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Nature Genetics发表文章解析现代小麦的起源

已有 14449 次阅读 2019-5-2 17:31 |系统分类:科研笔记| 小麦, 外显子组, wheat, exome, genome

Nature Genetics发表文章解析现代小麦的起源

5月1号Nature Genetics发表了两篇小麦的文章。前几天我们还念叨着一篇文章即将在NG发表(厉害了|小麦大规模外显子测序),没成想在五一假期的第一天就上线了,而且还是双黄蛋,其中一篇“Exome sequencing highlights the role of wild-relative introgression in shaping the adaptive landscape of the wheat genome”,我们已邀请一作贺飞给我们介绍这篇文章。今天我们要说的的是另外一篇文章“Tracing the ancestry of modern bread wheats”。

简介

利用外显子组测序技术从全世界范围内选出的大约500个小麦品种进行基因分型,来探索10000年的杂交、选择、适应和植物育种如何塑造了现代面包小麦的基因组成。 在基因、染色体和亚基因组水平上观察到大量的遗传变异,并利用这些信息来破译现代小麦的可能起源、迁移以及自驯化以来选择的等位基因变异。 我们的数据支持先前的小麦进化模型(reconciled model of wheat evolution),并为未来的育种改良提供了新的途径。

背景

面包小麦具有三个密切相关的亚基因组(AABBDD)组成的异源六倍体基因组。 它被认为起源于两次多倍化事件: 第一次是野生四倍体小麦(Triticum urartu Tumanian ex Gandilyan,AA)与未发现的节节麦(Aegilops speltoides Tausch)谱系(BB)杂交形成的四倍体,距今约50万年; 第二次是原始四倍体杂种(AABB)与野生二倍体节节麦(DD)杂交形成的六倍体,约10,000 年。 考古植物学的证据表明,由此产生的六倍体小麦是在从以色列、约旦、黎巴嫩、叙利亚到土耳其东南部、伊拉克伊朗的西部一个地区新月沃土被驯化的。 因此,现代栽培的面包小麦是至少一万年来人类在驯化和栽培(改良和繁殖)过程中选择的产物。 今天,它们包括适应各种环境的高产品种,从尼日利亚、澳大利亚、印度和埃及的低湿度地区到南美洲等高湿度地区。

结果

为了探索目前可获得的小麦基因库中存在的遗传多样性的起源和模式,我们构建了一个由分布在全世界范围内的487个小麦材料组成的群体,包括野生二倍体和四倍体近亲、驯化的四倍体和六倍体地方品种、古老品种和现代优良品种。 将这些品系的外显子组捕获序列数据映射到"中国春"参考基因组序列,发现了620,158个高可信度遗传变异,分布在41,032个小麦基因上。该变异数据集提供了小麦基因组多样性在不同尺度(基因、区域、染色体和基因组)的全面综述,并代表了丰富的遗传信息来源,可供学术界和农业研究界利用。

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系统发育和主成分分析(PCAs)揭示了三个主要因素驱动文中所使用小麦品系的多样性分区(图2) : 春化要求(冬季 vs 春季) ,历史群体(i 至 IV,最古老到最新: 从古老的地方品种到现代精英品系)和地理起源(欧洲,亚洲,大洋洲,非洲和美洲)(图2a )。 在基于大小、代表性和统计支持度选择的11个主要树支中,单系保护的排列检验证实了这三个因子的强大作用(P < 1 × 10^˗6^)。 然而,系统发育的深层结构主要围绕大陆差异,随后由于现代小麦育种实践中对产量的强烈选择导致生长习性性状(如春化要求)的近期变化。 国家和大陆同时叠加在系统发育群上表明,所观察到的遗传多样性主要是沿着东西轴构成的,与人类迁出新月沃土的既定路线相一致。 两条通往西欧的道路沿着一条内陆路线(经过安纳托利亚和巴尔干到中欧)和一条沿海路线(经过埃及到马格里布和伊比利亚半岛) ,辅之以东北和内亚山走廊的另外两条路线,随后在美国、大洋洲和非洲领土上又发生了殖民活动(图2b )。

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接下来探讨了驯化(比较野生小麦和驯化小麦)和育种(比较历史面包小麦类群 i 和 IV)所产生的选择足迹。 为了检测驯化信号,我们计算了来自亚洲的野生二倍体(T.urartu,A.speltoides,A.tauschii)、野生四倍体(T.diccoides)和驯化的六倍体(T.aestivum)小麦的每个位点的核苷酸多样性。 野生小麦祖先和六倍体地方品种之间的对比表明,在小麦的驯化过程中,基因组多样性(ROD)的减少具有很大的异质性(补充图6)。 受到强烈影响的基因组区域(1221) ,显示至少丧失了五分之四的多样性 ,覆盖了9% 的小麦基因组(1.2 Gb)。 已知的驯化基因如脆性穗轴(Brt)、韧性颖片(Tg)、同源配对(Ph)和非自由脱粒性状(Q)位于受到选择的区域内(小于 5Mb)。 有趣的是,已知的驯化基因只占受选择基因组区域的一小部分,这表明进一步的驯化基因仍有待发现。

为了揭示在过去两个世纪中(自1830年以来)小麦改良育种者所选择的基因组区域,我们比较了欧洲研究小组在历史群体 II、 III 和 IV (即那些受到育种影响的群体)与群体 I (地方品种)的多样性减少统计数据(图3a)。 我们的结果与两轮主要的多样性减少是一致的,第一波在第 I和第 II 组之间(11.7% 的多样性减少) ,反映了早期的育种改良。第二波在第 III 和第 IV 组之间(13.3% 的多样性减少) ,反映了绿色革命期间的育种实践(即从1950年到1960年代后期开始的农业实践的更新)。 现代小麦品种与I类相比,核苷酸多样性平均损失21.8% ,染色体内和染色体之间变异很大(图3 b)。 与 D 亚基因组(中位数 多样性减少 为5.8%)相比,A亚基因组(中位数多样性减少为33.2%)和B亚基因组(中位数多样性减少为28.0%)似乎更强烈,这可能反映了它们对小麦改良的不同贡献(图3a)。 为了确定小麦育种者选择的遗传标记和区域,我们对所有样本进行了全基因组扫描,以考虑群体内部和群体之间的渐进群体结构,并在欧洲和亚洲样本中分别以较高的粒度(granularity)进行扫描。 我们确定了5,089个多态位点显示改善信号(P < 0.0001)。 已知基因包括光周期敏感基因(Ppd)和春化基因(VRN)、矮化基因(Rht)、谷蛋白(Glu)和醇溶蛋白(Gli)基因、卷曲圆锥花序基因(FZP)、粒数基因(GNS)、蜡质基因(Wx)以及驱动植物构型的 都与这些改良信号密切相关(在5 Mb之内)。 大的基因组区域(10 Mb) ,在过去的两个世纪中(在历史的第I和第IV之间)选择似乎已经发生,并最终变得固定,特别是在染色体1A 和两个结构重新排列的染色体4A 和7B 上观察到(图3b)。 将欧洲和亚洲基因型的8,308和9,948个与改良足迹相关的多态位点扩展到超过2 Mb 的重叠窗口,定义了一个950 Mb (基因组的7%)和1.3 Gb (基因组的9%)的基因组空间,这两个地理区域分别具有选择标记。 有趣的是,在欧洲和亚洲种质之间,只有168 Mb的基因组区域的选择特征是相同的。

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通过多环境全基因组关联研究(GWAS) ,检验了观察到的等位变异是否与抽穗期和株高这两个关键的生活史性状相关。 我们的调查了四个环境(法国、匈牙利、土耳其和英国)中的435个六倍体小麦基因型的开花期和株高。  我们分别鉴定了48个和40个与开花期和 株高变异显著相关的基因组位点,其中包括已知控制开花期的基因(Ppd,VRN,FDL,WPCL)和影响株高的Rht基因等。 目前的数据可以为从目前未知的位点中识别相关候选基因以进行功能验证提供了基础,例如在2A染色体上检测到的主要开花期关联的位点,其中 Cry (隐花色素)基因是一个推定的驱动因子。 值得注意的是,多样性、选择足迹和 GWAS 分析清楚地表明,只有一小部分同源基因座含有重合信号,这支持了现代六倍体面包小麦具有二倍体遗传行为的观点,正如前面从平行优势选择中得出的结论,选择同时发生在同源基因区域之间很罕见。

最后,利用一个基于网络的系统发育方法重建现代六倍体小麦的网状进化历史。 聚集共识网络(图4a)包括垂直(物种关系)和水平(网状)事件的信号在小麦-山羊草物种复合体。 小麦进化的综合模型(图4b)是深入分析网络的边缘和边缘权重(图4a)之后得出的综合结论得出的,并通过评价替代共识树拓扑等得到支持。

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图4b中的模型通过野生二倍体AA和SS(接近BB)杂交产生野生四倍体AABB杂交后代,并与野生二倍体DD基因型杂交产生六倍体AADDBB),大大改进了现代面包小麦的进化路径。 我们的分析证实,小麦B基因组来源于山羊草属(Aegilops)系,该系产生了小麦 s. speltoides (SS) ,而 tauschii 和 T.urartu 的祖先分别代表了D和A基因组系的起源。T. araraticum (也被称作T. araraticum Jakubz) 代表了 AAGG 四倍体祖先最接近的野生后代。 它似乎随后被驯化形成T. timopheevii (Zhuk.) 同时也与T. boeoticum杂交,形成T. zhukovskyi (Menabde & Ericzjan)谱系(AAAAGG)。 该模型证实了野生二粒小麦是所有现代四倍体AABB和六倍体AABBDD基因型的现代A和B小麦亚基因组祖先的最近的后代。 我们的数据表明,在驯化和栽培的早期阶段,野生二粒小麦池T. dicoccoides (Körn. ex Asch. and Graebner) Schweinf 产生了至少两个不同的栽培四倍体谱系,T. dicoccum Schrank ex Schübl. (domesticated emmer, also known as T. dicoccon Schrank) and T. durum Desf. (domesticated durum or hard or pasta wheat)。 最后,该模型支持了这样的假设,即普通小麦最有可能来源于T. durum和接近A. tauschii的 D 基因组之间的一个祖先杂交事件(图4b)。 随后,在六倍体小麦与四倍体小麦杂交中发现了T. spelta,至今仍有T. dicoccum渐渗的证据。 其他推定的网状事件 ,少于3个证据支持,需要进一步研究,并没有纳入我们的进化模型(图4b)。

网状进化场景在驯化期间和之后首先建立了一个基本的六倍体面包小麦基因库α(图4a,α community)。 这可能包括起源于新月沃土的原始小麦地方品种,并衍生了两个六倍体群落β和γ(图4a),γ集群主要包括来自西欧的现代基因型,即1986年或更晚的品系主要由小麦品种和当前品种组成,β集群主要包括在东欧国家的一些材料,即冷战期间属于华沙条约组织的国家。 这两个现代群体(β和γ)在进化史上的明显分离可能反映了人类历史和由此产生的社会经济后果如何影响了现代小麦种质的遗传构成,β基因型今天仍在匈牙利和乌克兰种植,而γ基因型在欧洲联盟的许多地区仍占主导地位。

讨论

面包小麦的进化来源于其二倍体和四倍体的祖先,包括大规模和反复的杂交和基因流动事件,T. durum是当今面包小麦种质资源最可能的祖先。 这种复杂的杂交和基因流动解释了在基因组尺度上观察到的多样性分配(D亚基因组贫乏) ,并支持这样的观点,即现代六倍体小麦在遗传上和表型上表现为类似二倍体的特征,只有一小部分同源基因位点同时具有驯化、选择等信号。 现代面包小麦起源于约10,000年前的新月沃土,今天在小麦基因库中观察到的变异是在人类迁徙、人为选择和后来的育种驯化过程中形成的。  重要的是,在气候变化加速期间,适应新环境的标志仍然是备受关注的研究课题,我们的选择性扫描分析和 GWAS 都强调了未来基因和 / 或等位基因发现的目标。 我们在这里报告的数据和种质收集,以及我们提供给更广泛的研究团体的数据和种质收集,代表了遗传多样性的丰富来源,可以应用于理解和改善多样性,从环境适应到抗病性和营养物质利用效率。

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