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基于基因组重测序揭示栽培欧菱遗传多样性及‘南湖菱’的起源驯化历史
生物多样性
2024, 32 (9):
24212-.
DOI: 10.17520/biods.2024212
阐明栽培作物的起源驯化历史, 深入解析作物驯化改良的过程对于理解人类文明的进程至关重要。欧菱(Trapa natans)隶属于千屈菜科, 为一年生水生浮叶草本, 其果实俗称菱角, 是我国传统的水生蔬菜作物。然而, 相较于主粮作物, 我们对栽培欧菱种质资源的遗传多样性和起源驯化历史仍知之甚少。本研究基于31份不同品种(系)的二倍体栽培欧菱和23份二倍体野生欧菱的全基因组重测序(resequencing)数据, 利用群体基因组学分析方法, 对栽培欧菱的遗传多样性和我国特有的栽培品种‘南湖菱’的起源驯化历史进行研究。群体遗传结构与遗传分化的结果表明, 野生欧菱和栽培欧菱分属不同的基因池, 栽培欧菱起源于长江流域的二倍体野生欧菱。栽培欧菱遗传多样性水平整体低于野生欧菱(0.68 × 10−3 vs. 1.35 × 10−3), 有效群体大小相比野生欧菱也急剧收缩(~4,000 vs. ~7,700), 表明栽培欧菱经历了驯化瓶颈作用。栽培欧菱中, ‘南湖菱’的遗传多样性水平最低, 连锁不平衡的衰减速度最慢, 可能与其驯化程度高、选择强度大有关。基于FASTSIMCOAL2溯祖模拟的群体动态历史结果表明, ‘南湖菱’、‘乌菱’与其他栽培欧菱均发生了基因交流事件, ‘南湖菱’驯化发生在距今大约669年前, 这与明代文学记载信息相吻合。综上所述, 本研究通过探讨栽培欧菱的遗传多样性和‘南湖菱’的驯化历史, 对深入理解栽培欧菱驯化起源过程及其遗传演化特征具有重要意义。
表1
基于FASTSIMCOAL2模拟的栽培、野生欧菱的模型似然比较
正文中引用本图/表的段落
对栽培欧菱和野生欧菱遗传多样性分析的结果(图2D)表明, 野生欧菱的遗传多样性水平(π = 1.35 × 10?3)整体高于栽培欧菱(π = 0.68 × 10?3)。对栽培欧菱而言, ‘南湖菱’的遗传多样性水平(π = 0.35 × 10?3)和Tajima’s D值最低(TD = 0.12), 遗传多样性不到野生欧菱的一半; ‘乌菱’的遗传多样性水平高于‘南湖菱’ (0.53 × 10?3 vs. 0.35 × 10?3)。遗传分化结果表明, 栽培欧菱与野生欧菱之间的遗传分化约为0.34 (FST = 0.34)。栽培欧菱群体中, ‘乌菱’和‘南湖菱’的遗传分化最高(FST = 0.38), ‘南湖菱’与其他栽培欧菱的遗传分化最低(FST = 0.20)。
本研究通过FASTSIMCOAL2设置8种模型, 对栽培欧菱和野生欧菱的群体动态历史进行模拟推断。通过比较8种候选模型的最大似然值(表1), 发现模型1为最佳模型(AIC’s weight = 1)。基于此模型进行参数估算, 模拟100组数据计算置信区间后的结果(表2)表明, 栽培欧菱发生驯化的时间可以追溯到新石器时代, 距今约6,741年(图4, 95%置信区间(CI): 4,658-8,237年)。栽培欧菱中, ‘乌菱’的改良驯化发生在距今约839年前(CI: 661-1,428年), 而‘南湖菱’的改良驯化则发生在距今约669年前(CI: 285-983年)。野生欧菱的有效群体大小(~7,700)比‘乌菱’ (~1,500)和‘南湖菱’ (~1,000)更大。‘南湖菱’、‘乌菱’和其他栽培欧菱之间均发生了双向的基因交流事件, 其中‘南湖菱’与其他栽培欧菱的迁移率(M = 2.29 × 10-5vs. 3.40× 10-5)高于‘南湖菱’与‘乌菱’ (M = 6.68 × 10-6vs. 1.16 × 10-5) (表2)。
本研究基于FASTSIMCOAL2溯祖模拟的结果表明, 栽培欧菱发生驯化的时间可以追溯到新石器时代(约6,600年前)。位于长江下游地区的田螺山遗址(6,300-7,000年前)的考古发掘发现, 菱角遗存的果实尺寸大于现代野生欧菱, 但小于栽培欧菱。表明该时期的菱角已经被驯化了一段时间, 正经历第二轮驯化从而再次增加其果实大小(Guo et al, 2017)。而长江流域最常见的品种之一‘乌菱’出现在约840年前, 表明‘乌菱’可能最早在唐朝(公元618-907年)和宋朝(公元916-1,279年)就已开始被先民驯化。Lu等(2022)也证实, 菱角在约800年前经历了二次驯化, 即驯化出‘乌菱’品种。上述结果同样与该时期当地历史文献中发现的大量新品种名称和果实形态描述相一致(周晴, 2012)。在对栽培欧菱起源驯化研究的基础上, 本研究进一步探讨了‘南湖菱’的起源驯化历史, 结果表明, ‘南湖菱’出现在距今约669年前, 表明‘南湖菱’驯化至少在明代(公元1,368-1,644年)就已经开始。明代《紫桃轩杂缀》中对‘南湖菱’已有相关记载: 以南湖为中心的水域, “此物(南湖菱)东不至魏塘(嘉善)、西不逾陡门(桐乡)、南不及半逻(海盐)、北不过平望(吴江), 周遮止百里内耳”。因此, 本研究关于‘南湖菱’的起源驯化研究也进一步证实了该文献记载, 表明先民们最晚在明代就已经对‘南湖菱’进行驯化以满足饮食需求。
本文的其它图/表
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