《Molecular Plant》百邁客大白菜遺傳進化研究

2018年9月11日，北京市農林科學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(xù)低溫造成早期抽薹致使大白菜產量和品質的嚴重降低，因此限制了大白菜的種植季節(jié)和地理分布。在過去40年里，為了滿足市場需求會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自三種生態(tài)類型的194個地理上不同的物種的重測序數據。通過全基因組范圍內的深度掃描分析發(fā)現(xiàn)春大白菜是從中國北部山東半島地區(qū)的秋大白菜的一個特定種群中馴化而來的。確定了23個基因位點受到了強烈選擇，并通過基因表達和單體型分析進一步證明了這一點，VERNALISATION INSENTIVE3.1（BrVIN3.1）和FLOWER LOCUS C?1 (BrFLC1)優(yōu)良等位基因結合是選擇過程中變異的主要遺傳來源。此外發(fā)現(xiàn)由于BrVIN3.1啟動子順式元件的序列變異，BrVIN3.1對冷有一個顯著的量化反應，這將有助于大白菜抽薹時間的變化。該研究對春大白菜選擇的遺傳基礎提供了有價值的見解，并將通過分子標記輔助選擇，轉基因和基因編輯方法促進抗抽薹品種的育種研究。

背景介紹

亞洲大白菜的年產量約為50萬噸，占世界產量的70%。中國大白菜的馴化可以追溯到6000年以前，在大約500以前的時候大白菜經過嚴格的篩選以適應多樣化的農業(yè)生態(tài)環(huán)境。經過遺傳和分類分析證明秋大白菜原產于中國中部溫帶地區(qū)，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，后來又傳入中國。

為了闡述中國大白菜的進化和馴化歷史，本研究重點集中在下面幾個題：（1）哪一種大白菜是祖先種，（2）春大白菜在哪起源，（3）在春大白菜馴化時遺傳基礎是是什么。本研究提供來自3個生態(tài)型194個白菜的表型和基因型數據，春大白菜的地理起源和馴化動力本鑒定。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變異的主要遺傳來源。

研究結果

??大白菜的種群結構

對194個大白菜進行了重測序，平均每個個體測序深度為10X，獲得2.1Tb的原始數據，最后獲得1,208,499個SNPs和416,070個InDels。對194個大白菜進行系統(tǒng)發(fā)育分析，這194個樣品可以被分為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）。為了弄清楚這個群體的基因混合程度，又進行群體結構分析（下圖C）。

圖1 大白菜的種群結構分析

通過?K分析發(fā)現(xiàn)194個樣品分成4個代表種群是較好的模型，增加K值從2到10，等到的模型見上圖C，在K=2或3時，春大白菜能夠清晰的從其他群里分出來，在K=4時，秋大白菜被分為兩個群，定義為Aut1和Aut2，這個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）樹的根最遠的點，Aut2組位于根最近的點，而Aut1的距離在Aut2和春大白菜的中間位置（見上圖B）。進一步發(fā)現(xiàn)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間變化

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

進行評估以研究春化反應。在沒有春化的條件下，僅僅17個抽薹（16個是夏大白菜，1個是秋大白菜），剩下的177個在6個月內都沒有抽薹。在春化（V^+1~6w）的條件下，在冷處理后開花加速，冷處理時間越長速度增長越大。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的時間抽薹，而夏大白菜抽薹較早，秋大白菜處于中間位置。

對V^+5w數據進行進一步分析，BIV（春化后的抽薹指數）被評估研究抽薹時間的變化，在V^+5w條件下，194個樣品中191個抽薹平均指數為52.5，在不同的生態(tài)類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(xiàn)在3個生態(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(qū)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(qū)域，鑒定了66個受選擇的區(qū)域（見下圖A）。為了更進一步鑒定受選擇的區(qū)域，應用Fst進行分析。另外70個顯著的差異位點被鑒定出來，用Fst的方法取值大于0.28（5%的閾值），這其中的26個位點是落在XP-CLR 66個位點之內。從XP-CLR和Fst的交集里的26各位點中的3個與π比率方法不同，因此被排除在外。研究點集中在剩下的23候選位點，由9Mb序列和1,599個基因，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

??選擇期間抽薹時間變化相關的候選基因組區(qū)域和基因

構建了一個遺傳圖譜進行QTL定位以找到抽薹時間相關的區(qū)域，一共找到了7個QTLs，其中QTLs ftA02.1 and ftA10.1被發(fā)現(xiàn)在受選擇的兩個候選區(qū)域內。通過多年對表型變化影響的反復檢測，推測它們參與了抽薹時間的調控。

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

??BrVIN3.1和BrFLC1的單被型及其對抽薹時間的影響

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

圖3?BrVIN3.1和BrFLC1的單倍型

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