遗传进化-番茄

  转录组测序解析栽培番茄与野生番茄进化选择模式

  文章标题：Comparative transcriptomics reveals patterns of selection in domesticated and wild tomato

  研究对象：野生番茄和栽培番茄

  期刊： Proceedings of the National Academy of Sciences

  影响因子：9.674

  发表时间：2013年

  研究背景

  •  达尔文对野生种驯化和适应进行了描述，并阐明了物种选择在动植物表型差异产生的重要作用；

  •  玉米、水稻、番茄、狗等中已经对驯化产生的表型进行了遗传进化方面的研究：结果表明驯化产生的表型差异与少数基因位点有关，在人工选择过程中有少量的突变；

  •  绝大多数的驯化过程与初始阶段遗传瓶颈和选择限制的减少有关：增加了同义/非同义替换的比率，从而产生不利的等位基因；

  •  番茄（Solanum lycopersicum），茄科植物；原产于中美洲和南美洲，现作为食用蔬果已在全球广泛种植；

  •  野生番茄经过人工驯化为栽培品种，经过了连续的遗传瓶颈，导致极低的种内遗传多样性；

  •  其中，最明显的驯化特征是果实大小，也是遗传分析研究中最为广泛的。

  研究方法

  •  材料： 6个番茄品种（表型差异显著）

  栽 培 番 茄： Solanum lycopersicum M82

  红果野生番茄：Solanum pimpinellifolium(醋栗番茄)

  Solanum galapagense (多腺番茄)

  绿果野生番茄：Solanum habrochaites(高海拔地区耐寒品种)

  Solanum chmielewskii(高海拔地区耐旱品种)

  Solanum pennellii(沙漠适应性品种)

  

  图1.野生番茄与栽培番茄的系统进化树

  6个番茄品种序列差异分析

  •  确定种间基因表达水平的变化

  实验一：4个航空育种品种组织的基因表达

  栽培番茄： Solanum lycopersicum M82

  红果野生番茄：Solanum pimpinellifolium(醋栗番茄)

  绿果野生番茄： Solanum chmielewskii(高海拔地区耐旱品种)

  Solanum pennellii(沙漠适应性品种)

  •  实验二：2个品种6个不同组织（叶片、花序、营养组织、根、）：

  栽培番茄：Solanum lycopersicum M82

  绿果野生番茄：Solanum pennellii(沙漠适应性品种)

  与番茄参考基因组比对：

  •  覆盖67.4%的带注释基因、1.5M多态位点、34个新基因 ;

  •  不到20%的基因与注释的功能基因具有同源性 ;

  •  比较所有品种中核苷酸差异，着丝粒附近的同义突变减少，而非同义突变增多(图1B和C) ；

  •  利用Bayesian方法构建了6个番茄及外群马铃薯的系统进化树，验证了番茄从绿果到红果，到栽培番茄的进化路线；

 

  图1B-邻近基因平均距离的分布，较大的距离与着丝粒序列相关

  图1C-同义突变概率、同义/非同义突变概率

  •  马铃薯基因组进行比对，番茄不同品种的突变位点不同；

  •  番茄栽培品种和野生品种S.galapagense的非同义突变-同义突变的比值增长（图2a）；

  •  为了阐明上述结论：对dN/dS进行比较，每个系统末端分支，dN/dS呈现显著增长（S.lycopersicum和S.galapagense）（图2b），推测经历了遗传瓶颈；

  •  两个品种出现了遗传瓶颈，产生突变的等位基因对物种的生存有害，进而被淘汰，纯化选择最终导致基因突变谱的变化；

  

  图2 S. lycopersicum和S. galapagense非同义替换率

  栽培品种和野生品种的正向选择

  •  正向选择：特定位点的dN/dS增加

  •  负向选择：整个基因组中dN/dS增加

  •  （dN/dS）经常被用于进化分析

  •  在番茄品种的系统进化树，找到51个受正向选择的基因

  栽培品种和野生品种的基因表达差异

  •  栽 培 番 茄： Solanum lycopersicum M82

  •  红果野生番茄：Solanum pimpinellifolium(醋栗番茄)

  •  绿果野生番茄：Solanum chmielewskii(高海拔地区耐旱品种)

  •  Solanum pennellii(沙漠适应性品种)

  •  每个品种至少有25,012个基因，所有品种共有20,389个基因；共有7,903 个差异表达基因；

  •  GO富集分析：高表达基因主要与抗胁迫、环境适应、光合作用、光照应答、氧化还原途径有关；

  •  生物和非生物胁迫对于番茄品种突变起着重要作用；

  •  种间比较（基于核苷酸比对和成对基因表达差异比较）：在树形布局中较一致，但是S. pennellii的基因表达分支较长；且S. pennellii中基因表达差异明显；

  •  同时，S. lycopersicum的表达差异相较S. pimpinellifolium也有微小的差别(141 和 91 差异基因），栽培品种中可能基因表达差异更易出现；

  

  图3A-C.种间差异表达分析

  分析基因表达的选择压力：

  •  选择压力下的遗传漂变可能会导致基因表达的变化；

  •  基因可能在进化选择中经历了转变，比较三种进化模型的基因表达水平：随机漂移进化模型（Brownian motion single rate）、稳定选择（Ornstein-Uhlenbeck, OU）、特定品种进化速率（Brownian motion two rate）的变化；

  •  S.pennellii品种中差异基因数目快速增加（与中性选择有关），增加ΔAIC阈值，其他品种差异基因也增加（图3-E和F）;

  •  不同品种中与加速进化相关的差异基因分布：S.lycopersicum 多于 S. pennellii（图3-G和H）;

  •  S. pennellii品种基因表达差异明显.

  

  图3E-H.种间差异表达分析

  S. pennellii和S. lycopersicum的特异组织表达

  •  自然变异能够改变组织特异性基因的表达；

  •  S. lycopersicum var. M82 和 S. pennellii的基因表达（驯化和应对自然变异过程中基因表达变化）：根、叶片、花等6个组织

  •  PCA分析：基因差异的主要成分（图4-A）

  •  两大组成分：组织差异表达，物种间差异；

  图4A.PCA分析

  •  尽管种间基因表达差异明显，绝大多数基因在不同组织中的表达模式也与物种相关（图4-B）；S. lycopersicum (Top) and S. pennellii (Bottom)

  •  分析物种间组织特异性表达的差异，PCA分析物种间每个组织的fold-change，发现绝大多数(56%)的变异与由全球变化引起的基因表达有关（图4-C） ；

 

  图4B-C. S. pennellii和S. lycopersicum差异表达分析

  S. pennellii和S.lycopersicum基因共表达网络

  •  两个品种不同组织的差异基因构建共表达网络：共有3个共表达基因的模块（图5-A和B）；

  •  绿色模块：852个基因---高度诱导或抑制光合作用组织（叶片、营养枝和太空幼苗组织），参与光合作用、碳代谢和光反应等；

  •  紫色模块： 272个基因---将根系组织与其他组织分开；

  •  黄色模块： 144个基因---营养和花序芽组织，与细胞分裂有关；

  • S. pennellii共表达网络的连通性（目的基因与其他基因的相关系数的绝对值之和）高于S. lycopersicum（图5-C ）

  •  两个品种紫色、黄色模块中基因连通性相似，但在绿色模块中S. lycopersicum的基因连通性下降；(图5-D)

  •  对每个模块中基因的物种特异性边缘进行分析：物种间差异会引起共表达网络的变化，同时等量的物种特异性边缘将会缺失或增加；

  •  黄色、紫色模块中的物种特异性边缘数量相似，但在绿色模块中，S. pennellii特异性边缘数量较多； (图5-E)

  •  实验结果表明， S. pennellii光合作用组织特异性表达比S. lycopersicum更明显。

  

  图5. S. pennellii和S. lycopersicum共表达网络分析

  基因渗入对栽培番茄品种基因的影响

  •  改善番茄品质的重要方法：在培育过程中广泛应用野生资源；

  •  前人研究推测S. lycopersicum var. Heinz 中有大量基因渗入；

  •  分别Heinz 和 M82品种生物SNP随机分布（Fig. 6E）：高分布区域说明了与S. pimpinellifolium共享的等位基因增加，表明S. pimpinellifolium中或相近品种的基因渗入；

  •  为了分析基因渗入能否改变基因表达，对两个品种的基因表达差异进行分析，同时对S. pennellii 4中号染色体处的渗入系是否渗入到S. lycopersicum中； (Fig. 6 A–D)

  野生和栽培品种表达差异与表型差异的关系

  •  比较栽培番茄和野生番茄的序列和转录组数据，表明人工和自然条件下的选择印记是有区别的；

  •  S. pennellii相较于栽培番茄，显示适应沙漠气候的表型：

  •  在S. pennellii叶片表面脂质沉积高，（减少水分流失、耐旱能力增强）；

  •  叶片气孔孔径变小；

  •  根细胞壁成分的改变

  •  实验结果表明每个表型都与基因表达模式相关。

  野生和栽培品种表达差异与表型差异的关系

  • 较厚的角质层和表皮蜡质有利于减少水分流失、增强耐寒能力，S.pennellii叶片中的蜡质占叶片干重的20%，而S.lycopersicum中只占0.9%；

  • S.pennellii中与脂肪质形成有关的两个酶编码基因ECERIFERUM6 (CER6)和CER10表达水平高于S.lycopersicum；

  • 角质层脂质形成相关的缩合酶编码基因FIDDLEHEAD、拟南芥超长链脂肪酸合成相关基因CER1, CER2和CER8： S.pennellii大于S.lycopersicum；

  • 与蜡质分泌相关基因CER5、干旱响应非特异性脂质转运蛋白基因LTP1和LTP2；

  • 结果表明：沙漠适应型番茄品种S.pennellii中与蜡质形成相关基因呈共同上调趋势。

  野生和栽培品种表达差异与表型差异的关系

  •气孔密度的变化和比率---减少表面积：SCREAM1-气孔指数相关基因（气孔占表皮的比值）： S.pennellii大于S.lycopersicum。

  •干旱条件下根系生长与细胞壁中木聚糖和鼠李糖合成有关；

  • S.pennellii细胞壁中半乳糖、葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖等高于S.lycopersicum。

 

  图6. 顺式和反式表达差异

  研究意义

  1、番茄作为重要的蔬菜作物，其品种的改善主要是通过野生品种的基因渗入获得有益等位基因；

  2、通过分析SNP来分别栽培和野生品种；

  3、研究表明栽培番茄主要与有害等位基因的固定以及表达水平的变化有关；

  4、 S. pennellii在适应环境的过程中基因共表达网络发生了改变；

  5、表达网络表明S. lycopersicum受光照影响；

  6、研究主要阐明自然选择和人工选择之间的相似之处和差异及其对基因组进化的影响。