通過種間雜交實(shí)現(xiàn)基因組滲入抵消了大豆馴化過程中的遺傳瓶頸【文獻(xiàn)原文下載】

 

研究背景

 

已有文獻(xiàn)證明通過自發(fā)雜交和回交，農(nóng)作物及其野生近緣種之間有滲入，是遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移的證據(jù)。而對滲入的進(jìn)化模式、后果及其對作物馴化、品種多樣化過程的影響知之甚少。種間雜交都有什么實(shí)例？本篇文章為您解析。

大豆(Glycine max?[L.] Merr.)是世界上最重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，為飼料、食品及工業(yè)用途的植物油、燃料提供了高質(zhì)量蛋白質(zhì)來源。栽培大豆起源于中國，在距今約6000至9000年前由野生大豆(Glycine soja)馴化而來，之后進(jìn)行了品種多樣化，形成許多適合于不同生態(tài)區(qū)域在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中種植的大豆地方品種。盡管單一來源模型已被普遍接受，但大豆的馴化歷史和過程仍不清楚。一項(xiàng)早期研究提出，從野生大豆到馴化大豆的過渡是一個(gè)漸進(jìn)過程。在中國的大豆種植區(qū)仍存在形態(tài)介于野生大豆與馴化大豆間的半野生型大豆(Glycine gracilis)。由此推測從野生大豆到栽培大豆可能存在基因流。

雜交產(chǎn)生的基因組片段滲入是基因流的主要途徑，在玉米和水稻種均報(bào)道存在基因滲入情況，但少有研究調(diào)查作物馴化期間基因組滲入的過程、模式和進(jìn)化結(jié)果。

 

技術(shù)路線

研究結(jié)果

 

全基因組鑒定的野生大豆-栽培大豆基因滲入

通過302份已公布的大豆種質(zhì)進(jìn)行同源遺傳關(guān)系分析 (Identical By Descent，IBD), 發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)大豆均存在種間基因滲入片段。各個(gè)基因組（包括62個(gè)野生種和129個(gè)地方種）中檢測到的滲入片段的比例在0.00037至0.60之間，平均為0.032（圖1）。

圖2顯示了檢測到的基因滲入在各個(gè)基因組中具有> 5％滲入片段的種質(zhì)的染色體分布。在野生大豆基因組中，檢測到栽培大豆片段的比例為0.00059至0.41，平均為0.019。在栽培大豆基因組中，檢測到野生大豆片段比例為0.00037至0.60，平均為0.031。野生大豆和栽培大豆亞群中，基因滲入片段的43.94％和54.61％由兩個(gè)或更多的種質(zhì)共享，其余的是種質(zhì)特異性的。滲入片段均未完全固定在野生大豆或栽培大豆中（圖2）。

具有推定基因滲入?yún)^(qū)域的D統(tǒng)計(jì)量顯著低于沒有推定基因滲入?yún)^(qū)域，并且也顯著低于全基因組平均水平，這表明野生大豆和栽培大豆間的基因流與這些基因區(qū)域有關(guān)（圖3）。

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圖1?野生大豆和栽培大豆的進(jìn)化樹

圖2?種間基因滲入在全基因組的分布

環(huán)形從外至內(nèi)依次表示(i)染色體臂(灰色)，近著絲粒區(qū)(綠色) (ii)群體水平的基因滲入比例在各條染色體的分布(iii)馴化相關(guān)QTL位點(diǎn)在各條染色體的分布(紅色) (iv)選擇掃蕩區(qū)域在各條染色體的分布(紅色) (v)具有代表性的12份栽培大豆及10份野生大豆材料基因滲入?yún)^(qū)間的在各條染色體的分布：栽培大豆片段(藍(lán)色)，野生大豆片段(橙色)

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圖3?D-statistic 分析方法展示野生和栽培大豆間基因組不同區(qū)域中不同模式的基因流

為了檢測到基因滲入的起源，比較了野生品種（PI 578357，s61）和地方品種（PI 339734，m30）中的代表性大滲入片段，據(jù)估計(jì)分別有33％、31％的基因滲入片段具有其他種質(zhì)的相應(yīng)區(qū)域。圖4b說明了在野生種PI 578357（s61）中，與栽培種進(jìn)化相鄰的野生種之一的全基因組推定性基因滲入。PI 578357中2號染色體的檢測區(qū)域與地方品種黑河小黃豆（m104）中的相應(yīng)區(qū)域具有最高的序列相似性（圖4a，b，d，f ），而PI 578357的非滲入?yún)^(qū)與野生品種PI 522226（s5）的對應(yīng)區(qū)域具有最高的相似性（圖4b，c，e，f）。地方品種PI 339734中19號染色體的滲入?yún)^(qū)域與野生大豆PI 407275（s42）中的相應(yīng)區(qū)域具有最高的序列相似性（圖4h，i， k，l），PI 339734非滲入?yún)^(qū)與地方品種PI 548456（m111）對應(yīng)區(qū)域具有最高的相似性（圖4g，h，j，l）。

根據(jù)基因序列分析，PI 578357和黑河小黃豆之間及PI 339734和PI 407275之間的分歧時(shí)間分別可追溯到約0.37和27萬年前（mya）。由于大豆的馴化發(fā)生在大約6000-9000年前，兩對（野生大豆-栽培大豆）品種之間所檢查的滲入?yún)^(qū)域的如此高的相似性應(yīng)被視為野生大豆-栽培大豆?jié)B入的直接證據(jù)。

圖4?基于同源遺傳關(guān)系分析推測的滲入片段起源的范例

(a-c)黑河小黃豆, PI 578357和PI 52226三個(gè)材料中基因組成分在2號染色體的分布(d)基于2號染色體基因滲入?yún)^(qū)域SNP構(gòu)建的進(jìn)化樹揭示的PI 578357中PI 52226成分的起源(e)基于2號染色體非基因滲入?yún)^(qū)域SNP構(gòu)建的進(jìn)化樹揭示的PI 578357中黑河小黃豆成分的起源(f)上述三個(gè)材料的地理分布(g-i) PI 548456, PI 339734和PI 407275三個(gè)材料中基因組成分在19號染色體的分布(j)基于19號染色體基因滲入?yún)^(qū)域SNP構(gòu)建的進(jìn)化樹揭示的PI 339734中PI 548546成分的起源(k)基于19號染色體非基因滲入?yún)^(qū)域SNP構(gòu)建的進(jìn)化樹揭示的PI 339734中PI 407275成分的起源(l)上述三個(gè)材料的地理分布

野生大豆-栽培大豆基因滲入的影響因素

圖5?自然選擇與人工選擇下基因滲入的模式

(a)野生大豆中選擇掃蕩區(qū)段中野生大豆成分的比例(b)野生大豆中馴化相關(guān)QTL區(qū)段中野生大豆成分的比例(c)栽培大豆中選擇掃蕩區(qū)段中栽培大豆成分的比例(d)栽培大豆中馴化相關(guān)QTL區(qū)段中栽培大豆成分的比例

相較于在野生大豆種質(zhì)中檢測到的基因組其他區(qū)域，與選擇性掃描區(qū)域相應(yīng)區(qū)域中的栽培大豆片段比例顯著降低（圖5a）。相比之下，與栽培大豆基因組相比，選擇性掃除區(qū)中野生大豆片段在基因組其他區(qū)域的檢出率顯著降低（圖5c）。在栽培大豆或野生大豆相應(yīng)馴化QTL區(qū)域中，滲入片段比例比選擇性掃描區(qū)域中檢測到的小（圖5b，d）。這些結(jié)果表明雙向選擇，即自然選擇與人工選擇，對野生大豆和栽培大豆中滲入片段的保留具有不同的結(jié)果、影響。

關(guān)鍵馴化基因周圍的基因流

圖6?基于兩個(gè)馴化相關(guān)基因所在的選擇掃蕩區(qū)段SNP信息構(gòu)建的進(jìn)化樹

基因滲入被認(rèn)為是基因流的主要途徑，那么基因流如何在種群水平上影響馴化過程和大豆基因組的遺傳結(jié)構(gòu)？現(xiàn)有研究已分離出分別控制種子硬度和種皮開花的關(guān)鍵大豆馴化基因GmHs1-1和Bloom1（B1），圍繞GmHS1-1、Gmhs1-1和B1、b1基因座的兩個(gè)選擇性掃除區(qū)域中的SNP分析系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系發(fā)現(xiàn)基因滲入現(xiàn)象在這兩個(gè)區(qū)域均有存在。考慮到野生大豆和栽培大豆亞種的系統(tǒng)發(fā)育差異，在研究種群中兩個(gè)馴化基因位點(diǎn)檢測到的選擇性掃描區(qū)域和單倍型的混合將被視為亞種群間基因流動的進(jìn)一步證據(jù)。

核基因組和細(xì)胞器基因組之間的不對稱多樣化揭示了基因滲入

圖7?栽培大豆和野生大豆核基因組和葉綠體基因組的非對稱分歧

191個(gè)材料的核基因組進(jìn)化樹基于全基因組的SNP信息，葉綠體進(jìn)化樹基于333個(gè)高度可信SNP位點(diǎn)。栽培大豆用藍(lán)色分枝藍(lán)色背景表示，野生大豆用紅色分枝紅色背景表示。兩個(gè)進(jìn)化樹中的相同材料用直線連接。藍(lán)線表示栽培大豆中含有野生大豆葉綠體成分，橙線表示野生大豆中含有栽培大豆葉綠體成分?；揖€表示分別具有野生大豆和栽培大豆葉綠體的種質(zhì)。

栽培大豆比野生大豆的葉綠體進(jìn)化分化程度更小，但有些栽培大豆中含有野生大豆的葉綠體基因組，有些野生大豆中含有栽培大豆的葉綠體基因組（圖7）。說明野生大豆與栽培大豆之間存在雜交事件，這種雜交事件很可能是豐富的遺傳多樣性的原因。核基因組與葉綠體基因組總體上呈現(xiàn)出共進(jìn)化趨勢，但部分細(xì)胞核與葉綠體基因組間發(fā)生了非平行進(jìn)化，或許是由于種內(nèi)天然雜交。

選擇抗?jié)B入的后果

圖8?大豆馴化過程模型

在大豆馴化期間或之后，種間雜交和隨后的回交產(chǎn)生廣泛的基因組滲入。之后通過從QTL或大豆馴化基礎(chǔ)的選擇清除區(qū)域清除滲入的變異，對DRT（馴化相關(guān)基因）進(jìn)行重新選擇或輪回選擇（圖8）。在這些區(qū)域中觀察到的野生大豆?jié)B入片段的比例明顯低于地方品種的其余基因組區(qū)域。該模式與野生大豆種質(zhì)中假定的漸滲的栽培大豆片段的分布模式相呼應(yīng)，表明種間漸滲的進(jìn)化命運(yùn)由兩個(gè)不同選擇壓力的相對強(qiáng)度決定。作物馴化伴隨著遺傳多樣性的大量丟失，是作物形成中的主要遺傳瓶頸。但與野生大豆相比，栽培大豆中依然存在著較高的遺傳多樣性。據(jù)此估算，栽培大豆個(gè)體間的平均分化時(shí)間可追溯到30萬年前，而這樣高的多樣性通常是無法通過對某個(gè)地域中少數(shù)野生材料的人工選擇而獲得的。

結(jié)論

本研究揭示了農(nóng)作物及其野生近緣種之間假定的基因組基因滲入的進(jìn)化力、模式和后果，以及滲入對作物馴化和品種多樣化過程的影響。設(shè)想種間滲入是抵消馴化作物特別是單種馴化作物遺傳多樣性減少的重要機(jī)制。