. The utility of maize metabolite GWAS was demonstrated by confirming known benzoxazinoid biosynthesis genes, as well as by mapping isomeric variation in the accumulation of phenylpropanoid hydroxycitric acid esters to a single linkage block in a citrate synthase-like gene. Similar to gene expression databases, this metabolomic GWAS data set constitutes an important public resource for linking maize metabolites with biosynthetic and regulatory genes.
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