【成功案例】百迈客助力芥菜研究新作

1.研究背景

异源多倍体芥菜(Brassica juncea L.)是芸薹属禹氏三角的重要组成部分,芸薹属包含多种菜用、油用和调味作物。芥菜在中国分部广泛,具有长达6000–7000年的栽培时间。菜用芥菜不同的品种中可观察到巨大的表型变异,根据食用的器官不同可分为叶型,茎型,根型等不同的变种。油用芥菜作为芸薹属三大食用油来源之一,主要分布在印度次大陆和中国西北地区。其在加拿大个澳大利亚作为油菜作物,同时在欧洲,中国和其它地区作为调味品作物。
大约在半个世纪前,科学家提出阿富汗及其毗邻地区是是芥菜的主要起源中心,而小亚细亚半岛,中国中西部和印度东部是次要的多样性中心。后续的一些研究提出,芥菜根源于几种基于细胞遗传学和生物化学证据的独立杂交。近期,通过油用芥菜的SSR研究分析表明,中国与印度分别是其多系起源于遗传多样性的中心。然而,还有一观点认为中国是芥菜的主要起源中心,这一观点被在中国的西北部发现了野生的芜菁和黑芥,中国芥菜品种的丰富性和具长期栽培历史的考古证据所支持的。在2016年,基于重测序技术的芸薹属作物A亚基因组的基因组学分析中发现了油用芥菜与菜用芥菜的单系起源。但是芥菜作物的系统发育进化史已有了数十年的争议。

2.材料选择

109份芥菜(来自中国,印度,澳大利亚和欧洲国家)自然群体,根据其农业上的用途,分为菜用芥菜和油用芥菜两个群。

3.研究策略

测序平台:illumina Hiseq 2000;
简化基因组测序(SLAF-seq);
开发100000 SLAF标签,利用170181 SNPs进行群体进化分析。

4.分析软件

BWA,GATK和SAMtools;
MEGA 5.2,ADMIXTURE,EIGENSOFT;
RAxML v8.2.4;PAML v4.0

5.研究结果
研究结果一:群体分层分析

1. 系统发育树构建
109份材料主要分为4个群,2个菜用芥菜群体和2个油用芥菜群体。来自中国的食用器官分别为叶(28份材料)和茎的材料(27份材料)构成了一个群体,称为Vegetable (Leaf/Stem);来源于中国的15个根型芥菜聚类成一个独立的群体,称为Vegetable (Root)。油用芥菜中来自澳大利亚(9份材料),中国(7份材料)和欧洲(6份材料)形成一个群体,成为Oil (A,C,E);来自印度的共计14份材料聚为一个群体,称为Oil (IN)。系统发育树如下图1。来自澳大利亚,中国西北部和欧洲国家的油用芥菜具有棕色或黄色的种子,而来自印度的油用芥菜的种子的颜色为浅棕色或深棕色。

图1 109份芥菜系统发育树

2. PCA主成分分析
利用主成分分析来评估遗传变异,分析结果显示主要分为4个群:Vegetable(Leaf/Stem),Vegetable (Root),Oil (IN)和Oil (A,C,E),该结果与系统发育树结果一致。

图2 109份芥菜的PCA主成分分析

3. 群体结构分析
群体结构分析结果显示分为4个最优祖先群。

图3 109份芥菜的群体结构分析(K=4)

研究结果二:芥菜不同群体分化时间的估算
研究中分析了菜用芥菜和油用芥菜的B亚基因组的SNP变异。研究结果显示多态性的SNP大于B亚基因组中固定的SNP,这种模式与A亚基因组相似,支持了芥菜的单系起源问题。
研究中还发现了Vegetable (Root)型最先分化,然后是Oil (A,C,E),最后是Oil (IN) 与Vegetable (Leaf/Stem)的分化,并计算分化时间,分别是:0.067 Mya,0.065 Mya和0.032 Mya

图4 芥菜不同群体的系统发育关系

研究结果三:芥菜起源地与驯化
研究中发现了Vegetable (Root)芥菜最早发生了分化,表明中国是芥菜的主要起源地和多样性中心;同时发现了油用芥菜聚类为了2个群体:Oil (A,C,E)和Oil (IN),Vegetable (Leaf/Stem)型在Oil (IN)型中发生了分化,其分别在中国和印度进行种植,但分化时间远远晚于tVegetable (Root)型和Oil (A,C,E)型。这些研究结果表明:Vegetable (Leaf/Stem)行和Oil (IN)型在驯化中新形成的。

此篇文章发表是百迈客科技服务在简化基因组测序及数据深度挖掘领域实力的再次印证!百迈客期待与您的合作!

参考文献:
Jinghua Yang, Changtong Zhang, Ning Zhao,et al. Chinese Root-type Mustard Provides Phylogenomic Insights into the Evolution of the Multi-use Diversified Allopolyploid Brassica juncea[J]. Molecular Plant,2017.

基因组事业部 张学雯丨文案
李绪明 | 审核
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