《Molecular Plant》百邁客大白菜遺傳進(jìn)化研究

2018年9月11日，北京市農林科學(xué)院蔬菜研究中心張鳳蘭課題組在Molecular Plant上發(fā)表題為“A genomic variation mapprovides insights into the genetic basis of spring Chinese cabbage (Brassica rapa?ssp.?pekinensis) selection”科研成果，其中張鳳蘭研究員和于栓倉為通訊作者。這也是2018年百邁客繼芥菜SLAF遺傳進(jìn)化、水稻SLAF遺傳圖譜之后，第3篇在Molecular Plant上發(fā)表的文章。

摘要

大白菜是東亞國家中需求最多的多葉作物。由于持續低溫造成早期抽薹致使大白菜產(chǎn)量和品質(zhì)的嚴重降低，因此限制了大白菜的種植季節和地理分布。在過(guò)去40年里，為了滿(mǎn)足市場(chǎng)需求會(huì )選擇耐寒性比較強的春大白菜。本文報道了大白菜的基因組變異圖譜來(lái)自三種生態(tài)類(lèi)型的194個(gè)地理上不同的物種的重測序數據。通過(guò)全基因組范圍內的深度掃描分析發(fā)現春大白菜是從中國北部山東半島地區的秋大白菜的一個(gè)特定種群中馴化而來(lái)的。確定了23個(gè)基因位點(diǎn)受到了強烈選擇，并通過(guò)基因表達和單體型分析進(jìn)一步證明了這一點(diǎn)，VERNALISATION INSENTIVE3.1（BrVIN3.1）和FLOWER LOCUS C?1 (BrFLC1)優(yōu)良等位基因結合是選擇過(guò)程中變異的主要遺傳來(lái)源。此外發(fā)現由于BrVIN3.1啟動(dòng)子順式元件的序列變異，BrVIN3.1對冷有一個(gè)顯著(zhù)的量化反應，這將有助于大白菜抽薹時(shí)間的變化。該研究對春大白菜選擇的遺傳基礎提供了有價(jià)值的見(jiàn)解，并將通過(guò)分子標記輔助選擇，轉基因和基因編輯方法促進(jìn)抗抽薹品種的育種研究。

背景介紹

亞洲大白菜的年產(chǎn)量約為50萬(wàn)噸，占世界產(chǎn)量的70%。中國大白菜的馴化可以追溯到6000年以前，在大約500以前的時(shí)候大白菜經(jīng)過(guò)嚴格的篩選以適應多樣化的農業(yè)生態(tài)環(huán)境。經(jīng)過(guò)遺傳和分類(lèi)分析證明秋大白菜原產(chǎn)于中國中部溫帶地區，隨后傳入中國南部和北部以及日本和韓國。在中國南部一些耐熱品種被馴化以適應亞熱帶環(huán)境，這些品種擴展到中國，被認為是夏大白菜。大約40年以前，韓國和日本培育了晚抽薹品種，后來(lái)又傳入中國。

為了闡述中國大白菜的進(jìn)化和馴化歷史，本研究重點(diǎn)集中在下面幾個(gè)題：（1）哪一種大白菜是祖先種，（2）春大白菜在哪起源，（3）在春大白菜馴化時(shí)遺傳基礎是是什么。本研究提供來(lái)自3個(gè)生態(tài)型194個(gè)白菜的表型和基因型數據，春大白菜的地理起源和馴化動(dòng)力本鑒定。在全基因組的測序和分析后，本研究也證明了BrVIN3.1和BrFLC1的優(yōu)良等位基因在馴化時(shí)變異的主要遺傳來(lái)源。

研究結果

??大白菜的種群結構

對194個(gè)大白菜進(jìn)行了重測序，平均每個(gè)個(gè)體測序深度為10X，獲得2.1Tb的原始數據，最后獲得1,208,499個(gè)SNPs和416,070個(gè)InDels。對194個(gè)大白菜進(jìn)行系統發(fā)育分析，這194個(gè)樣品可以被分為3種生態(tài)型，分別是春大白菜（n=40），夏大白菜（n=37）和秋大白菜（n=117）（下圖B）。為了弄清楚這個(gè)群體的基因混合程度，又進(jìn)行群體結構分析（下圖C）。

圖1 大白菜的種群結構分析

通過(guò)?K分析發(fā)現194個(gè)樣品分成4個(gè)代表種群是較好的模型，增加K值從2到10，等到的模型見(jiàn)上圖C，在K=2或3時(shí)，春大白菜能夠清晰的從其他群里分出來(lái)，在K=4時(shí)，秋大白菜被分為兩個(gè)群，定義為Aut1和Aut2，這個(gè)結果也被主成分分析支持（PCA），如上圖D所示。

此外，結果顯示春大白菜組位于距離鄰接（N-J）樹(shù)的根最遠的點(diǎn)，Aut2組位于根最近的點(diǎn)，而Aut1的距離在A(yíng)ut2和春大白菜的中間位置（見(jiàn)上圖B）。進(jìn)一步發(fā)現春大白菜群組與其他組相比具有更低的核苷酸多態(tài)性（π）和更高的LD衰減。

??不同的大白菜廣泛的抽薹時(shí)間變化

晚抽薹是春大白菜的育種目標，重點(diǎn)關(guān)注不同的生態(tài)型和樣品的春化反應和抽薹時(shí)間。DTBV（春化之后到抽薹的天數）用沒(méi)有發(fā)生春化反應（V^–）和1-6周發(fā)生春化（V^+1~6w）

進(jìn)行評估以研究春化反應。在沒(méi)有春化的條件下，僅僅17個(gè)抽薹（16個(gè)是夏大白菜，1個(gè)是秋大白菜），剩下的177個(gè)在6個(gè)月內都沒(méi)有抽薹。在春化（V^+1~6w）的條件下，在冷處理后開(kāi)花加速，冷處理時(shí)間越長(cháng)速度增長(cháng)越大。然而不同的生態(tài)型大白菜也顯示出不同的冬習性，每次春大白菜種都需要最長(cháng)的時(shí)間抽薹，而夏大白菜抽薹較早，秋大白菜處于中間位置。

對V^+5w數據進(jìn)行進(jìn)一步分析，BIV（春化后的抽薹指數）被評估研究抽薹時(shí)間的變化，在V^+5w條件下，194個(gè)樣品中191個(gè)抽薹平均指數為52.5，在不同的生態(tài)類(lèi)型中植物顯示出明顯的變化，春大白菜、夏大白菜和秋大白菜的平均抽薹指數為19.1，52.2，81.0，發(fā)現在3個(gè)生態(tài)型中春大白菜具體最低的抽薹指數，而秋大白菜具有最寬的抽薹指數范圍。

??春大白菜選擇的遺傳基礎

在春大白菜育種中，為了鑒定受選擇的候選基因區域，本研究用XP-CLR方法比較了春大白菜群體和Aut1群體。使用XP-CLR值的前5%區域，鑒定了66個(gè)受選擇的區域（見(jiàn)下圖A）。為了更進(jìn)一步鑒定受選擇的區域，應用Fst進(jìn)行分析。另外70個(gè)顯著(zhù)的差異位點(diǎn)被鑒定出來(lái)，用Fst的方法取值大于0.28（5%的閾值），這其中的26個(gè)位點(diǎn)是落在XP-CLR 66個(gè)位點(diǎn)之內。從XP-CLR和Fst的交集里的26各位點(diǎn)中的3個(gè)與π比率方法不同，因此被排除在外。研究點(diǎn)集中在剩下的23候選位點(diǎn)，由9Mb序列和1,599個(gè)基因，相當于組裝基因組和編碼基因的3.16%和3.72%。

圖2?大白菜受選擇的遺傳基礎分析

??選擇期間抽薹時(shí)間變化相關(guān)的候選基因組區域和基因

構建了一個(gè)遺傳圖譜進(jìn)行QTL定位以找到抽薹時(shí)間相關(guān)的區域，一共找到了7個(gè)QTLs，其中QTLs ftA02.1 and ftA10.1被發(fā)現在受選擇的兩個(gè)候選區域內。通過(guò)多年對表型變化影響的反復檢測，推測它們參與了抽薹時(shí)間的調控。

兩個(gè)候選區域的物理間隔分別包含32和184個(gè)基因，再通過(guò)RNA-seq的篩選，有7個(gè)基因（BrTCH4、BrVIN3.1、BrAHA3、BrFLC1、BrPK、BrPDE340和BrFLS1）在春化現象期間出現差異表達。VIN3和FLC都被證明是開(kāi)花時(shí)間控制的積極調節因子在擬南芥中。此外，BrVIN3.1 和 BrFLC1被發(fā)現在兩個(gè)LD blocks中，表現出兩個(gè)基因強烈的受選擇信號。BrVIN3.1 和 BrFLC1為春大白菜栽培時(shí)抽薹時(shí)間受選擇的候選基因。

??BrVIN3.1和BrFLC1的單被型及其對抽薹時(shí)間的影響

BrVIN3.1的啟動(dòng)子區域中的9個(gè)變異被鑒定為與表型變異顯著(zhù)（p <0.05）相關(guān)。194個(gè)樣品可以根據BrVIN3.1的單體型分為5個(gè)群。同理，基于BrFLC1重測序的SNP數據，有15個(gè)變異被鑒定與BIV+5w相關(guān)。194個(gè)基因型分為2個(gè)大群和1個(gè)小群。

圖3?BrVIN3.1和BrFLC1的單倍型

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