利用比較基因組與群體分析的方法,對亞麻馴化改良研究

亞麻(Linum usitatisimum?L.)作為最早馴化的作物之一,已8000多年的歷史,為人類提供了豐富的油和纖維的來源。目前的栽培亞麻有油用亞麻和纖維用亞麻兩種主要類型,它們在形態和農藝性狀上存在顯著差異。近日,由甘肅省農科院和北京百邁客等單位合作的“Gnomic comparison and population diversity analysis provide insights into the domestication and improvement of flax ”榮登iScience, 其中張建平研究員,黨占海研究員,劉頭明研究員,?百邁客CEO鄭洪坤為本文通訊作者。

材料方法

基因組組裝材料:油用亞麻Longya-10;纖維用亞麻Heiya-14;白亞麻pale flax
測序平臺:Illumina HiSeq2500
群體研究:83份亞麻材料(24份地方品種、47份油用亞麻栽培種和12份纖維用亞麻栽培種)
輔助基因預測:Longya-10材料根,莖,葉,花,種子混樣RNA-Seq
轉錄組測序:開花后21天的果實與莖

結果

1.?基因組組裝

對油用亞麻品種Longya-10、纖維亞麻品種Heiya-14和pale flax分別測序得到68.2Gb,73.5Gb和 49.1Gb數據,組裝出306.0Mb、303.7Mb和293.5 Mb基因組,其中contig N50/scaffold N50分別為131Kb/ 1,235Kb, 156Kb/700Kb和59Kb/384 Kb,后期利用HiC技術與遺傳圖譜輔助Longya-10基因組組裝,將434 scaffolds組裝至染色體水平,在每個基因組中預測到大約43,500個編碼基因和2600-2800個非編碼RNA;系統發育分析表明,栽培亞麻和白亞麻在大約232萬年前發生了分化,自古被子植物的六倍化事件以來,亞麻發生了兩次全基因組復制事件。

2.?比較基因組研究
之前有報道稱栽培亞麻起源于白亞麻,作者將Longya-10與Heiya-14基因組分別與白亞麻進行比較分析,在Longya-10中共鑒定到3,623,057 SNV和555,580 個InDel,Heiya-14中鑒定到3,686,366個SNV和557,691個InDel。分別有13.7%和14.2%的SNV落入CDS區域,其中一半以上是非同義變異。此外,與白亞麻相比,482個含有這些非同義變異的基因在兩個品種中得到了正選擇,其中23個基因與油脂和纖維生物合成相關。作者對這兩個品種中含有共同非同義SNV和INDEL的基因進行了注釋。結果表明,在亞麻馴化過程中,開花時間相關基因FCA、果實開裂相關基因ALC、次生細胞壁生物合成相關基因MYB83和種子油脂生物合成相關基因LEC1子發生了變異。對這些變異基因進行功能富集分析,發現植物激素信號轉導、戊糖和葡萄糖醛酸轉換、淀粉和蔗糖代謝以及神經鞘糖脂生物合成相關通路顯著富集,表明植株結構(株高、葉形、分枝方式、直立/匍匐等)、種子產量和/或營養品質為主要馴化目標。

 

3.?群體進化分析
對83份亞麻材料個體重測序,共產生615 GB數據,平均深度為11.2×,覆蓋率為97.4%,將測序數據與Longya-10基因組比對,共得到2,245,463個SNP和394,658個Indels。系統發育樹與群體結構分析結果表明,83份亞麻材料分為三大類群,分別屬地方種、油用亞麻和纖維亞麻。油用亞麻與地方種的親緣關系較近,纖維亞麻的群體多樣性最低(π=9.80×10-4),且具有最長連鎖不平衡(LD)衰減距離(66.7Kb)。SMC++有效群體分析表明,亞麻經歷了強烈的瓶頸效應。

4.?亞麻改良過程中的選擇清除分析

作物改良常常導致受選擇的區域核酸多態性降低,將油用亞麻群體和纖維亞麻群體分別與地方種比較分析,油用亞麻中檢測到108個選擇清除區域(長度為15.5Mb,1,958個基因),纖維亞麻中有60個選擇清除區域(長度為8.2Mb,1018個基因),27個選擇清除區域重疊。其中α生物素羧基載體蛋白(LuBCCP)、脂氧合酶(LuLOX)、脂肪?;鵄CP硫酯酶A(LuFatA)、脂質轉移蛋白(LuLTP)和丙酮酸脫氫酶復合物E2組分(LuPDH-E2)等油脂相關基因以及種子大小相關基因LuBIN2LuGW5在油用亞麻中受到選擇。纖維亞麻中,次生細胞壁生物合成相關基因(LuMYB46-1、LuXTHLuROPGAP3)和植物株高相關基因(LuGA3ox、LuGA20oxLuGID)受到選擇。

之前有報道纖維亞麻是從油用亞麻馴化而來,將油用亞麻與纖維亞麻進行比較分析,存在47個選擇清除區域,其中50.9%與纖維亞麻相對于地方種的選擇區域重合。這表明在纖維用亞麻改良過程中,這些區域持續受到很強的選擇壓力。大約一半的基因(426/867個基因)僅在油用亞麻和纖維亞麻比較中發現,包含內切-β-1,4-葡聚糖酶(LuKorrigan)、果膠甲酯酶(LuPME)和焦磷酸銅合成酶(LuCPS)等。作者將選擇清除區域與之前報道的QTL/GWAS位點比較分析,發現2個硬脂酸相關的QTL與油用亞麻選擇區域重疊,一個株高相關的GWAS位點與纖維亞麻選擇區域重疊,另外3個油合成相關的QTL與纖維亞麻選擇區域重疊,這說明亞麻在馴化過程中受到雙重選擇。

5.?MYB46/MYB83基因的進化及其在亞麻次生細胞壁生物合成中的作用

纖維是植物中一種特殊的細胞,具有加厚的次生細胞壁。AtMYB83/MYB46是擬南芥次生細胞壁生物合成的主要調控因子。研究發現,在亞麻、楊樹、蘋果、苜蓿和木薯中,MYB46/MYB83基因發生了物種特異性復制。8個已鑒定的LuMYB46/LuMYB83同源基因,4個在栽培種中高表達。此外,LuMYB46-1、LuMYB43-2LuMYB83-1在栽培亞麻中發生了多種變異。與白亞麻相比,LuMYB83-1在兩個栽培種中檢測到21bp的插入,LuMYB46-1在亞麻改良期間受到了強烈的選擇。LuMYB46-2在兩個栽培種之間也有不同的插入/缺失變異。在亞麻中,四對MYB46/MYB83姊妹基因位于共線基因組區域,最近的一次分裂發生在最近一次WGD發生的時間,這意味著這次WGD事件導致了MYB46/MYB83基因在亞麻基因組中的最新一次擴增。這些結果表明,在亞麻馴化和改良過程中,LuMYB46/LuMYB83基因的擴張和定向選擇可能在重塑亞麻形態結構中起著至關重要的作用,qRT-PCR與RNA-Seq數據再次證明此結論。

 

? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??

最近文章
大乐透预测专家汇总 贵州快3走势图表 口碑最好的股票配资平台 河南快3和值大小 券商低佣金 香港49选1开奖结果 吉林11选前三走势图 湖北快三3000万 股票行情图 3d开机号彩宝网午胆 快三开奖结果甘肃快3