《Molecular Plant》百迈客大白菜遗传进化研究

2018年9月11日,北京市农林科学院蔬菜研究中心张凤兰课题组在Molecular Plant上发表题为“A genomic variation mapprovides insights into the genetic basis of spring Chinese cabbage (Brassica rapa ssp. pekinensis) selection”科研成果,其中张凤兰研究员和于栓仓为通讯作者。这也是2018年百迈客继芥菜SLAF遗传进化、水稻SLAF遗传图谱之后,第3篇在Molecular Plant上发表的文章。

英文题目:A genomic variation mapprovides insights into the genetic basis of spring Chinese cabbage (Brassica rapa ssp. pekinensis) selection

中文题目:变异图谱揭示春大白菜选择的遗传基础

发表时间:2018.9.11

单位:北京市农林科学院蔬菜研究中心

期刊:Molecular Plant

IF:8.82

摘要

大白菜是东亚国家中需求最多的多叶作物。由于持续低温造成早期抽薹致使大白菜产量和品质的严重降低,因此限制了大白菜的种植季节和地理分布。在过去40年里,为了满足市场需求会选择耐寒性比较强的春大白菜。本文报道了大白菜的基因组变异图谱来自三种生态类型的194个地理上不同的物种的重测序数据。通过全基因组范围内的深度扫描分析发现春大白菜是从中国北部山东半岛地区的秋大白菜的一个特定种群中驯化而来的。确定了23个基因位点受到了强烈选择,并通过基因表达和单体型分析进一步证明了这一点,VERNALISATION INSENTIVE3.1BrVIN3.1)和FLOWER LOCUS C 1 (BrFLC1)优良等位基因结合是选择过程中变异的主要遗传来源。此外发现由于BrVIN3.1启动子顺式元件的序列变异,BrVIN3.1对冷有一个显著的量化反应,这将有助于大白菜抽薹时间的变化。该研究对春大白菜选择的遗传基础提供了有价值的见解,并将通过分子标记辅助选择,转基因和基因编辑方法促进抗抽薹品种的育种研究。

背景介绍

亚洲大白菜的年产量约为50万吨,占世界产量的70%。中国大白菜的驯化可以追溯到6000年以前,在大约500以前的时候大白菜经过严格的筛选以适应多样化的农业生态环境。经过遗传和分类分析证明秋大白菜原产于中国中部温带地区,随后传入中国南部和北部以及日本和韩国。在中国南部一些耐热品种被驯化以适应亚热带环境,这些品种扩展到中国,被认为是夏大白菜。大约40年以前,韩国和日本培育了晚抽薹品种,后来又传入中国。

为了阐述中国大白菜的进化和驯化历史,本研究重点集中在下面几个题:(1)哪一种大白菜是祖先种,(2)春大白菜在哪起源,(3)在春大白菜驯化时遗传基础是是什么。本研究提供来自3个生态型194个白菜的表型和基因型数据,春大白菜的地理起源和驯化动力本鉴定。在全基因组的测序和分析后,本研究也证明了BrVIN3.1BrFLC1的优良等位基因在驯化时变异的主要遗传来源。

研究结果

 大白菜的种群结构

对194个大白菜进行了重测序,平均每个个体测序深度为10X,获得2.1Tb的原始数据,最后获得1,208,499个SNPs和416,070个InDels。对194个大白菜进行系统发育分析,这194个样品可以被分为3种生态型,分别是春大白菜(n=40),夏大白菜(n=37)和秋大白菜(n=117)(下图B)。为了弄清楚这个群体的基因混合程度,又进行群体结构分析(下图C)。

图1 大白菜的种群结构分析

通过∆K分析发现194个样品分成4个代表种群是最好的模型,增加K值从2到10,等到的模型见上图C,在K=2或3时,春大白菜能够清晰的从其他群里分出来,在K=4时,秋大白菜被分为两个群,定义为Aut1和Aut2,这个结果也被主成分分析支持(PCA),如上图D所示。

此外,结果显示春大白菜组位于距离邻接(N-J)树的根最远的点,Aut2组位于根最近的点,而Aut1的距离在Aut2和春大白菜的中间位置(见上图B)。进一步发现春大白菜群组与其他组相比具有更低的核苷酸多态性(π)和更高的LD衰减。

◈ 不同的大白菜广泛的抽薹时间变化

晚抽薹是春大白菜的育种目标,重点关注不同的生态型和样品的春化反应和抽薹时间。DTBV(春化之后到抽薹的天数)用没有发生春化反应(V)和1-6周发生春化(V+1~6w

进行评估以研究春化反应。在没有春化的条件下,仅仅17个抽薹(16个是夏大白菜,1个是秋大白菜),剩下的177个在6个月内都没有抽薹。在春化(V+1~6w)的条件下,在冷处理后开花加速,冷处理时间越长速度增长越大。然而不同的生态型大白菜也显示出不同的冬习性,每次春大白菜种都需要最长的时间抽薹,而夏大白菜抽薹最早,秋大白菜处于中间位置。

对V+5w数据进行进一步分析,BIV(春化后的抽薹指数)被评估研究抽薹时间的变化,在V+5w条件下,194个样品中191个抽薹平均指数为52.5,在不同的生态类型中植物显示出明显的变化,春大白菜、夏大白菜和秋大白菜的平均抽薹指数为19.1,52.2,81.0,发现在3个生态型中春大白菜具体最低的抽薹指数,而秋大白菜具有最宽的抽薹指数范围。

◈ 春大白菜选择的遗传基础

在春大白菜育种中,为了鉴定受选择的候选基因区域,本研究用XP-CLR方法比较了春大白菜群体和Aut1群体。使用XP-CLR值的前5%区域,鉴定了66个受选择的区域(见下图A)。为了更进一步鉴定受选择的区域,应用Fst进行分析。另外70个显著的差异位点被鉴定出来,用Fst的方法取值大于0.28(5%的阈值),这其中的26个位点是落在XP-CLR 66个位点之内。从XP-CLR和Fst的交集里的26各位点中的3个与π比率方法不同,因此被排除在外。研究点集中在剩下的23候选位点,由9Mb序列和1,599个基因,相当于组装基因组和编码基因的3.16%和3.72%。

图2 大白菜受选择的遗传基础分析

◈ 选择期间抽薹时间变化相关的候选基因组区域和基因

构建了一个遗传图谱进行QTL定位以找到抽薹时间相关的区域,一共找到了7个QTLs,其中QTLs ftA02.1 and ftA10.1被发现在受选择的两个候选区域内。通过多年对表型变化影响的反复检测,推测它们参与了抽薹时间的调控。

两个候选区域的物理间隔分别包含32和184个基因,再通过RNA-seq的筛选,有7个基因(BrTCH4、BrVIN3.1、BrAHA3、BrFLC1、BrPK、BrPDE340和BrFLS1)在春化现象期间出现差异表达。VIN3和FLC都被证明是开花时间控制的积极调节因子在拟南芥中。此外,BrVIN3.1 和 BrFLC1被发现在两个LD blocks中,表现出两个基因强烈的受选择信号。BrVIN3.1 和 BrFLC1为春大白菜栽培时抽薹时间受选择的候选基因。

◈ BrVIN3.1和BrFLC1的单被型及其对抽薹时间的影响

BrVIN3.1的启动子区域中的9个变异被鉴定为与表型变异显着(p <0.05)相关。194个样品可以根据BrVIN3.1的单体型分为5个群。同理,基于BrFLC1重测序的SNP数据,有15个变异被鉴定与BIV+5w相关。194个基因型分为2个大群和1个小群。

图3 BrVIN3.1BrFLC1的单倍型

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