2021年4月20日，中國科學(xué)院昆明植物研究所李德銖研究員和西南林業(yè)大學(xué)劉愛忠研究員與上海歐易生物醫(yī)學(xué)科技有限公司合作在Genome Biology（IF=10.806）上在線發(fā)表蓖麻基因組與群體研究最新科研成果。文章題目為 “Genomic insights into the origin, domestication and the genetic basis of agronomic traits of castor bean”。李德銖研究員和劉愛忠研究員為共同通訊作者，中國科學(xué)院昆明植物研究所徐偉副研究員為第一作者，上海歐易生物醫(yī)學(xué)科技有限公司鮑志貴參與此項(xiàng)研究。歐易生物提供該項(xiàng)目的279份樣本基因組重測序服務(wù)，基因組的組裝、注釋和比較基因組分析以及群體分析服務(wù)（包括群體進(jìn)化、GWAS、 QTL定位等）。

原文鏈接：https://doi.org/10.1186/s13059-021-02333-y

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文章摘要

蓖麻是一種適應(yīng)性強(qiáng)、生長快并且日益重要的油料作物。蓖麻油酸是約2000種工業(yè)產(chǎn)品的重要原料，目前其商業(yè)來源的唯一途徑是蓖麻籽油。然而，蓖麻的起源、馴化和關(guān)鍵性狀的遺傳基礎(chǔ)尚不清楚。本研究組裝了一個(gè)染色體水平的大戟科植物的野生祖先的基因組，為理解大戟科植物的基因組進(jìn)化提供了新的見解。通過對全球505份蓖麻品種的重測序，揭示了大約3200年前蓖麻馴化的東非起源?？夏醽喓桶Ｈ肀葋?約7000年前)野生種群之間的顯著遺傳分化與圖爾卡納洼地過去的氣候波動(dòng)有關(guān)。選擇性清除揭示了從野生樹木祖先衍生的一年生品種。GWAS和QTL分析確定了與營養(yǎng)結(jié)構(gòu)和種子性狀相關(guān)的關(guān)鍵候選基因。該研究描述了蓖麻馴化和基因組進(jìn)化的概貌，極大地助力于未來對這種有希望減緩氣候變化的作物的改良和利用。

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前言

蓖麻（Ricinus communis, ?L，2n = 20）屬于大戟科蓖麻屬植物，是世界上重要的油料作物之一。蓖麻種子中富含大量蓖麻油酸（順式-12-羥基十八碳-9-烯酸），是目前商用蓖麻油酸的唯一來源植物。另外，蓖麻具有強(qiáng)的耐干旱、耐高溫和耐鹽堿等特性，在熱帶和亞洲熱帶地區(qū)廣泛種植。

蓖麻作為一種古老的非食用栽培作物，其利用歷史可追溯到史前時(shí)代，蓖麻傳入中國大概發(fā)生在1400年前?；谛螒B(tài)學(xué)觀察，人們認(rèn)為蓖麻可能存在四個(gè)多樣性中心，包括東非（埃塞俄比亞和肯尼亞），西亞，印度和中國。其中，東非是蓖麻最有可能的起源地，但目前尚缺乏實(shí)質(zhì)性證據(jù)。根據(jù)本項(xiàng)研究對東非蓖麻品種的實(shí)地考查，發(fā)現(xiàn)東非的蓖麻品種屬于多年生樹木，并且具有典型的野生種特征，如易開裂的果實(shí)和很小的種子。相比之下，大多數(shù)栽培品種和地方品種則是一年生的矮小作物。這支持了馴化蓖麻可能來自于東非野生祖先的觀點(diǎn)。

近年來的分子研究表明，世界范圍內(nèi)的栽培蓖麻品種遺傳多樣性低，并且地理結(jié)構(gòu)特征不明顯，嚴(yán)重阻礙了蓖麻的育種研究。另外，蓖麻的起源和馴化研究尚不充分，其顯著表型差異的遺傳基礎(chǔ)在很大程度上仍不清楚。因此，研究并揭示蓖麻的栽培起源，群體動(dòng)態(tài)歷史以及重要農(nóng)藝性狀的分子基礎(chǔ)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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研究結(jié)果

1. 野生蓖麻種高質(zhì)量參考基因組組裝

利用PacBio Sequel三代測序平臺和Hi-C測序數(shù)據(jù)組裝了野生種蓖麻樹（Rc039）的基因組（圖1a），基因組大小 ~336 Mb，contig N50為11.59 Mb，scaffold N50為32.06 Mb。野生蓖麻基因組中重復(fù)元素組成約占53.9%，其中長末端重復(fù)（LTR）最豐富（占26.02%）。共預(yù)測到25,826個(gè)蛋白編碼基因、40,966個(gè)轉(zhuǎn)錄本和3180個(gè)非編碼RNA，超過92%的預(yù)測基因與公共數(shù)據(jù)庫中已知功能注釋的基因具有同源性。通過比較基因組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)蓖麻基因組經(jīng)歷了一次古老的WGD事件，與同屬于鐵莧菜亞科的法國山靛（M. annua）聚在一起，而與其它巴豆亞科植物在大約48.28百萬年發(fā)生了分化（圖1b-d）。對蓖麻（2n=20）、麻風(fēng)樹（2n=22）和木薯（2n=36）進(jìn)行基因組共線性分析表明，三個(gè)基因組之間存在大量共線性和幾個(gè)大的共線性區(qū)域，該結(jié)果清楚顯示了大戟科主要分支成員基因組如何進(jìn)行分化和復(fù)制（圖1e）。

a)?蓖麻基因組特征和遺傳多樣性的景觀。b) 利用OrthoFinder2分析大戟科幾個(gè)物種與擬南芥的同源基因家族。c) 系統(tǒng)發(fā)育樹與分化時(shí)間。d) 蓖麻及其近源物種基因組旁系同源基因的4dTv距離密度分析。e) 蓖麻、麻風(fēng)樹和木薯之間基因組共線性分析。

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2.?對279份種質(zhì)資源進(jìn)行重測序和群體遺傳結(jié)構(gòu)分析

以組裝的蓖麻野生種基因組為參考基因組，對279份種質(zhì)的進(jìn)行了重測序數(shù)據(jù)（平均測序深度19.5×），結(jié)合226份已發(fā)表的數(shù)據(jù)，共獲得來源于35個(gè)國家和地區(qū)505份重測序數(shù)據(jù)進(jìn)行蓖麻種群遺傳結(jié)構(gòu)分析。505份種質(zhì)包括182個(gè)野生種（56個(gè)埃塞俄比亞野生種，126個(gè)肯尼亞野生種）和323個(gè)栽培種（172個(gè)地方品種和151個(gè)栽培種）（圖2a-b）。

群體結(jié)構(gòu)分析顯示這些種質(zhì)分為三個(gè)主要亞群：埃塞俄比亞野生種（WE）、肯尼亞野生種（WK）和栽培種（LC）（圖2c-e）。其中埃塞俄比亞野生種和肯尼亞野生種遺傳關(guān)系較近， 連鎖不平衡（LD）衰減距離相似，均有較高的遺傳多樣性，而與栽培種之間有明顯的遺傳分化（圖2f-g）。栽培種群體沒有明顯的亞群和地理結(jié)構(gòu)區(qū)分，且遺傳多樣性顯著下降，表明早期蓖麻的馴化源自少數(shù)野生個(gè)體或者群體，隨后發(fā)生了世界范圍內(nèi)的廣泛引種。另外，通過對亞洲蓖麻進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)西亞地區(qū)品種遺傳多樣性較高，而東南亞和中國蓖麻品種遺傳多樣性低，表明目前印度和中國的栽培品種種質(zhì)比較單一。

a）505份種質(zhì)地理分布圖。b）從埃塞俄比亞和肯尼亞收集的種質(zhì)分布地圖。c）系統(tǒng)發(fā)育樹。d）種群結(jié)構(gòu)圖。e）PCA。f）遺傳距離和種群分化。g）連鎖不平衡（LD）衰減。

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3.?種群動(dòng)態(tài)歷史分析

種群動(dòng)態(tài)歷史分析揭示蓖麻群體在4400至6000年前經(jīng)歷了一次嚴(yán)重的瓶頸事件，導(dǎo)致了有效群體大小急劇下降。隨后有效群體大小緩慢增加，在200至4000年前達(dá)到最大（圖3a），推測可能與第一次工業(yè)革命（機(jī)器制造）期間為獲取具有高級潤滑油特性的蓖麻油而大量引種栽培有關(guān)。同時(shí)，該研究發(fā)現(xiàn)野生蓖麻與栽培蓖麻的分化時(shí)間約在3200年前，與古埃及栽培蓖麻的考古時(shí)間大致相同。但埃塞俄比亞（WE）和肯尼亞野生蓖麻（WK）在約7000年前就發(fā)生了分化。通過潛在適生區(qū)預(yù)測分析，發(fā)現(xiàn)在全新世中期?（7000-5000?年前），野生蓖麻群體在埃塞俄比亞和肯尼亞邊境地區(qū)發(fā)生了大規(guī)模減少，甚至消失。已有大量證據(jù)表明，約6000年前該區(qū)域遭受了頻繁的極端干旱事件，導(dǎo)致湖泊水面急劇下降、植被消失和人類遷徙。這些結(jié)果表明蓖麻群體的遺傳瓶頸和群體分化可能與當(dāng)時(shí)肯尼亞邊境地區(qū)急劇的氣候變化有關(guān)（圖3b-c）。

a) 利用WGS SNPs數(shù)據(jù)進(jìn)行種群動(dòng)態(tài)歷史（SMC++）分析推斷了WE(藍(lán)點(diǎn))、WK(紅點(diǎn))和LC(綠點(diǎn))的有效種群大小和分歧時(shí)間。b) 基于生態(tài)位模型的蓖麻分布預(yù)測。c）東非裂谷系統(tǒng)地圖。

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4.?選擇性位點(diǎn)清除分析

通過比較野生種群體（包括WE和WK）與栽培種群體（LC），采用ROD和FST分析方法進(jìn)行選擇性清除位點(diǎn)掃描。共鑒定出326個(gè)受人為選擇的區(qū)域，包含1220 基因，主要涉及開花（如TFL1），次生細(xì)胞壁合成（如MYB46）和適應(yīng)性相關(guān)的通路。同時(shí)，一些與種子大小相關(guān)的基因（如SOD7，TTG2，GW5，ABI5）也受到了選擇（圖4a-b）。通過GWAS分析鑒定出13個(gè)與3種株型性狀顯著相關(guān)的信號，其中一個(gè)與莖節(jié)數(shù)（NN）有關(guān)，9個(gè)與莖粗（DMS）有關(guān)，2個(gè)與植株高度（PH）有關(guān)（圖4c-e）。

a，b) 分別用ROD方法（a）和FST方法（b）進(jìn)行選擇性清除區(qū)域鑒定。c）利用GWAS篩選NN和DMS顯著關(guān)聯(lián)位點(diǎn)。d）GWAS信號周圍的LD熱圖。e）利用GWAS篩選PH顯著關(guān)聯(lián)位點(diǎn)。

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5. GWAS分析和QTL定位

蓖麻種子大小和粒重性狀的GWAS分析和QTL定位。將種子性狀拆分為種子長度（SL）、寬度（SW）、厚度（ST）、面積（SA）、單粒種（SSW）和籽油含量（SOC）。利用構(gòu)建的種子大小的RIL群體進(jìn)行QTL定位，鑒定到除SA之外五個(gè)性狀的18個(gè)QTLs位點(diǎn)。通過GWAS鑒定到與除SOC外的5個(gè)性狀顯著關(guān)聯(lián)的17個(gè)位點(diǎn)（圖5）。對這些位點(diǎn)所包含的基因進(jìn)行功能分析，為理解蓖麻株型性狀和產(chǎn)量關(guān)聯(lián)性狀的遺傳基礎(chǔ)提供了重要的信息。

a-d）種子長度(SL, MLMM模型)、種子寬度(SW,MLM模型)、種子厚度(ST, MLM模型)和種子面積(SA, MLMM模型)的GWAS。e）以Rc250（大種子）和Rc249（小種子）為材料構(gòu)建RIL群體進(jìn)行種子大小的QTL定位分析。f）顯示與單粒重性狀關(guān)聯(lián)的GWAS信號的曼哈頓圖。g）ARPN基因非同義SNP與LD熱圖。h）GWAS群體中SSW單倍型類型比較。i）WE、WK和LC群體中， 2號染色體上顯著SNP周圍的等位基因分布。

研究結(jié)論

該研究揭示出東非蓖麻是現(xiàn)存的野生種，而栽培蓖麻大約發(fā)生在3200年前。野生蓖麻群體在約7000年前發(fā)生分化，可能與東非大裂谷Turkana Depression區(qū)域的急劇氣候變化有關(guān)，這次事件也導(dǎo)致蓖麻有效群體大小的減少和瓶頸的發(fā)生。通過選擇性清除和GWAS分析，揭示出大量與蓖麻株型和種子大小相關(guān)的候選位點(diǎn)。該研究不但為人們理解蓖麻的起源、馴化和群體動(dòng)態(tài)歷史提供了新的認(rèn)識，尤其是對多年生木本樹到一年生作物的馴化過程，而且為蓖麻的遺傳育種和改良提供了豐富的野生資源和候選基因（圖 6）。

參考文獻(xiàn)

Xu, W., Wu, D., Yang, T.?et al.?Genomic insights into the origin, domestication and genetic basis of agronomic traits of castor bean.?Genome Biol?22,?113 (2021).?

說明：本文源自歐易生物微信公眾號