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技术简介


群体进化是通过对种内不同生存条件下的不同亚群的代表性个体进行全基因组重测序,基于群体遗传差异,分析导致不同亚群适应性进化的基因组层面的特异变化。亚群之间的遗传差异变化也能反映出各自的动态变化及相互之间的影响。对于筛选到的受选择压力作用的基因组区域,通常是重要的功能区域,对于理解功能对环境的适应有重要指导意义。


优势


群体进化优势


群体进化应用领域





技术流程


群体进化技术流程


产品参数


群体进化产品参数




样本要求


群体进化样本要求




案例解析


比较群体基因组学鉴定与桃果实驯化性状相关的基因组区和候选基因

 

Comparative population genomics identifified genomic regions and candidate genes associated with fruit domestication traits in peach


群体进化案例解析

群体进化分析揭示椰枣树进化的多样性研究背景


现有作物物种的种群在不同程度上受到自然进化力量和人为影响的影响。有效利用多样化的遗传种质了解驯化和改良的遗传基础,可以帮助改善作物物种的遗传资源。多年生水果作物,因为它们经常被克隆繁殖,其进化率可能较低,而且寿命更长,但关于其遗传特征的变化还没有得到充分的研究。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,特别是在中国、意大利和西班牙,然而,对其演化的研究相对较少。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。


动植物 群体进化 蓝色 材料方法.png

 

1)重测序部分

418份材料,45个野生近缘种和373个桃属材料,前者由两种美洲杏、一种李子、一种蒙古扁桃和四川扁桃,和几种光核桃。后者从中国、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。

2转录组部分

野生近缘种、观赏桃、食用桃和改良桃各3个品种的根、韧皮部、成熟叶、成熟果实和种子用来做转录组测序筛选受选择的组织特异性基因。

测序平台&策略: Illumina HiSeq Xten PE150 平均深度为7.33X


研究结果

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(45个野生近缘种和373个桃属材料)进行了重测序(图1a),平均深度为7.33X,覆盖率为93.96%,共鉴定到4224 349个单核苷酸多态性(SNP)。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。

50kb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。


图1 群体多样性分析

 

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1212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。


图2 选择性分析

 

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选择基因,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。

此次分析了几个与控制重要的果实品质性状相关的QTL,并对其进化状态进行了研究。筛选到桃驯化改良相关的QTL和候选基因。在本研究中开发的基因组资源使我们能够大规模地对主要农艺性状进行表征以及进化研究用的基因组库。为确定桃子进化的潜在机制和进一步提高桃的遗传改良奠定了基础。

图3 组织特异性基因表达分析

图3 组织特异性基因表达分析


群体进化分析揭示椰枣树进化的多样性研究结论


此次分析了几个与控制重要的果实品质性状相关的QTL,并对其进化状态进行了研究。筛选到桃驯化改良相关的QTL和候选基因。在本研究中开发的基因组资源使我们能够大规模地对主要农艺性状进行表征以及进化研究用的基因组库。为确定桃子进化的潜在机制和进一步提高桃的遗传改良奠定了基础。



参考文献




FAQ


Q群体重测序进行信息分析我们能获得什么?


A重测序目前能够检测到遗传变异包括SNP、Indel、SV,在此基础上还可以进行群体遗传多样性分析(包括主成分分析、进化树构建和群体遗传结构分析)、群体选择分析(包括连锁不平衡分析和选择清除分析)和有效群体大小分析等。


Q什么是主成分分析(Principal component analysis)?


A

主成分分析(Principal component analysis,PCA)是一种纯数学的运算方法,可以将很多可能相关的变量转变成数量更少的主成分变量。PCA应用到很多学科,在遗传学当中,主要用于聚类分析,它是基于个体基因组SNP差异程度,按照不同性状特征将个体按主成分进行聚类成不同的亚群,同时用于和其它方法做相互验证。分析软件有EIGENSOFT等。



Q群体遗传结构(Population Genetic Structure)是什么?分析方法或软件有哪些?


A群体遗传结构是指遗传变异在物种或群体中的一种非随机分布,即遗传变异在群体内、群体间的分布样式以及在时间上的变化。群体结构结果用来展示遗传变异所导致群体分化的动态变化规律,这种动态变化有利于了解该物种不同品种之间的分化走向,确定某些样品所属的亚群。该方法假设所有样品由K(2...7)个祖先分化而来,当K取为一个定值时,每个样品对应各个祖先的数值之比决定其各个亚群的归属情况。分析软件有StructureFrappe 以及Admixture等。



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