SAVOLAINEN2007 基因组多样性 综述

SAVOLAINEN O, PYHAJARVI T (2007) Genomic diversity in forest trees. Curr Opin Plant Biol 10:162–167. doi: 10.1016/j.pbi.2007.01.011

一般而言，森林树木在过境，长寿和驯化的早期阶段。由于生成时间长，中性位点的分子进化非常缓慢。通过高序列相似性促进密切相关的针叶树物种之间的信息传递。在核苷酸水平上，相对于其他植物，树木具有至多中等水平的变异。重要的是，在许多物种中，基因内的连锁不平衡在不到1000bp内下降。与中性进化速度缓慢相反，大型树种群对自然选择反应迅速。在树群中检测选择痕迹可能比许多其他物种更容易。基因型和表型之间的关联研究被证明是功能基因组学的有用工具。

引言

森林树木在许多生态系统中具有生态优势。许多具有经济重要性，它们的驯化最近才开始。树木繁殖一般来说很慢，因为大多数物种的生成时间很长。因此，显然需要找到能够加速检测基因组中功能重要区域的遗传和基因组方法。
变异模式的分子群体遗传学研究以及产生它们的进化力量正在提供对树木特殊进化特征的见解。群体的遗传结构定义了如何使用自然变异来检测和绘制具有功能重要性的基因组区域。例如，关联研究的范围需要根据种群表型变异和连锁不平衡程度（LD）进行评估[1,2]。
一些树种，如胡杨，具有非常小的基因组，大约是拟南芥基因组大小的四倍[3]，但针叶树的基因组大于拟南芥基因组大小的100倍[4]。几乎完整的Populus序列提供了对基因组所有区域的访问[3]。自从发表第一个Pinus taeda cDNA序列[5]以来，广泛表达的序列标签（EST）资源也可用于许多其他物种，包括Picea [6]。其他基因组资源正在迅速改善。
本综述考察了温带针叶树和杨属中编码区的核苷酸多态性。我们还考虑了不同进化因素在塑造这种多样性方面所起的作用，特别是检测选择的潜力。还讨论了功能基因组学研究的意义。

与群体遗传相关的树木的生活史特征和其他特征

由于自交不亲和机制或严重的早期（和晚期）近交衰退，大多数树木主要是异型杂交[7]。花粉流和种子流通常在树木中非常有效[8]。世代时间很长。北部针叶树后期（接近20年）达到生殖成熟，寿命长达数百年。杨树可以达到生殖成熟4-6年[3]，但它也可以有很长的寿命。今天，许多商业上重要的物种具有大的自然分布区域;例如苏格兰松（Pinus sylvestris），挪威云杉（Picea abies）和落叶松（Larix spp。）覆盖欧亚大陆。其他树种，如辐射松（Pinus radiata），具有较小的碎片自然分布。然而，对化石记录，叶绿体DNA（cpDNA），线粒体DNA（mtDNA）和同种异体酶的研究表明，冰川周期已引起大多数温带物种的范围收缩和扩张[9,10]。重要的表型特征，如生长时间和耐寒性，在许多广泛分布的树种中具有环境梯度的临界变异[11,12]。与许多作物物种相比，大多数商业上重要的森林物种基本上存在于自然种群中，几乎没有驯化和人工选择的痕迹。

树木基因组的中性进化缓慢

在不受选择影响的核苷酸位点（中性位点），进化速率受突变率控制。同义位点的核苷酸取代率提供了突变率的直接估计。如果我们知道DNA水平上两个物种的分歧水平并估计它们的分歧时间，我们就可以估算核苷酸替代率。在拟南芥中，同义替代率估计为1.5x10^{8每个位点每年[13]。在Populus中，估计进化速率仅为该速率的六分之一[3]。最近对Pinus化石的仔细校准导致估计值为0.7x10}8/位点/年，这个速度非常缓慢[14]。因此，数千万年前分化的松树物种在同义位点的差异可能不到5％。然而，当我们将这些替代或突变率转换为每代的比率（即将它们乘以世代时间估计值，例如20年）时，它们接近于估计的许多一年生植物物种的比率。

全基因组对核苷酸多样性的影响

在检查核苷酸多态性的模式时，我们首先将它们与简单模型进行对比，如果需要，然后检查其他进化因子。大多数植物生物学家对自然选择对特定基因座的影响特别感兴趣，例如，抗病基因座。然而，首先必须检查那些具有全基因组影响的因子是否可以引起观察。种群大小或迁移变化的许多影响可能类似于自然选择产生的多态性模式。在推断选择已经运行之前，需要注意解释结果。
标准中性模型考虑有限群体，其中交配是随机的并且没有种群细分。所有个体都有可能存活和繁殖。可以假设核苷酸位点的同义变体根据该模型进化。该中性模型中的核苷酸多样性水平受突变率和群体大小的控制。在其他条件相同的情况下，我们期望大群体中的核苷酸多样性比小群体更多，因为随机抽样（遗传漂变）可以更有效地减少小群体的变异。考虑到我们上面考虑的突变率，大的有效大小，以及其他标记基因座上的大量变异的早期发现，我们可以预期平衡群体中的高水平遗传多样性[15]。图1显示了树木和其他植物中沉默核苷酸多样性估计的分布（[3,16？7]。树木的多样性估计变化很大，但不高于其他植物。这表明许多树种群可能不处于均衡状态，并且除当前种群大小之外的因素，例如种群大小的历史变化，可能会降低全基因组的多样性。
上述理论还预测，不同基因座的多态性水平会有变异，具体取决于突变率。日本柳杉（Cryptomeria japonica）和落羽杉（Taxodium distichum）之间的差异预测了大多数位点的柳杉（Cryptomeria）内的变异水平（图2a，基于[28]的结果）。基于分歧的变量比预测的变量多得多或少得多的基因可能受到其他进化因素的影响（见图2a中带圆圈的点）。
密切相关的核苷酸位点，例如单个基因内的位点，预计不会独立发展。两个核苷酸位点处的变异频率之间的统计相关性（即连锁不平衡，LD）在紧密连锁的位点之间比在相距更远的位点之间更大。图2b显示了来自欧洲不同地区的樟子松树木的2000 bp苯丙氨酸氨裂解酶基因pal1的一组序列的小例子[15]。不同的核苷酸位点至少几乎彼此独立。迄今为止，在火炬松[29]，Populus tremula [30]和P. abies [31]的大多数位点都发现了这种低LD和快速衰变（1000bp或更快）的模式。这与高度近交种类如拟南芥[32]的情况形成鲜明对比，其中LD在全球样本中延伸超过20kb的距离[33]，但与玉米中发现的情况类似[34]。
树种群具有较大的分布范围，并且迄今为止，已发现许多物种在整个范围内具有相当均匀的不同等位基因频率（比较图2b中所示的pal1的种群）。在欧洲，大多数核苷酸多样性存在于种群内，并且在樟子松[11]和杨树[30]的种群之间发现不到5％，而P. abies在中欧和北欧之间的差异略大[31]。相比之下，在一组中欧拟南芥种群中，17％的变异发生在种群之间，表明差异更大[35]。
大型长寿树种群中非常缓慢的中性过程是树种群的一个重要特征[29,36]。在种群规模变化后，种群达到突变和遗传漂变之间的新平衡，其速率受4N（其中N是种群大小）的控制。在达到新的均衡之前，群体的基因构成与均衡期望不同。群体大小的瓶颈首先消除稀有等位基因，而群体扩增阶段导致具有低频率变体的核苷酸位点数量增加。种群规模变化的这种后果具有全基因组效应。例如，P. abies的核基因中过量的稀有变异（以及其他证据）被解释为古老瓶颈后扩张的结果[31]。

检测树木基因组中的选择

自然选择在基因组中留下许多痕迹。然而，检测这些信号并不容易，因为许多群体统计事件可能导致类似的多态性模式。例如，新的有利等位基因（选择性清除）的传播伴随着所选位点周围区域的变异性的减少[33]，例如发现玉米teosinte分支1（tb1）基因[37]。图2a中的一个基因座处的可变性降低可能是由于这种选择性清除。然而，这种减少的多样性也可能是由于群体统计偏离标准中性模型。过量的稀有等位基因可以反映新的有利等位基因的传播，但也可以从群体的扩张阶段开始。具有中等频率变体的高频率核苷酸位点可能是由于选择维持许多等位基因，例如在自交不亲和位点，但也可能是由于最近的瓶颈。
自然选择也可以导致局部不平衡水平的增加，如拟南芥[32,33]中所发现的，但LD也因重组率的变化或由于种群结构而变化。在当地条件下群体之间的差异选择可以产生高分化，但这也可以由群体的分离引起。目前，检测基因座选择效果的最佳方法是证明其多态性模式与全基因组多态性有显着差异[38]。正在尝试使用人类群体[39]，玉米[40]和拟南芥[41]的非常广泛的数据集。这些分析需要树中很少可用的多位数数据集。
我们编制了一份关于树木中个别基因座选择的报告清单（表1）。在所研究的基因座中，据报道有15％在某种选择下，而在拟南芥中，38％的基因报道了选择[38]。在导致这种差异的许多可能原因中，由于群体统计学的选择的明显模式在森林树木的大型随机交配种群中可能不如在其他物种中。一般的选择机制尚不清楚。在其他位点的低分化背景下，杨树（Populus tremula）PhyB2基因座的临床变异模式可能与生长的时间有关[42]。不同基因可能在不同物种中控制相似的性状：樟子松中PhyB的同源物没有显示出临床变异的证据[11]。
虽然树木的选择分子痕迹仍然知之甚少，但对数量性状变异的研究表明，选择在大树种群中可以高效。例如，许多北欧的树木种群（例如柳树，桦树，云杉和松树）已经进化出基因型，其生长在很长的一天中被捕获[43]。在几千年前的北部地区冰后重新定殖期间，这种适应当地情况的生态型必定会变得频繁。与中性进化的缓慢速率相比，响应自然选择的进化非常迅速。
当核苷酸多态性可以与表型变异相关时，可以更多地了解选择。大型，随机交配，低LD树种群非常适合于关联遗传研究[1,2]。最近已经描述了与桉树和火炬松木材质量相关的第一例遗传多态性[44,45]。序列研究有助于在基因组中找到有趣的区域，与表型的相关性可能有助于我们理解（至少是当前的）选择模式。

结论

自然变异的前景长寿命物种的中性基因组进化得非常缓慢，与短寿命植物相比，大群体以较慢的速度达到平衡。因此，长寿树的基因组长时间保留了群体事件的后果。相反，自然选择可以对大树种群产生非常快速的影响。在种群和低LD之间具有相当低的平均分化的树种中，可能比具有更复杂的种群历史和结构的物种更容易检测自然选择的影响。
树种群基因组学的详细研究处于早期阶段。 增加基因组资源和跨多个种群和物种的更多样本将允许更好地理解全基因组模式，以寻找由选择引起的模式。 对序列变异的研究，结合自然表型变异的研究，将有助于解剖树种适应的遗传学。