杂草稻基因组的适应性信号

  摘要  

  对于许多作物而言，驯化是伴随着像杂草一样亲缘物种的进化而来的，这些亲缘物种生长超过作物而且使得作物产量下降。为了了解与农业杂草管理和粮食安全相关的杂草作物的遗传进化机制，本文采用全基因组测对来自美国的两种类型的杂草稻的起源和适应性进行研究。研究发现在杂草稻的进化过程中，杂草性状的与少量遗传信息的改变是相关的。杂草稻类型的进化与水稻栽培的历史相比早晚都有可能，而且还有一些驯化过程中未知的成分。受选择的遗传区间在之后的水稻改良的遗传和功能分析方面都是可能的候选区间。

  材料方法  

  杂草稻：38个美国品种（18SH+20BHA），DNA提取：成熟叶片（DNeasy Plant Mini kits），测序平台：Illumina HiSeq 2000，>16X。下载145个水稻品种测序数据（GenBank）。参考基因组：Nipponbare (temperate japonica; MSU6.0 assembly)。SNP/Indel识别：SAMtool。  

  核酸多样性（π）和SNP密度：VCFtools v0.1.12（100Kb）。  

  NJ树构建：MEGA7。

  研究结果

  1、杂草稻和其他水稻的亲缘关系

  183份栽培、野生水稻和杂草稻的系统进化树 

  两种类型的杂草稻SH和BHA分别是由籼稻和奥斯稻进化而来。（与之前研究报道一致）

  2、 杂草稻与野生水稻/栽培水稻之间的进化关系

  杂草稻中野生和栽培稻特有SNP的比例（橙色：SH，红色：BHA，绿色：中国杂草稻）

  美国杂草稻SH+BHA：主要是野生稻特有SNP，中国杂草稻：主要是栽培稻特有SNP。即：中国杂草稻和驯化的栽培稻亲缘关系最近，而BHA与栽培稻亲缘关系最远。

  美国杂草稻SH+BHA，中国杂草稻以及栽培稻的分化时间。SH+BHA和中国杂草稻分化时间都晚于栽培稻，表明杂草稻是晚于水稻驯化的。

  利用12个和驯化改良相关的基因，分析三种杂草稻的出现时间

  受到驯化选择的程度：SH>CN>BHA。

  3、杂草稻的受选择区间分析

  全基因组范围内BHA和SH杂草稻的核酸多样性及选择性清除分析。

  4、杂草稻的受选择区间功能基因注释

  核酸序列多样性低和Fst值高的区域功能基因的注释。

  研究亮点

  1、  对来自美国的38份杂草稻进行基因组重测序，结合已经发表的另外145份水稻测序结果，对杂草稻的进化历史及物种分化时间进行详细探究。研究表明SH+BHA和中国杂草稻分化时间都晚于栽培稻。  

  2、  分析了杂草稻与野生稻、栽培稻之间的亲缘关系，并利用12种驯化基因的信息对美国杂草稻和中国杂草稻的分化时间进行分析。中国杂草稻和驯化的栽培稻亲缘关系最近，而BHA与栽培稻亲缘关系最远。  

  3、  针对杂草稻受到选择的区域和受选择基因进行分析。