年中喜报第五弹|林木群体基因组学研究可以这样做~
2019.08.19

千里马常有而伯乐不常有,这句话某种程度上也适用于科研,常有材料资源,却不知如何让材料物尽其用以窥各类科学问题的真面目。此次以一篇刊登在Plant Biotechnology Journal上的安诺合作文章《Comparative population genomics identifified genomic regions and candidate genes associated with fruit domestication traits in peach》为例速写面对资源丰富的林木类材料可以如何进行群体基因组学研究~


进化是一个长期的过程,涉及到自然选择、人为驯化和改良进化基础上的遗传机制。林木类材料常因世代周期长、进化率低等自身固有的一些特征给林木类物种遗传特征变化的研究增添了些限制因素。如何有效利用多样化的遗传种质了解驯化和改良的遗传基础,帮助改善物种的遗传资源是林木群体基因组学研究的重点和热点。下面将结合文章从研究策略、材料选择以及分析思路等几个方面揭示林木群体基因组学的研究方法。


研究目的


桃(Prunus Persica)是我国5000多年前在长江中下游地区驯化的一种重要的落叶果树。目前在温带地区广泛种植。但关于桃子在传播过程中出现的遗传变异和发挥了重要作用的候选基因尚不清楚。故对其进化状态进行研究,筛选到桃驯化改良相关的QTL和候选基因至关重要。


群体基因组学常用于复杂性状定位和群体遗传差异性分析,对于林木的材料,常聚焦于剖析关键性状的遗传基础、遗传多样性格局与亚群形成及分化机制等关键科学问题。



研究策略


通过群体进化(比较群体基因组学)联合GWAS(全基因组关联分析)对桃驯化和改良阶段出现的遗传变异和发挥了重要作用的候选基因进行分析,为确定桃子进化的潜在机制和进一步探索桃的改良育种工作奠定基础。


群体进化是研究不同地理环境下自然群体的遗传特点,分析种群遗传结构及其演化历史等,揭示物种间的亲缘关系和种群历史动态的演化规律,挖掘造成不同环境适应性机制的关键基因,或者野生种和驯化种间找到人工驯化的、具有重要经济价值性状的关键基因。而GWAS则是一种高效的将表型和基因型进行关联分析为揭示复杂农艺性状的分子机理提供了新思路。二者联合则不仅可以了解群体进化状态,还可以筛选进化过程中遗传变异的发生对于关键性状的重要影响。

样本选择

研究对从世界各地收集到的 418 例材料(由45个野生近缘种和373个桃属材料组成)进行了重测序(平均测序深度为7.33X)。野生近缘种由两种美洲杏、一种李子、一种蒙古扁桃和四川扁桃,和几种光核桃。桃属材料从中国、韩国、日本、意大利、加拿大和美国等国家世界不同的国家收集的经证实的品种,包括31个小果野生桃品种、29个观赏系、152个食用地方品种和161个改良品种。根据系统进化树去除结构复杂的品种后留下323 个材料用于选择性分析。野生近缘种、毛桃和观赏桃在GWAS分析的时候被排除在外,以保证获得比较好的性状定位。


研究目的是针对桃种质资源的多样性、驯化和改良过程中的选择信号分析及关键性状(果实重量、山梨醇含量、多酚类含量等)的定位。故在材料选择中会包含野生近缘种、丰富的野生、改良种、地方种等桃属种质资源。这些材料主要用于群体进化分析,揭示多样性和选择信号,但考虑到这些材料间的群体结构,在进行GWAS分析的时候主要针对改良种和地方种进行分析。
群体基因组学常用于揭示林木的生长、发育及代谢调控等生命活动规律及林木重要的产量、品质、抗性相关的基因,其次是林木杂种优势形成及木材形成机理等方面,不同的研究目的对于群体样本的选择也大不相同。在进行GWAS关联分析的时候除了要保证性状的多样性外,更需要避开遗传关系过于复杂或者存在明显群体结构的材料。



常见结果展示


遗传变异


为了评估桃的遗传变异,本研究对世界各地收集到的418例材料进行重测序(图1a),平均深度为7.33X,覆盖率为93.96%,共鉴定到4,224,349个单核苷酸多态性位点(SNPs)。其中,不同群体的单核苷酸多态性(SNPs)数量分析显示改良品种多态性低于野生近缘种、野生桃和地方食用桃品种,而高于观赏桃。此外,品系特异性SNP分析发现,野生近缘种特异性SNP数量最多。
桃种质资源的群体结构
根据系统发育(图1b)和种群结构分析(图1c),当K=2时,将所有野生系划分为一个类群。这些结果支持了目前种植的驯化和改良桃子都起源于单一驯化事件这一假设。当K=3时驯化和改良桃被细分产生两个主类,一大主类包括大部分地方品种,另一个主要包括改良品种。其中改良品种还可以进一步划分为两个亚群,第一分支亚群是由中、日、南韩三国人员从中国粘核桃(上海水蜜桃)培育而来的品种组成,另外分支的亚群是源自美国和欧洲。
50 kb划窗计算的多态性参数π值显示野生群体、观赏桃和地方种的π值分别2.10x10-3
、1.14x10-3以及0.89-1.07x10-3。表明从野生种培育至地方品种的过程中损失了近一半的多态性,这一结果也与Fst结果呈现一致性。



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图1 群体多样性分析


进化过程中的选择信号分析


结合PCA和Strcture的分群情况,在桃驯化(野生近缘种vs改良种和地方种)和改良(改良桃vs地方种)过程中检测潜在的选择性信号。野生近缘种和改良种、地方种进行选择信号分析共计筛选到132个候选区域,含1,212个驯化基因,主要集中在chr1、3、5。改良桃和地方种进行比较共筛选到108个候选区域,含869个改良基因,主要集中在1、2、3、5和6号染色体。结果表明改良过程的选择作用低于驯化过程。

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图2 选择性分析


随后作者进一步研究了在驯化或改良过程中候选受选择基因在组织中的特异性表达情况,分析表明,在驯化过程中受选择基因的上调主要发生在果实和种子中,而不是其他器官。然而,在改良阶段,更多的在叶片和种子中发现上调表达的选择基因。


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图3 组织特异性基因表达分析和重要农艺性状(果实重量、山梨醇含量、多酚类)调控候选基因的定位



此文主要通过群体进化分析对桃进化状态进行了研究,且基于GWAS分析对几个与控制重要的果实品质性状相关的QTL进行了定位,筛选到桃驯化改良相关的QTL和候选基因。群体进化联合GWAS的策略也是在群体基因组学最经典的策略,除了上述研究策略和样本选择等内容,在群体基因组学研究中性状选择、数据处理等过程也至关重要,想get更多这些策略里面的机巧,欢迎咨询~

[1]Ke Cao, Yong Li, Lirong Wang, et al. Comparative population genomics identifified genomic regions and candidate genes associated with fruit domestication traits in peach[J]. Plant Biotechnology Journal,2019.




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