分类: 基因组测序

苹果是世界温带地区栽培面积最大的果树之一,其起源演化与人类文明进步密不可分,一直以来备受国际苹果研究界的广泛关注。苹果基因组是如何被人类选择重塑的,以及小而又酸的野生祖先是如何演变成现代的大而甜的苹果?

针对这一问题,山东农业大学陈学森教授研究团队与美国康奈尔大学费章君研究团队于2017年8月在《Nature Communications》 上发表题为“Genome re-sequencing reveals the history of apple and sup ports a two-stage model for fruit enlargemen”(基因组重测序揭示苹果起源演化历史及果实大小的二步驯化模型,IF=12.124)的文章,利用全基因组重测序、SNP基因型鉴定及群体遗传学分析等在分子水平上揭示了苹果起源、演化和驯化的规律,并证明世界栽培苹果起源于我国新疆。
研究发现,从新疆境内采集的塞威士苹果保持较高的同源性、最原始,而同属中亚地区的哈萨克斯坦境内的塞威士苹果基因杂合度则相对较高。这充分说明,世界栽培苹果起源于中国新疆。该研究确认全世界 苹果的共同祖先是新疆野苹果,欧洲的森林苹果作为重要的基因贡献者与现代苹果之间存在大规模基因渗透。

1.实验设计

由中国大陆沿着丝绸之路包括亚洲、欧洲、美洲等广大范围内采集分属24个种的117份苹果种质资源,其中:
1. 全基因组重测序、SNP基因型鉴定及群体遗传学分析
35份绵苹果(接穗*24份和砧木品种*11份)、10份欧洲森林苹果、 29份新疆塞威士苹果、 9份八棱海棠、6份山荆子、4份花红、4份湖北海棠和20份野生种质;
2. RNA-seq测序和差异表达分析
果实发育过程中5个时期的样本(分别是开花后18天、37 天、67 天、90 天、132 天)。

2.研究结果

1.基因组重测序结果
对117份苹果品种进行基因组重测序,共产生1060Gb高质量clean reads,平均每个样本9.06Gb,深度12.2。共得到7,218,060个SNPs,431,597个indels。随机选择958个SNP位点进行聚合酶链式反应(PCR)扩增和Sanger测序, 准确率高达(98.1%)。

2.117个驯化和野生苹果的群体结构分析
a 梨作为外群,用SNPs构建野生种和栽培种的NJ系统发育树;
新疆塞威士苹果是绵苹果和欧洲森林苹果的祖先,野生种起源于北美,跟梨很近,其次是亚洲野生物种。
b 主成成分分析(PCA)结果跟系统发生树一致;
即绵苹果, 新疆塞威士苹果, 和欧洲森林苹果种质形成密切相关的簇,与其他野生种分开。
c 基于贝叶斯聚类算法与混合模型来估计每个种质的祖先比例。
每种颜色代表一个祖先背景, ΔK分析表明K=5是分群。当K=3时,绵苹果和它的近缘种、新疆塞威士苹果和欧洲森林苹果,与其他野生种明显分离,支持了驯化苹果的进化历史;随着K从4到5,两个新的亚群体在野生种出现,而不是出现在新疆塞威士苹果和欧洲森林苹果中,表明它们与驯化苹果之间具有更高的多样性和更远的遗传距离。

3.苹果进化地图构建
a 根据群体结构分群结果,提出一个横跨欧亚大陆的苹果进化图;
绵苹果(2.20 × 10-3)的全基因核苷酸多态性(Π)比哈萨克斯坦野苹果(2.35 × 10-3),欧洲森林苹果(2.55 × 10-3)和野生亚种 (4.26 × 10-3)低,其中新疆塞威士苹果(1.30 × 10-3)是最低的。绵苹果和它的祖先新疆塞威士苹果有相同水平的核苷酸多态性,表明了其瓶颈非常薄弱。
b 对每组的连锁不平衡(LD)分析进一步支持了一个非常弱而几乎检测不到的驯化瓶颈;
c 成对Fst矩阵的多维缩放(MDS)图;
每组之间的欧氏距离显著地代表了相应的Fst值。
d 接穗和砧木品种的主要等位基因从哈萨克斯坦野生苹果和欧洲森林苹果中获得。

4.驯化苹果的差异化选择分析
a 绵苹果和新疆塞威士苹果的选择性清除分析;
b 绵苹果和欧洲森林苹果的选择性清除分析;
对性状果实酸度(A),颜色(C),硬度(F),激素(H),可溶性糖(S)和次生代谢产物(M)进行关联分析,把关键功能性酶基因标记在点峰之上,红色垂直框表示选择性清除分析的性状,蓝色框和黄色框表示性状关联到区域的GO富集,对两个分组进行比较。

5.苹果驯化前和驯化期间果实增大
在果实大小进化方面,该研究首次提出了二步驯化模型。在遗传背景方面,研究表明,由于苹果的自交不亲和特性、欧洲森林苹果等多种源基因的大规模渗透,导致栽培苹果虽经几千年人为驯化但并不存在育种的“基因瓶颈”,具有良好的遗传多样性及育种潜力。
a 驯化清除分析潜在的苹果果实大小的QTLs;
在fw1和fw2的两个果实重量的物理间隔(橙色框)内,显示了XP-CLR得分的分布。选择性清除用红色标记,基因标记在峰值之上。
b 具有大果实的绵苹果和具有非常小的果实的其他野生种之间,MiRNA172g/miRNA172h和两个靶基因包含高度不同的SNPs;
c 苹果果实大小的两步演变示意图。

6.苹果驯化过程中果实硬度增大
a 绵苹果来自新疆塞威士苹果(Dom_SieK)在6号染色体选择区域XP-CLR(跨种群复合似然比检验)得分分布与核苷酸多态性(π)分布关联到果实硬度的关键基因;
b 绵苹果来自新疆塞威士苹果(Dom_SieK)在17号染色体选择区域XP-CLR(跨种群复合似然比检验)得分和核苷酸多态性(π)分布关联到果实硬度的关键基因;
c 绵苹果来自欧洲森林苹果Dom_syl)在12号染色体选择区域XP-CLR(跨种群复合似然比检验)得分分布与核苷酸多态性(π)分布关联到果实硬度的关键基因。

7.苹果驯化过程中果实风味更丰富
a 新疆塞威士苹果的选择性清除与山梨醇的QTL共定位;
b 欧洲森林苹果中含有糖代谢的关键基因的驯化扫荡;
c 绵苹果(红色),新疆塞威士苹果(蓝色)和欧洲森林苹果(绿色)的Ma1基因核苷酸多样性(π)分布;
d 新疆塞威士苹果(蓝色)和欧洲森林苹果(绿色)驯化期间Ma1基因的选择性清除,清除的区域用填充的框标记;
e 绵苹果和新疆塞威士苹果的Ma1基因Fst分布;
f 绵苹果和欧洲森林苹果的Ma1基因Fst分布。

参考文献
Duan N, Bai Y, Sun H, et al. Genome re-sequencing reveals the history of apple and supports a two-stage model for fruit enlargement[J]. Nature communications, 2017, 8(1): 249.

基因组事业部 杨东晓 | 文案
唐 娟 | 审核
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