Science Advances | 基因组重测序分析揭示了葡萄复杂的驯化历史
发布日期：2021-12-11 浏览次数：3896
葡萄（Vitis vinifera L.）是世界上广受欢迎的水果之一，其品种繁多，具有丰富的遗传多样性，这是不同历史时期对葡萄不断驯化的结果。2021年11月19日，国际知名期刊Science Advances（IF=14.136）在线发表了题为“Pervasive hybridization with local wild relatives in Western European grapevine varieties”的研究论文，该研究通过对100份欧洲葡萄进行重测序分析，同时结合基因渐渗（Introgress）、IBD、基因交流分析的结果证实了葡萄可能的起源驯化事件，并指出葡萄野生品种进化、栽培品种不断杂交是其对环境不断适应性的结果。
研究背景
欧洲葡萄（Vitis vinifera L.）是地中海农业景观中最有魅力的植物之一，也是世界上种植最广泛的水果作物之一。目前欧洲葡萄分为两个亚种，一个是栽培种（V. vinifera ssp. vinifera），一个是野生种（V. vinifera ssp. sylvestris）。像许多其它作物一样，尽管有很多的形态学、分子标记与重测序研究，但葡萄仍然有许多关于起源和驯化的问题尚未解决。因此，通过对野生、栽培葡萄进行深度重测序分析（例如IBD、基因交流、基因渗透），可为其起源、驯化的研究提供新见解。
研究思路
材料：100份葡萄个体，包括野生种和栽培种及其它3个葡萄品种。
测序策略：Illumina测序，平均测序深度5.2×。
核心分析内容：IBD（基因渐渗分析）、D检验（ABBA-BABA遗传渗入分析）、选择性消除分析（多指标）
研究技术路线
研究结果
1 栽培和野生品种的种群结构分析
通过比对分析，研究者发现不同品种的葡萄平均比对率为86%，平均测序深度为5.2×。种群结构分析表明，无论是野生葡萄还是栽培葡萄，总体上都有明显的东向西的地理梯度，与这些品种向西扩张的结果相一致；来自伊利比亚半岛的葡萄聚为一类，而西欧和中欧的葡萄则被分为独立的组。此外，依据种群结构和品种的地理来源信息，研究者将上述葡萄分为6个组，即野生组（分为东欧WEAST和伊利比亚WIBERIA组）、栽培组（餐桌葡萄CTABLE、酿酒葡萄CwWCE、CwIB1、CwIB2）。最后通过IBD值同时结合群体结构分析结果，研究者发现CwIB2更接近祖先群体WIBERIA，且栽培葡萄与WIBERIA存在一定程度的混合，这说明在酿酒葡萄和食用葡萄分化后，西欧葡萄品种经历了一个潜在的杂交事件。
图1 栽培和野生葡萄的种群结构分析
2 栽培和野生葡萄品种间的基因渗透现象
研究者使用Patterson’s D 来检验栽培和野生葡萄品种间的基因流动，以食用葡萄CTABLE作为P1，酿酒葡萄作为P2，WIBERIA作为输入群。结果显示CwIB2 D值最高，其次是CwWCE和CwIB2，这说明CwIB2与WIBERIA间存在显著的基因交流，但这种基因交流在每条染色体上并不是随机的，6号染色体D值最高，14号染色体D值最低。总的来说，D分析结果与群体结构分析结果相一致，即西欧栽培品种与当地野生品种间存在亲缘关系的混合（基因渐渗与杂交）。
图2 混合群体的Patterson’s D分析
3 基因渗透的影响分析
研究者从核苷酸多样性（π）、IBD评分、遗传分化（Fst）等3个方面研究了基因渗透的影响，结果表明WIBERIA的遗传多样性最高，而食用葡萄的遗传多样性最低，这与其弱驯化的结果相一致；与其它栽培葡萄品种相比，CwIB2品种遗传多样性最高，这可能是其与当地野生群体相互渗透的结果；Tajima’s D和IBD分析表明，各品种间的杂合度水平相差不大。6个群体间的Fst分析表明，食用葡萄与东欧野生葡萄间分化值第二低（0.063）、与WIBERIA间分化值最高（0.179），这说明食用栽培葡萄与野生伊利比亚葡萄间存在完全独立的驯化事件；再结合葡萄酒与WIBERIA间分化程度高、CwIB2与WIBERIA分化值间显著降低、栽培伊利比亚葡萄间分化程度最低，说明葡萄驯化的三种可能事件：（i）外高加索地区单一的主要驯化，(ii)酿酒葡萄和食用葡萄的区分，(iii)驯化后与西欧当地的野生葡萄杂交（最有可能发生在伊比利亚半岛）。
图3 6个群体间的核苷酸多样性和遗传分化分析
4 伊利比亚葡萄基因渗透区域的鉴定
基于同一地理分布，研究者对伊利比亚葡萄群体进行了f^d分析，该分析显示CwIB2发生渐渗的区域可能在25%-50%。随后基于严格的渗透事件检测，研究者在CwIB2群体中鉴定到219个渐渗区域位点（平均长度162 Kb），其中6号染色体上的渐渗位点最多。渐渗区域共包含2214个基因，显著富集在与脱落酸（ABA）信号表达、病原微生物抵抗等生物途径中，这说明基因渗透增强了葡萄对生物胁迫与非生物胁迫的适应性，这也是葡萄驯化过程中适应当地环境的具体体现。
图4 f^d分析揭示葡萄的基因渗透区域
5 检测基因组中正选择与基因渗透重合的区域
研究者结合Fst、ROD、∆TD、Wu’s H等多种选择性消除分析指标，证实了葡萄种群的扩张最有可能是由适应新发现的外部挑战能力驱动的。通过检测葡萄正选择区域与基因渗透区域的重叠部分，研究者发现CwIB2群体比其他群体多2-3倍，这说明正选择和基因渗透事件不是独立发生的。在CwIB2和WIBERIA群体渗透区域中，存在76个显著正选择的基因（主要与逆境适应性相关），其中ERD4和PKR基因包括了最显著的渗透信号，它们的邻近性表明它们可能是一个大的基因渗入域的一部分，包含已知的非生物和生物胁迫决定因子的额外的同源物。这表明，强大的f^d信号的渗透往往等同于选择信号的峰值，包括Tajima’s D和ROD水平的升高。总的来说，这些发现突出了功能途径，最有可能促使当地野生种群向一系列西欧葡萄品种渗透。
图5 2号染色体上正选择与基因渗透的重合区域分析
总结
通过对100份有代表性的葡萄野生群体和栽培群体进行多指标的基因渗透和选择性消除分析，研究者解析了食用葡萄和酿酒葡萄复杂的驯化事件，并指出这些驯化事件增强了葡萄对生物和非生物胁迫的适应性，这也是葡萄适应环境的具体体现。总之，本研究为葡萄的起源和驯化研究提供了新见解。
小编点评
许多重要的果树在漫长的进化历程中都经历了复杂的驯化，而解析这些驯化事件既可以促进新品种的选育，也可以更好的了解果树的多样性，因此驯化适应性研究一直都是果树群体研究中的热点。而结合多指标的基因渗透、基因交流和选择性消除分析则是这类研究的标配，对于多种方法筛选到的重叠区域，则是后续基因功能验证和实验验证的重点所在。
原文链接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.abi8584
