研究背景

大豆（Glycine max）是從6000到9000年前的東亞野生親緣大豆中馴化而來(lái)，導致了巨大的形態(tài)和生理變化，統稱(chēng)為“馴養綜合癥”。一些與馴化有關(guān)的性狀（DRT）受一主要QTL控制，并且不同DRT所基于的某些QTL區域重疊。

許多豆科植物的種皮上都有一層含有致敏性過(guò)敏原的泥膜，使得種子不易被看見(jiàn)，為潛在的掠食者提供了雙重保護，保護后代。然而，無(wú)泥膜的光澤的種子對于人類(lèi)消費和健康是有利的，并且是馴化選擇的目標。較早的研究提出，三個(gè)互補基因B1，B2和B3控制花開(kāi)發(fā)育，但多項研究?jì)H檢測到13號染色體上的B1基因座。

技術(shù)路線(xiàn)

結果展示

圖1.?G. max、?G. soja及其子代的種皮光澤

為了確定從開(kāi)花到無(wú)花表型馴化過(guò)渡的基礎關(guān)鍵基因，將無(wú)花大豆品種Williams 82引入兩個(gè)高度不同的開(kāi)花G. soja品種PI468916和PI 479752，并獲得了由大約3500個(gè)RIL組成的兩個(gè)F_6：7重組自交系（RIL）群體。以Williams 82作為母本的雜交種子（F₁種子）沒(méi)有種皮開(kāi)花，而衍生自F₁植物的F_1：2種子則具有種皮開(kāi)花。而來(lái)自以Williams 82作為父本的雜交的F₁和F_1：2種子均攜帶種皮開(kāi)花（圖1b）。兩個(gè)RIL群體的兩個(gè)子集的表型分析顯示開(kāi)花與無(wú)花表型的比例為1：1。根據種皮開(kāi)花與母果莢果內果皮觀(guān)察表明，兩種種皮開(kāi)花主要由單個(gè)基因控制，并且在表皮上，開(kāi)花表型為顯性或部分顯性。值得注意的是，開(kāi)花RIL之間的種皮開(kāi)花數量不同，這可能反映了少量QTL調節種皮開(kāi)花積累的影響。

圖2.?B1基因克隆

隨后對RIL的兩個(gè)子集進(jìn)行處理，以通過(guò)測序（GBS）進(jìn)行基因分型?；蛐秃捅硇蛿祿慕M合在PI 468916和PI 479752中在13號染色體上種皮開(kāi)花的基礎上定義了一個(gè)區域（圖2a），該區域與先前映射的B1區域重疊，表明這兩個(gè)種質(zhì)由B1基因座控制。在映射區域內的其他標記用于鑒定兩個(gè)RIL群體中與B1基因座之間的重組體，最后根據大豆參考基因組序列將B1基因座精細映射到一個(gè)包含兩個(gè)基因（Glyma.13G241700、Glyma.13G241800）的14.5 kb區域（圖2b）。對三個(gè)親本系的兩個(gè)基因進(jìn)行測序，Williams 82和兩個(gè)大豆親本之間的差異只有一個(gè)SNP位點(diǎn)，即Glyma13G241700的編碼序列（CDS）中的一個(gè)（C到T）點(diǎn)突變，導致氨基酸從半胱氨酸變?yōu)榫彼幔▓D2c）?；ê?周，Glyma.13G241700在發(fā)育中的豆莢中最高表達，其在PI 468916和（Williams 82×PI 468916）F1中的表達水平相似，但均明顯高于Williams 82（圖2d）。相比之下，兩個(gè)親本中的Glyma.13G241800和F1的表達水平?jīng)]有顯著(zhù)差異（圖2e）。這些觀(guān)察結果表明，雙親中的Glyma.13G241700最有可能成為B1的候選基因，預計B1編碼跨膜轉運蛋白樣蛋白（圖2f）。

然后將來(lái)自PI 4768916的Glyma.13G241700的CDS與花椰菜花葉病毒35S啟動(dòng)子融合，并將融合構建體（p35S：CDS-B1）引入Williams82。兩個(gè)獨立轉化事件各自獲得約20個(gè)T1轉基因種子。如圖2g所示，在所有轉基因種子的表面均觀(guān)察到種皮開(kāi)花，但在非轉基因對照中卻沒(méi)有，證明Glyma.13G241700是B1基因座。在R5（種子發(fā)育）階段，由35S啟動(dòng)子驅動(dòng)的轉基因B1在發(fā)育中的豆莢，豆莢果皮，種皮和種子中的表達水平顯著(zhù)高于Williams 82中的b1（圖2h），并且在四個(gè)組織中的每一個(gè)中，轉基因B1的表達水平與T_1：2種子的表皮表面積累的泥膜量呈正相關(guān)。

檢查先前重新測序的62個(gè)G. soja種質(zhì)和240個(gè)G. max種質(zhì)是否存在種皮開(kāi)花和B1位點(diǎn)的序列變異。發(fā)現2大豆和Williams 82之間B1的CDS內（C到T）多態(tài)性與302個(gè)種之間種皮開(kāi)花的表型差異完全相關(guān)（圖2i），提示（C到T）點(diǎn)突變是表型轉變的原因。預計該點(diǎn)突變會(huì )導致該基因編碼的蛋白質(zhì)的螺旋結構丟失，而兩個(gè)大豆親本之間的另一個(gè)SNP（A到G）并未導致該蛋白質(zhì)的任何明顯結構變化（圖2j）。

隨后，將來(lái)自PI 468916的B1的CDS和來(lái)自Williams 82的b1分別與B1啟動(dòng)子區域融合，并將融合的pB1：CDS-B1和pB1：CDS-b1構建體引入擬南芥以獲得T2轉基因品系。由于擬南芥的種子較小且種子表面粗糙，因此無(wú)法清楚地區分轉基因種子與非轉基因對照之間的種子表面紋理。然而，pB1：CDS-B1轉基因種子的表面比pB1：CDS-b1轉基因種子和非轉基因對照的表面更蒼白和暗沉（圖2k）。與G. soja和G. max中的B1 / b1等位基因相似（圖2d），pB1：CDS-B1在擬南芥背景中的表達水平明顯高于pB1：CDS-b1（圖2l）。 B1 / b1之間的C到T多態(tài)性與基因的表達水平有關(guān)。

圖3.?B1基因座對種子油含量的多效性影響

先前通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）使用302個(gè)重測序種質(zhì)的子集，確定了潛在的主要QTL種子油含量，包括46 個(gè)G. soja種質(zhì)和127個(gè) G. max種質(zhì)的種子油含量信息（www.ars-grin.gov/npgs）和一個(gè)246 kb 的QTL區域在35,194,140 bp處達到峰值，位于B1基因座的下游約31 kb處（圖3a）與籽油含量的變化顯著(zhù)相關(guān)。由于G. soja和G. max的種子油含量差異很大，前者的平均值約為10.9％，后者的平均值約為18.0％，因此認為該油脂QTL為可能是造成栽培大豆種子油含量升高的原因。

由于B1位點(diǎn)和油脂QTL均被定義為一個(gè)約410 kb的“馴化”區域（由大豆馴化形成）（圖3a），想知道這兩個(gè)基因座（如果不同）是否通過(guò)連鎖同時(shí)選擇，或單個(gè)基因座是否對這兩個(gè)性狀具有多效作用，從美國農業(yè)部大豆種質(zhì)資源庫（www.ars.grin.gov/npgs）中選擇全部70個(gè)開(kāi)花的G.max品種和從先前選擇用于調查GWAS種子油含量的遺傳多樣性的這個(gè)收集物中的52個(gè)“無(wú)花”的G.max品種。利用來(lái)自這122個(gè)種質(zhì)的全基因組SNP數據，檢測到與B1選擇性清除區域中種皮開(kāi)花相關(guān)的種子油QTL（圖3b），表明B1基因座可能對種子油含量具有多效性作用。據推測，與非轉基因對照相比，來(lái)自?xún)蓚€(gè)獨立事件的大豆p35S：CDSB1轉基因種子均顯示出種子油含量顯著(zhù)降低（4.5％和6.9％）。種子油含量降低的水平似乎與轉基因的表達水平相關(guān)（圖2h）。與pB1：CDS-b1轉基因種子或非轉基因對照相比，擬南芥pB1：CDS-B1轉基因種子中的脂肪酸含量也顯著(zhù)降低，但在pB1：b1-CDS轉基因種子和非轉基因對照之間未檢測到種子油含量的顯著(zhù)差異（圖3d），表明（C到T）多態(tài)性是表型差異的原因。

圖4.?調控大豆脂肪酸生物合成的四個(gè)轉錄因子基因的表達水平和相互作用

為了闡明B1介導降低種子油含量的機制，分析了Williams 82發(fā)育豆莢、豆莢內果皮、種皮和種子中四種轉錄因子GmWRI1a，GmLEC1a，GmLEC1b和GmABI3b的表達水平。B1和PI 468916的T1轉基因植物在R5階段過(guò)表達。這些轉錄因子上調了大豆種子中脂肪酸的生物合成，其表達水平與種子油含量呈正相關(guān)。在B1的過(guò)表達下發(fā)育中的豆莢和豆莢果皮中四種轉錄因子的表達水平均顯著(zhù)降低而在發(fā)育中的種皮和種子中未觀(guān)察（圖4a）。Williams 82和PI 468916之間的B1 / b1表達模式與之呼應（圖4b）。表明B1基因不影響大豆種子中脂肪酸的合成，是通過(guò)下調脂肪酸生物合成影響莢果（圖4c）。

總結

B1基因座對種皮開(kāi)花和種子油含量均具有多效性，為進(jìn)一步分離B1介導的兩個(gè)重要種子性狀的基因網(wǎng)絡(luò )奠定了基礎。盡管已經(jīng)在種群水平上對許多植物物種進(jìn)行了測序和重測序，但有限數量的馴化相關(guān)基因，其中表型轉變的致病性突變已闡明。部分原因可能是由于基因-環(huán)境相互作用和各種基因-等位基因相互作用（包括多效性）決定了馴養綜合征的復雜性。最近的一項研究表明，在非洲水稻馴化過(guò)程中人為選擇SHATTERING 4的無(wú)意義突變會(huì )導致不破粒但顆粒尺寸較小。多效性并不總是對古代和現代農業(yè)有利。

英文題目：Genomic introgression through interspecific hybridization counteracts genetic bottleneck during soybean domestication
中文題目：通過(guò)種間雜交實(shí)現基因組滲入抵消了大豆馴化過(guò)程中的遺傳瓶頸
發(fā)表期刊：Genome Biology
影響因子：14.028
發(fā)表時(shí)間：2019年1月30日

研究背景

已有文獻證明通過(guò)自發(fā)雜交和回交，農作物及其野生近緣種之間有滲入，是遺傳物質(zhì)轉移的證據。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(guò)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(lái)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(lái)，之后進(jìn)行了品種多樣化，形成許多適合于不同生態(tài)區域在農業(yè)系統中種植的大豆地方品種。盡管單一來(lái)源模型已被普遍接受，但大豆的馴化歷史和過(guò)程仍不清楚。一項早期研究提出，從野生大豆到馴化大豆的過(guò)渡是一個(gè)漸進(jìn)過(guò)程。在中國的大豆種植區仍存在形態(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道存在基因滲入情況，但少有研究調查作物馴化期間基因組滲入的過(guò)程、模式和進(jìn)化結果。

技術(shù)路線(xiàn)

研究結果

全基因組鑒定的野生大豆-栽培大豆基因滲入

通過(guò)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)現絕大多數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）。

具有推定基因滲入區域的D統計量顯著(zhù)低于沒(méi)有推定基因滲入區域，并且也顯著(zhù)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(shù)

圖2?種間基因滲入在全基因組的分布

環(huán)形從外至內依次表示(i)染色體臂(灰色)，近著(zhù)絲粒區(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區間的在各條染色體的分布：栽培大豆片段(藍色)，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，據估計分別有33％、31％的基因滲入片段具有其他種質(zhì)的相應區域。圖4b說(shuō)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號染色體的檢測區域與地方品種黑河小黃豆（m104）中的相應區域具有最高的序列相似性（圖4a，b，d，f ），而PI 578357的非滲入區與野生品種PI 522226（s5）的對應區域具有最高的相似性（圖4b，c，e，f）。地方品種PI 339734中19號染色體的滲入區域與野生大豆PI 407275（s42）中的相應區域具有最高的序列相似性（圖4h，i， k，l），PI 339734非滲入區與地方品種PI 548456（m111）對應區域具有最高的相似性（圖4g，h，j，l）。

根據基因序列分析，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(wàn)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區域的如此高的相似性應被視為野生大豆-栽培大豆滲入的直接證據。

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號染色體基因滲入區域SNP構建的進(jìn)化樹(shù)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區域SNP構建的進(jìn)化樹(shù)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號染色體基因滲入區域SNP構建的進(jìn)化樹(shù)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區域SNP構建的進(jìn)化樹(shù)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段中野生大豆成分的比例(b)野生大豆中馴化相關(guān)QTL區段中野生大豆成分的比例(c)栽培大豆中選擇掃蕩區段中栽培大豆成分的比例(d)栽培大豆中馴化相關(guān)QTL區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域，與選擇性?huà)呙鑵^域相應區域中的栽培大豆片段比例顯著(zhù)降低（圖5a）。相比之下，與栽培大豆基因組相比，選擇性?huà)叱齾^中野生大豆片段在基因組其他區域的檢出率顯著(zhù)降低（圖5c）。在栽培大豆或野生大豆相應馴化QTL區域中，滲入片段比例比選擇性?huà)呙鑵^域中檢測到的?。▓D5b，d）。這些結果表明雙向選擇，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果、影響。

關(guān)鍵馴化基因周?chē)幕蛄?/b>

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

基因滲入被認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(guò)程和大豆基因組的遺傳結構？現有研究已分離出分別控制種子硬度和種皮開(kāi)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?huà)叱齾^域中的SNP分析系統發(fā)育關(guān)系發(fā)現基因滲入現象在這兩個(gè)區域均有存在?？紤]到野生大豆和栽培大豆亞種的系統發(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?huà)呙鑵^域和單倍型的混合將被視為亞種群間基因流動(dòng)的進(jìn)一步證據。

核基因組和細胞器基因組之間的不對稱(chēng)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(chēng)分歧

191個(gè)材料的核基因組進(jìn)化樹(shù)基于全基因組的SNP信息，葉綠體進(jìn)化樹(shù)基于333個(gè)高度可信SNP位點(diǎn)。栽培大豆用藍色分枝藍色背景表示，野生大豆用紅色分枝紅色背景表示。兩個(gè)進(jìn)化樹(shù)中的相同材料用直線(xiàn)連接。藍線(xiàn)表示栽培大豆中含有野生大豆葉綠體成分，橙線(xiàn)表示野生大豆中含有栽培大豆葉綠體成分?；揖€(xiàn)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(shuō)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出共進(jìn)化趨勢，但部分細胞核與葉綠體基因組間發(fā)生了非平行進(jìn)化，或許是由于種內天然雜交。

選擇抗滲入的后果

圖8?大豆馴化過(guò)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(guò)從QTL或大豆馴化基礎的選擇清除區域清除滲入的變異，對DRT（馴化相關(guān)基因）進(jìn)行重新選擇或輪回選擇（圖8）。在這些區域中觀(guān)察到的野生大豆滲入片段的比例明顯低于地方品種的其余基因組區域。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，表明種間漸滲的進(jìn)化命運由兩個(gè)不同選擇壓力的相對強度決定。作物馴化伴隨著(zhù)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(zhù)較高的遺傳多樣性。據此估算，栽培大豆個(gè)體間的平均分化時(shí)間可追溯到30萬(wàn)年前，而這樣高的多樣性通常是無(wú)法通過(guò)對某個(gè)地域中少數野生材料的人工選擇而獲得的。

結論

本研究揭示了農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(guò)程的影響。設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制。

 

 

 

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