《Molecular Plant》百邁客大白菜遺傳進(jìn)化研究

2018年9月11日，北京市農(nóng)林科學(xué)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(jìn)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(chǎn)量和品質(zhì)的嚴(yán)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(qiáng)的春大白菜。本文報(bào)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(gè)地理上不同的物種的重測序數(shù)據(jù)。通過全基因組范圍內(nèi)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(gè)特定種群中馴化而來的。確定了23個(gè)基因位點(diǎn)受到了強(qiáng)烈選擇，并通過基因表達(dá)和單體型分析進(jìn)一步證明了這一點(diǎn)，VERNALISATION INSENTIVE3.1（BrVIN3.1）和FLOWER LOCUS C?1 (BrFLC1)優(yōu)良等位基因結(jié)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(gè)顯著的量化反應(yīng)，這將有助于大白菜抽薹時(shí)間的變化。該研究對春大白菜選擇的遺傳基礎(chǔ)提供了有價(jià)值的見解，并將通過分子標(biāo)記輔助選擇，轉(zhuǎn)基因和基因編輯方法促進(jìn)抗抽薹品種的育種研究。

背景介紹

亞洲大白菜的年產(chǎn)量約為50萬噸，占世界產(chǎn)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(shí)候大白菜經(jīng)過嚴(yán)格的篩選以適應(yīng)多樣化的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境。經(jīng)過遺傳和分類分析證明秋大白菜原產(chǎn)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(yīng)亞熱帶環(huán)境，這些品種擴(kuò)展到中國，被認(rèn)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(jìn)化和馴化歷史，本研究重點(diǎn)集中在下面幾個(gè)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(shí)遺傳基礎(chǔ)是是什么。本研究提供來自3個(gè)生態(tài)型194個(gè)白菜的表型和基因型數(shù)據(jù)，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(shí)變異的主要遺傳來源。

研究結(jié)果

??大白菜的種群結(jié)構(gòu)

對194個(gè)大白菜進(jìn)行了重測序，平均每個(gè)個(gè)體測序深度為10X，獲得2.1Tb的原始數(shù)據(jù)，最后獲得1,208,499個(gè)SNPs和416,070個(gè)InDels。對194個(gè)大白菜進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析，這194個(gè)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(gè)群體的基因混合程度，又進(jìn)行群體結(jié)構(gòu)分析（下圖C）。

圖1 大白菜的種群結(jié)構(gòu)分析

通過?K分析發(fā)現(xiàn)194個(gè)樣品分成4個(gè)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(shí)，春大白菜能夠清晰的從其他群里分出來，在K=4時(shí)，秋大白菜被分為兩個(gè)群，定義為Aut1和Aut2，這個(gè)結(jié)果也被主成分分析支持（PCA），如上圖D所示。

此外，結(jié)果顯示春大白菜組位于距離鄰接（N-J）樹的根最遠(yuǎn)的點(diǎn)，Aut2組位于根最近的點(diǎn)，而Aut1的距離在Aut2和春大白菜的中間位置（見上圖B）。進(jìn)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(shí)間變化

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

進(jìn)行評估以研究春化反應(yīng)。在沒有春化的條件下，僅僅17個(gè)抽薹（16個(gè)是夏大白菜，1個(gè)是秋大白菜），剩下的177個(gè)在6個(gè)月內(nèi)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(shí)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(xí)性，每次春大白菜種都需要最長的時(shí)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(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析，BIV（春化后的抽薹指數(shù)）被評估研究抽薹時(shí)間的變化，在V^+5w條件下，194個(gè)樣品中191個(gè)抽薹平均指數(shù)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(shù)為19.1，52.2，81.0，發(fā)現(xiàn)在3個(gè)生態(tài)型中春大白菜具體最低的抽薹指數(shù)，而秋大白菜具有最寬的抽薹指數(shù)范圍。

??春大白菜選擇的遺傳基礎(chǔ)

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(gè)受選擇的區(qū)域（見下圖A）。為了更進(jìn)一步鑒定受選擇的區(qū)域，應(yīng)用Fst進(jìn)行分析。另外70個(gè)顯著的差異位點(diǎn)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(gè)位點(diǎn)是落在XP-CLR 66個(gè)位點(diǎn)之內(nèi)。從XP-CLR和Fst的交集里的26各位點(diǎn)中的3個(gè)與π比率方法不同，因此被排除在外。研究點(diǎn)集中在剩下的23候選位點(diǎn)，由9Mb序列和1,599個(gè)基因，相當(dāng)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(chǔ)分析

??選擇期間抽薹時(shí)間變化相關(guān)的候選基因組區(qū)域和基因

構(gòu)建了一個(gè)遺傳圖譜進(jìn)行QTL定位以找到抽薹時(shí)間相關(guān)的區(qū)域，一共找到了7個(gè)QTLs，其中QTLs ftA02.1 and ftA10.1被發(fā)現(xiàn)在受選擇的兩個(gè)候選區(qū)域內(nèi)。通過多年對表型變化影響的反復(fù)檢測，推測它們參與了抽薹時(shí)間的調(diào)控。

兩個(gè)候選區(qū)域的物理間隔分別包含32和184個(gè)基因，再通過RNA-seq的篩選，有7個(gè)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(dá)。VIN3和FLC都被證明是開花時(shí)間控制的積極調(diào)節(jié)因子在擬南芥中。此外，BrVIN3.1 和 BrFLC1被發(fā)現(xiàn)在兩個(gè)LD blocks中，表現(xiàn)出兩個(gè)基因強(qiáng)烈的受選擇信號。BrVIN3.1 和 BrFLC1為春大白菜栽培時(shí)抽薹時(shí)間受選擇的候選基因。

??BrVIN3.1和BrFLC1的單被型及其對抽薹時(shí)間的影響

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

圖3?BrVIN3.1和BrFLC1的單倍型

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