菠菜基因组草图组装及群体转录组多样性研究

  摘要  

  菠菜是一种重要的多叶蔬菜，富含多种必需营养素。本文组装出菠菜的基因组草图，其中包含25,495个编码蛋白的基因。菠菜基因组具有高达74.4%的转座子重复序列。并未发现近期的全基因组复制事件。基因组共线性分析结果表明在石竹目基因组进化过程中菠菜—甜菜之间存在大量的染色体内和染色体间的重排现象。对120份野生和栽培菠菜的转录组测序结果发现超过420k变异位点，数据分析结果表明Spinacia turkestanica可能是栽培菠菜的直接祖先，同时菠菜驯化过程中也遇到较弱的瓶颈期。研究发现93个受到驯化选择的区域，其中包括和抽薹、开花及叶片数量等性状相关的位点。

  材料方法  

  自交系：Sp75，20天幼嫩叶片，测序方案：Illumina HiSeq2500， 214.9G（ 150 bp, 200 bp, 300 bp, 500 bp ,1 kb, 3 kb, 10 kb, 15 kb, ）；120个菠菜品种（栽培种，野生种）RNA-seq：Illumina HiSeq2500 SE100，平均测序0.83G/sample。  

  基因组组装：Platanus+SOAPdenovo2（框架），光学图谱：IrysView；  

  LTR还原转座子：LTRharvest，重复元件：RepeatModeler，转座子分类：REPCLASS。转录组数据比对：Tophat，组装：Cufflink。  

  同源基因分析：OrthoMCL，共线性分析：MCScanX。  

  转录组数据比对参考基因组：BWA，SNP，indel鉴定：SAMtools。  

  系统进化树：PAUP（最大简约法），PCA：EIGENSOFT smartpca，群体结构：STRUCTURE，LD：Haploview，选择性清除：XP-CLR，Fst，π（核酸多样性），全基因组关联分析：EIGENSOFT。

  研究结果

  1、菠菜基因组de novo测序组装及基因组注释

  菠菜基因组组装结果总长约996M

  菠菜基因组de novo组装结果及基因组注释分布图（a:染色体，b：基因密度，c：重复序列覆盖率，d：转录水平，e：GC含量）。

  利用之前发表的菠菜遗传图谱（870 SNP标记），将组装的463Mb菠菜基因组锚定到图谱上

  2、菠菜和其他物种的比较基因组学研究

  a.菠菜与其他10种植物相比，和甜菜间亲缘关系最近；b.菠菜和甜菜间的比较基因组学分析（石竹目种内/种间均发生染色体重排）；c.菠菜、甜菜、拟南芥间同源基因同义突变分布情况（并未发现明显基因组复制事件）。

  3、菠菜自然群体多样性及进化分析

  a.120份菠菜地理位置分布（107栽培种，13野生种）；b.群体PCA分析（大致分为东亚和其他地区两类，其中野生种S. turkestanica与栽培种亲缘关系更近）；c.系统进化树将所有材料分为3个亚群（1：两种也是菠菜，2：东亚，中国，巴基斯坦，俄罗斯栽培品种，3：西亚，欧洲，北美，非洲栽培品种）这些结果表明栽培品种坑是由野生种S. turkestanica进化而来。

  群体结构分析（分为2个组群为最优：非商业（左），商业种（右））

  连锁不平衡分析，r2=2时栽培种（S. oleracea）衰减距离为5kb，野生种（S. turkestanica）衰减距离为4kb；栽培种相对较快的衰减表明驯化过程中遇到较弱的瓶颈

  4、菠菜农艺性状功能基因定位及选择性清除分析

  a.栽培菠菜和野生菠菜间全基因组范围内选择性清除分析（受选择区间93个，约23Mb）其中受到强烈选择的集中在1,2号染色体（开花，叶片数量，抽薹，叶柄颜色，茎长等性状）b.抽薹性状GWAS分析，结果与选择性清除分析结果吻合

  研究亮点  

  1、对菠菜自交系品种进行基因组de novo测序，结合光学图谱和菠菜遗传图对菠菜基因组进行初步的组装及基因组注释。并且和其他物种进行比较基因组分析，发现石竹目基因组进化过程中菠菜—甜菜之间存在大量的染色体内和染色体间的重排现象。  

  2、对来自世界各地的栽培、野生菠菜品种进行转录组测序，分析结果表明Spinacia turkestanica可能是栽培菠菜的直接祖先，同时菠菜驯化过程中也遇到较弱的瓶颈期。研究发现93个受到驯化选择的区域，其中包括和抽薹、开花及叶片数量等性状相关的位点。