【成功案例】百邁客助力芥菜研究新作

1.研究背景

異源多倍體芥菜（Brassica juncea L.）是蕓薹屬禹氏三角的重要組成部分，蕓薹屬包含多種菜用、油用和調(diào)味作物。芥菜在中國分部廣泛，具有長達(dá)6000–7000年的栽培時(shí)間。菜用芥菜不同的品種中可觀察到巨大的表型變異，根據(jù)食用的器官不同可分為葉型，莖型，根型等不同的變種。油用芥菜作為蕓薹屬三大食用油來源之一，主要分布在印度次大陸和中國西北地區(qū)。其在加拿大個(gè)澳大利亞作為油菜作物，同時(shí)在歐洲，中國和其它地區(qū)作為調(diào)味品作物。
大約在半個(gè)世紀(jì)前，科學(xué)家提出阿富汗及其毗鄰地區(qū)是是芥菜的主要起源中心，而小亞細(xì)亞半島，中國中西部和印度東部是次要的多樣性中心。后續(xù)的一些研究提出，芥菜根源于幾種基于細(xì)胞遺傳學(xué)和生物化學(xué)證據(jù)的獨(dú)立雜交。近期，通過油用芥菜的SSR研究分析表明，中國與印度分別是其多系起源于遺傳多樣性的中心。然而，還有一觀點(diǎn)認(rèn)為中國是芥菜的主要起源中心，這一觀點(diǎn)被在中國的西北部發(fā)現(xiàn)了野生的蕪菁和黑芥，中國芥菜品種的豐富性和具長期栽培歷史的考古證據(jù)所支持的。在2016年，基于重測序技術(shù)的蕓薹屬作物A亞基因組的基因組學(xué)分析中發(fā)現(xiàn)了油用芥菜與菜用芥菜的單系起源。但是芥菜作物的系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化史已有了數(shù)十年的爭議。

2.材料選擇

109份芥菜（來自中國，印度，澳大利亞和歐洲國家）自然群體，根據(jù)其農(nóng)業(yè)上的用途，分為菜用芥菜和油用芥菜兩個(gè)群。

3.研究策略

測序平臺(tái)：illumina Hiseq 2000；
簡化基因組測序（SLAF-seq）；
開發(fā)100000 SLAF標(biāo)簽，利用170181 SNPs進(jìn)行群體進(jìn)化分析。

4.分析軟件

BWA，GATK和SAMtools；
MEGA 5.2，ADMIXTURE，EIGENSOFT；
RAxML v8.2.4；PAML v4.0

5.研究結(jié)果
研究結(jié)果一：群體分層分析

1. 系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建
109份材料主要分為4個(gè)群，2個(gè)菜用芥菜群體和2個(gè)油用芥菜群體。來自中國的食用器官分別為葉（28份材料）和莖的材料（27份材料）構(gòu)成了一個(gè)群體，稱為Vegetable (Leaf/Stem)；來源于中國的15個(gè)根型芥菜聚類成一個(gè)獨(dú)立的群體，稱為Vegetable (Root)。油用芥菜中來自澳大利亞（9份材料），中國（7份材料）和歐洲（6份材料）形成一個(gè)群體，成為Oil (A，C，E)；來自印度的共計(jì)14份材料聚為一個(gè)群體，稱為Oil (IN)。系統(tǒng)發(fā)育樹如下圖1。來自澳大利亞，中國西北部和歐洲國家的油用芥菜具有棕色或黃色的種子，而來自印度的油用芥菜的種子的顏色為淺棕色或深棕色。

圖1 109份芥菜系統(tǒng)發(fā)育樹

2. PCA主成分分析
利用主成分分析來評(píng)估遺傳變異，分析結(jié)果顯示主要分為4個(gè)群：Vegetable(Leaf/Stem)，Vegetable (Root)，Oil (IN)和Oil (A,C,E)，該結(jié)果與系統(tǒng)發(fā)育樹結(jié)果一致。

圖2 109份芥菜的PCA主成分分析

3. 群體結(jié)構(gòu)分析
群體結(jié)構(gòu)分析結(jié)果顯示分為4個(gè)祖先群。

圖3 109份芥菜的群體結(jié)構(gòu)分析（K=4）

研究結(jié)果二：芥菜不同群體分化時(shí)間的估算
研究中分析了菜用芥菜和油用芥菜的B亞基因組的SNP變異。研究結(jié)果顯示多態(tài)性的SNP大于B亞基因組中固定的SNP，這種模式與A亞基因組相似，支持了芥菜的單系起源問題。
研究中還發(fā)現(xiàn)了Vegetable (Root)型最先分化，然后是Oil (A,C,E)，最后是Oil (IN) 與Vegetable (Leaf/Stem)的分化，并計(jì)算分化時(shí)間，分別是：0.067 Mya，0.065 Mya和0.032 Mya

圖4 芥菜不同群體的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系

研究結(jié)果三：芥菜起源地與馴化
研究中發(fā)現(xiàn)了Vegetable (Root)芥菜較早發(fā)生了分化，表明中國是芥菜的主要起源地和多樣性中心；同時(shí)發(fā)現(xiàn)了油用芥菜聚類為了2個(gè)群體：Oil (A,C,E)和Oil (IN)，Vegetable (Leaf/Stem)型在Oil (IN)型中發(fā)生了分化，其分別在中國和印度進(jìn)行種植，但分化時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)晚于tVegetable (Root)型和Oil (A,C,E)型。這些研究結(jié)果表明：Vegetable (Leaf/Stem)行和Oil (IN)型在馴化中新形成的。

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參考文獻(xiàn)：
Jinghua Yang, Changtong Zhang, Ning Zhao,et al. Chinese Root-type Mustard Provides Phylogenomic Insights into the Evolution of the Multi-use Diversified Allopolyploid Brassica juncea[J]. Molecular Plant,2017.

基因組事業(yè)部 張學(xué)雯丨文案
李緒明 | 審核
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