Genome Biology | 815份核桃的重测序分析揭示了其环境适应性 和重要表型形成的分子机制

       核桃是胡桃科胡桃属植物，是世界著名的“四大干果”之一，同时核桃富含丰富的维生素和蛋白质，具有极高的营养与保健价值。我国是世界上第一大核桃生产国和第二大出口国，因此核桃又是一种重要的经济物种。

       近日，基因组学领域权威期刊 Genome Biology 在线发表了题为“A genome variation map provides insights into the genetics of walnut adaptation and agronomic traits”的研究论文，该研究通过对815份采集世界各地的核桃材料进行GWAS分析和GEA（基因-环境关联分析）分享，系统阐述了不同核桃种质资源的遗传变异、适应性进化与遗传多样性，并鉴定了一大批与核桃重要农艺性状相关的候选基因，从而为核桃的遗传改良和分子育种研究提供了新见解。

   文章发表信息

研究背景

      核桃属包含约21个二倍体物种。其中，核桃（Juglans regia L.）是世界上消费量最大的四种坚果之一。普通核桃富含不饱和脂肪酸、蛋白质、矿物质和维生素，对人体健康有益。在亚洲、欧洲、南北美洲、南非、澳大利亚和新西兰的不同温带地区广泛种植。中国是世界上最大的生产国，其次是美国、伊朗和土耳其。中国是核桃遗传多样性的主要中心之一，为核桃育种提供了丰富的种质资源，然而，对中国核桃种群结构、遗传多样性和进化史的了解仍然有限。

研究思路

      材料：中国、伊朗、巴基斯坦等国的815份材料

      测序策略：19×/个体

 研究技术路线图

研究结果

（1）核桃种群全基因组变异及种群结构

      从中国、伊朗和巴基斯坦收集了 815 份样本（J. regia和J. sigillata）。其中中国种质样本来自19个省份，涵盖目前种植普通核桃的大部分地区。对 815个核桃样品进行重新测序，每个品种的平均测序深度约为19.0×，以J. regia为参考基因组，每个样本的mapping率约为89.2%。共检测到1678万个SNP。

      为了更好地推断核桃的系统发育关系和种群结构，整合了6个胡桃树种的11公开可用基因组数据（J. regia、J. sigillata、J. cathayensis、J. mandshurica、J. microcarpa和 J. nigra) 。基于系统发育树，我们发现J. regia (JR) 和J. sigillata (JS) 种质可以分为不同的进化枝，而两个物种进化枝之间有一个中间组（K = 2，图1a）。中间组样本的JS遗传组成显示出从JS到JR 组的逐渐下降模式。遗传组成通常与其地理分布一致（图1b）。从西南到华北，JS样本主要分布在西南地区（云南和贵州），中间型个体分布在华中（四川和重庆），而JR样本大部分分布在纬度较高的省份.值得注意的是，J. sigillata组位于系统发育树中靠近四个外群Juglans物种的基础位置，可能表明J. sigillata是J. regia的祖先。

图1 J. sigillata和J. regia种群结构

（2）不同核桃种群的遗传多样性

在全基因组范围内计算θw和θπ 值，以估计不同胡桃种群的遗传多样性（图 2a）。在三个核桃种群（JS、JR1和JR2）中，我们发现JS 种群的遗传多样性明显高于两个中国核桃种群（JR1和JR2）。核苷酸多样性的总体减少支持了中国核桃J. regia和J. sigillata在分化过程中可能经历了一个遗传瓶颈，此外，与JS相比，JR1的Tajima’s D值要低很多（图 2c）。进一步评估了不同核桃种群的连锁不平衡（LD），发现核桃种群的 LD 衰减速度很快，为 5.6 kb（图 2e）。与 JR1 种群中遗传多样性的减少一致，它的衰减率 (14.1 kb) 比 JS (8.5 kb) 慢得多。在中国改良JR2组中J. regia观察到更快速的LD 衰减。JR3 的遗传多样性高于JR1和JR2，在JR3 中观察到更快的LD 衰减。这可能是因为该种群包括地理上广泛的种质，即伊朗、巴基斯坦和中国青藏高原。

图2 不同核桃种群的遗传多样性和连锁不平衡

（3）核桃基因组中有害突变

      已经在许多一年生作物（如水稻、玉米和油菜籽）中检查了遗传负担，揭示了由于“驯化成本”而导致的有害等位基因的积累。然而，很少有研究调查多年生树木适应和改良过程中遗传负担的变化。为了评估J. sigillata和J. regia样本的个体突变负担，我们使用J. nigra作为外群来计算等位基因频率。我们发现J. sigillata组通常比J. regia具有更高的基因组杂合度，类似地，J. sigillata的遗传负担高于J. regia，并且JS和JR1之间的中间组（JSJR1）的负担随着JR1比例的增加而降低。此外，来自巴基斯坦（JR3 内）的具有高基因组杂合性的核桃样本的收集也具有高遗传负担，表明杂合有害 SNP 在核桃中起着至关重要的作用，可能是核桃树中的有害等位基因以杂合形式被掩盖，以此作为一种更好适应的进化策略。

图3 不同核桃种群基因组中的有害等位基因图谱

（4）亚油酸含量

      不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸的比例是评价食用油品质的重要指标。与芝麻中稳定的不饱和脂肪酸比例相比，在核桃中观察到亚油酸 (C18:2) 含量为38.2-71.9%。对油酸（C18：1）和亚油酸（C18：2）的含量进行了 GWAS，发现这两种性状都与13号染色体上一个范围为 27.0 至 27.5 Mb 的基因组区域的 SNP 相关（图 6a）。此外在该区域还发现了一个FAD2 同源基因 (JreChr13G11197)，其中一个非同义 SNP (13_27108275) 显示与 C18:1 (5.75E-8) 和 C18:2 (5.17E-7) 显着相关。FAD2 编码一种油酸去饱和酶，可在内质网中将油酸转化为亚油酸。核桃基因组中有3个编码FAD2的旁系同源基因，其中候选基因JreChr13G11197与其他旁系同源基因相比，在胚胎和体细胞胚胎中高表达（图6c）。在我们早期的研究中，亚油酸的生物合成效率在授粉后91至119天 (DAP) 之间达到最高。我们在授粉后的不同时间点检查了JreChr13G11197 的转录组谱，并观察到其表达水平与亚油酸生物合成效率之间的相似模式（即，91和119 DAP之间的最高表达）

图4 C18:1和 C18:2的候选基因和变异

（5）内种皮颜色与果壳厚度

      内种皮的颜色是核桃最重要的商业特征之一。在第9号染色体上存在一个与颜色性状显着相关的主要位点—ANR（BAN）同源的基因JreChr09G12363（图7b）。ANR编码一种花色素还原酶，作为类黄酮生物合成的负调节因子，参与种子中原花青素的积累（图 7c）。进一步检查了该基因在胚胎和种皮内的转录组谱（图 7d），并发现该基因在不同时间点在胚胎中的稳定和中等表达水平。然而，在种皮发育过程中，JreChr09G12363（JrANR）的表达水平呈不断上升的趋势，FPKM值可达~800，为JrANR在种皮发育中的作用提供了更多支持(Fig. 7d,e)。

      坚果壳厚度也被认为是核桃的重要商业特性，壳越薄越容易开裂。对于这一性状，我们在5号染色体上确定了一个相关位点，其中包括 MYB16 的一个非同义 SNP（JreChr05G10191_01）。拟南芥中的同源基因（AT5G15310）已被证明可促进细胞单向扩增，并可参与生殖器官和毛状体中角质层生物合成和蜡质积累的调控。这些与经济上重要的农艺性状相关的鉴定基因可潜在地用于核桃树的改良。

图5 内种皮颜色与果壳厚度候选基因

总结

      通过大规模种质资源的重测序分析，研究者构建了迄今为止最全面的核桃基因组的遗传变异图谱，指出了核桃和泡核桃存在基因瓶颈，两者在分化后发生了广泛的杂交。纵观核桃的育种史，其种质资源的遗传改良伴随着杂合度和遗传水平的提高，这与普通一年生的作物存在显著差异。此外，研究者还通过GWAS和GEA分析揭示了不同核桃品种的环境适应性和重要农艺性状形成的分子机制。总之，本研究为后续核桃的进化适应性和遗传育种研究提供了新见解。

原文链接：

https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-021-02517-6