蘋果是世界溫帶地區(qū)栽培面積最大的果樹之一，其起源演化與人類文明進(jìn)步密不可分，一直以來備受國際蘋果研究界的廣泛關(guān)注。蘋果基因組是如何被人類選擇重塑的，以及小而又酸的野生祖先是如何演變成現(xiàn)代的大而甜的蘋果？
針對(duì)這一問題，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)陳學(xué)森教授研究團(tuán)隊(duì)與美國康奈爾大學(xué)費(fèi)章君研究團(tuán)隊(duì)于2017年8月在《Nature Communications》 上發(fā)表題為“Genome re-sequencing reveals the history of apple and sup ports a two-stage model for fruit enlargemen”（基因組重測(cè)序揭示蘋果起源演化歷史及果實(shí)大小的二步馴化模型,IF=12.124）的文章，利用全基因組重測(cè)序、SNP基因型鑒定及群體遺傳學(xué)分析等在分子水平上揭示了蘋果起源、演化和馴化的規(guī)律，并證明世界栽培蘋果起源于我國新疆。
研究發(fā)現(xiàn)，從新疆境內(nèi)采集的塞威士蘋果保持較高的同源性、最原始，而同屬中亞地區(qū)的哈薩克斯坦境內(nèi)的塞威士蘋果基因雜合度則相對(duì)較高。這充分說明，世界栽培蘋果起源于中國新疆。該研究確認(rèn)全世界 蘋果的共同祖先是新疆野蘋果，歐洲的森林蘋果作為重要的基因貢獻(xiàn)者與現(xiàn)代蘋果之間存在大規(guī)?；驖B透。
1.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
由中國大陸沿著絲綢之路包括亞洲、歐洲、美洲等廣大范圍內(nèi)采集分屬24個(gè)種的117份蘋果種質(zhì)資源，其中：
1. 全基因組重測(cè)序、SNP基因型鑒定及群體遺傳學(xué)分析
35份綿蘋果(接穗*24份和砧木品種*11份)、10份歐洲森林蘋果、 29份新疆塞威士蘋果、 9份八棱海棠、6份山荊子、4份花紅、4份湖北海棠和20份野生種質(zhì)；
2. RNA-seq測(cè)序和差異表達(dá)分析
果實(shí)發(fā)育過程中5個(gè)時(shí)期的樣本（分別是開花后18天、37 天、67 天、90 天、132 天）。
2.研究結(jié)果
1.基因組重測(cè)序結(jié)果
對(duì)117份蘋果品種進(jìn)行基因組重測(cè)序，共產(chǎn)生1060Gb高質(zhì)量clean reads,平均每個(gè)樣本9.06Gb，深度12.2。共得到7,218,060個(gè)SNPs，431,597個(gè)indels。隨機(jī)選擇958個(gè)SNP位點(diǎn)進(jìn)行聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）擴(kuò)增和Sanger測(cè)序， 準(zhǔn)確率高達(dá)（98.1％）。
2.117個(gè)馴化和野生蘋果的群體結(jié)構(gòu)分析
a 梨作為外群，用SNPs構(gòu)建野生種和栽培種的NJ系統(tǒng)發(fā)育樹；
新疆塞威士蘋果是綿蘋果和歐洲森林蘋果的祖先，野生種起源于北美，跟梨很近，其次是亞洲野生物種。
b 主成成分分析（PCA）結(jié)果跟系統(tǒng)發(fā)生樹一致；
即綿蘋果, 新疆塞威士蘋果, 和歐洲森林蘋果種質(zhì)形成密切相關(guān)的簇，與其他野生種分開。
c 基于貝葉斯聚類算法與混合模型來估計(jì)每個(gè)種質(zhì)的祖先比例。
每種顏色代表一個(gè)祖先背景, ΔK分析表明K=5是分群。當(dāng)K=3時(shí)，綿蘋果和它的近緣種、新疆塞威士蘋果和歐洲森林蘋果，與其他野生種明顯分離，支持了馴化蘋果的進(jìn)化歷史；隨著K從4到5，兩個(gè)新的亞群體在野生種出現(xiàn)，而不是出現(xiàn)在新疆塞威士蘋果和歐洲森林蘋果中，表明它們與馴化蘋果之間具有更高的多樣性和更遠(yuǎn)的遺傳距離。
3.蘋果進(jìn)化地圖構(gòu)建
a 根據(jù)群體結(jié)構(gòu)分群結(jié)果，提出一個(gè)橫跨歐亞大陸的蘋果進(jìn)化圖；
綿蘋果(2.20?×?10-3)的全基因核苷酸多態(tài)性（Π）比哈薩克斯坦野蘋果(2.35?×?10-3),歐洲森林蘋果(2.55?×?10-3)和野生亞種 (4.26?×?10-3)低，其中新疆塞威士蘋果(1.30?×?10-3)是最低的。綿蘋果和它的祖先新疆塞威士蘋果有相同水平的核苷酸多態(tài)性，表明了其瓶頸非常薄弱。
b 對(duì)每組的連鎖不平衡（LD）分析進(jìn)一步支持了一個(gè)非常弱而幾乎檢測(cè)不到的馴化瓶頸；
c 成對(duì)Fst矩陣的多維縮放（MDS）圖；
每組之間的歐氏距離顯著地代表了相應(yīng)的Fst值。
d 接穗和砧木品種的主要等位基因從哈薩克斯坦野生蘋果和歐洲森林蘋果中獲得。
4.馴化蘋果的差異化選擇分析
a 綿蘋果和新疆塞威士蘋果的選擇性清除分析；
b 綿蘋果和歐洲森林蘋果的選擇性清除分析；
對(duì)性狀果實(shí)酸度（A），顏色（C），硬度（F），激素（H），可溶性糖（S）和次生代謝產(chǎn)物（M）進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，把關(guān)鍵功能性酶基因標(biāo)記在點(diǎn)峰之上，紅色垂直框表示選擇性清除分析的性狀，藍(lán)色框和黃色框表示性狀關(guān)聯(lián)到區(qū)域的GO富集，對(duì)兩個(gè)分組進(jìn)行比較。
5.蘋果馴化前和馴化期間果實(shí)增大
在果實(shí)大小進(jìn)化方面，該研究首次提出了二步馴化模型。在遺傳背景方面，研究表明，由于蘋果的自交不親和特性、歐洲森林蘋果等多種源基因的大規(guī)模滲透，導(dǎo)致栽培蘋果雖經(jīng)幾千年人為馴化但并不存在育種的“基因瓶頸”，具有良好的遺傳多樣性及育種潛力。
a 馴化清除分析潛在的蘋果果實(shí)大小的QTLs；
在fw1和fw2的兩個(gè)果實(shí)重量的物理間隔（橙色框）內(nèi)，顯示了XP-CLR得分的分布。選擇性清除用紅色標(biāo)記，基因標(biāo)記在峰值之上。
b 具有大果實(shí)的綿蘋果和具有非常小的果實(shí)的其他野生種之間，MiRNA172g/miRNA172h和兩個(gè)靶基因包含高度不同的SNPs；
c 蘋果果實(shí)大小的兩步演變示意圖。
6.蘋果馴化過程中果實(shí)硬度增大
a 綿蘋果來自新疆塞威士蘋果(Dom_SieK)在6號(hào)染色體選擇區(qū)域XP-CLR（跨種群復(fù)合似然比檢驗(yàn)）得分分布與核苷酸多態(tài)性（π）分布關(guān)聯(lián)到果實(shí)硬度的關(guān)鍵基因；
b 綿蘋果來自新疆塞威士蘋果(Dom_SieK)在17號(hào)染色體選擇區(qū)域XP-CLR（跨種群復(fù)合似然比檢驗(yàn)）得分和核苷酸多態(tài)性（π）分布關(guān)聯(lián)到果實(shí)硬度的關(guān)鍵基因；
c 綿蘋果來自歐洲森林蘋果Dom_syl)在12號(hào)染色體選擇區(qū)域XP-CLR（跨種群復(fù)合似然比檢驗(yàn)）得分分布與核苷酸多態(tài)性（π）分布關(guān)聯(lián)到果實(shí)硬度的關(guān)鍵基因。
7.蘋果馴化過程中果實(shí)風(fēng)味更豐富
a 新疆塞威士蘋果的選擇性清除與山梨醇的QTL共定位；
b 歐洲森林蘋果中含有糖代謝的關(guān)鍵基因的馴化掃蕩；
c 綿蘋果（紅色），新疆塞威士蘋果（藍(lán)色）和歐洲森林蘋果（綠色）的Ma1基因核苷酸多樣性（π）分布；
d 新疆塞威士蘋果（藍(lán)色）和歐洲森林蘋果（綠色）馴化期間Ma1基因的選擇性清除，清除的區(qū)域用填充的框標(biāo)記；
e 綿蘋果和新疆塞威士蘋果的Ma1基因Fst分布；
f 綿蘋果和歐洲森林蘋果的Ma1基因Fst分布。
參考文獻(xiàn)
Duan N, Bai Y, Sun H, et al. Genome re-sequencing reveals the history of apple and supports a two-stage model for fruit enlargement[J]. Nature communications, 2017, 8(1): 249.
基因組事業(yè)部 楊東曉 | 文案
唐 娟 | 審核
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