|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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2
基于FASTSIMCOAL2最优模型模拟的栽培、野生欧菱的有效群体大小、驯化时间和迁移事件的参数估计
正文中引用本图/表的段落
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?3vs. 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。
基于ADMIXTURE分析的遗传结构结果表明,当K = 2时, 栽培欧菱和野生欧菱分别来源于两个基因池(图2A)。主成分分析也进一步支持了该结果, 在第一主成分(PC1)轴上将栽培欧菱和野生欧菱分开, PC1轴的解释比例为28.01% (图2C)。当K = 4时, 栽培欧菱内部进一步分为‘南湖菱’和‘乌菱’, 而其他栽培欧菱则包含多个遗传组分。通过IQ-TREE构建的系统发育树的结果与基于ADMIXTURE和PCA鉴定的结果基本一致, 分支支持率均高于95%, 栽培欧菱和野生欧菱在进化树上得到了较好的划分(图2B)。其中, 野生欧菱位于进化树的基部位置。来自宁波东钱湖(长江流域)的二倍体野生欧菱为栽培欧菱的基部类群。栽培欧菱主要分化成3支, ‘乌菱’首先从栽培欧菱中分化, 单系的‘南湖菱’和其他栽培欧菱也得到了较好的划分, 分支支持率均为100%。
连锁不平衡结果表明, 野生欧菱的平均连锁不平衡系数(mean r2)最低, 衰减的速度最快, 且在500 kb范围内衰减缓慢(图3)。‘南湖菱’和‘乌菱’的平均连锁不平衡系数高于其他栽培欧菱和野生欧菱, 其中‘南湖菱’的平均连锁不平衡系数最高, 衰减最慢, 在约1,000 kb范围内衰减开始变缓, 表明其在驯化过程中受选择强度和位点间的连锁程度最大。
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)。
本文的其它图/表
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
