基因组与群体进化，解析物种进化历程-03

案例四

研究背景

异源四倍体芥菜（AABB）属于十字花科芸薑属，是重要经济作物，主要包括菜用和油用芥菜两大类群，种植范围较广，经济价值较大。菜用芥菜主要分布在中国等东亚国家和地区，油用芥菜主要分布在印度等南亚国家和地区。芥菜是“禹氏三角”中重要的一员，由白菜和黑芥杂交后加倍而来，至少发生了三次古多倍化事件，因此非常具有研究价值。

方法流程

研究结果

芥菜基因蛆组装注释

    选取菜用芥菜的一个变种（榨菜），使用二代测序和三代测序相结合的方法进行初步组装，然后利用光学图谱进行校正，得到了一版高质量的芥菜基因组，其中contig N50由28 Kb提升到61Kb, scaffold N50由710 kb提升到1.5 Mb，基因组完整性达到85%。并利用二代测序技术组装了一版黑芥基因组，基因组大小为591 Mb，完整度为68%。然后利用遗传图和光学图谱对A、B亚基因组进行区分，A染色体挂载率为91.48%, B为72.32%，为其他多倍体物种基因组研究提供了参考。在高质量的基因组的情况下，作者采用从头+同源+转录组结合的 方法在芥菜基因组中获得了80050个编码蛋白的基因；另外黑芥基因组预测出来49826个编码蛋白的基因。

芥菜A亚基因组起源问题

    对10个菜用的芥菜、7个油用的芥菜，5个甘蓝型油菜基因组、27个白菜基因组（多亚种）进行了重测序分析，进化树结果说明芥菜中A的基因组是来源于同一个亚种，属于单系起源，芥菜分化的具体时间为3-5万年，并从PCA聚类和Fixed SNP角度验正了单系起源的结论。 

图2芥菜共线性及群体进化关系

基因表达的dominance现象

    通过计算等位基因的表达量，发现在不同的时期，不同组织之间，发现存在dominance基因，存在dominance的基因经受的选择压力大于Neutral基因（不存在dominance现象，功能非常重要，纯化作用较强，不轻易突变），但是小于Subordinate基因（作用不重要，纯化作用较小，易丢失）。

油用芥菜和菜用芥菜的选择与分化

    通过菜用和油用芥菜群体进行选择清除分析，发现dominance的基因被筛选出来的比例较高，同时结合转录组数据，这部分基因在油用和菜用两个群体中差异表达。同时通过上面的分析发现与硫苷，脂类代谢显著相关并且存在dominance的基因组，这些基因在油用菜用群体中有各自独特基因分型。

图3菜用芥菜和油用芥菜群体选择及亚基因组差异表达分析

总结

    芥菜由芸薹属的两个二倍体基本种白菜（A基因组）和黑芥（B基因组）通过杂交和基因组加倍形成，属于异源四倍体基因组（AABB）,确定了芥菜的A基因组来源，揭示了芥菜多倍体基因组上同源基因的表达与选择机制。发现显著差异表达的同源基因具有更快的进化速率，且芥菜中菜用和油用类群的分化与同源基因差异表达相关，表明同源基因差异表达对多倍体演化起着重要作用。

参考文献

案例五

研究背景

    花生作为我国重要的经济作物，是提供重要的蛋白和油料的基础。花生属一共包括30个二倍体品种，1个异源四倍体野生花生（A. monticola）和1个栽培花生（A. hypogaea）.作为栽培花生农艺性状改良的重要野生资源供体，野生四倍体花生一直是国内外学者的研究热点。研究中对花生属唯一的野生异源四倍体花Arachis monticola基因组进行了研究，同时对17个野生二倍体花生（AA； BB； EE； KK和CC）与30个野生和栽培四倍体花生进行了重测序分析。

方法流程

研究结果

野生四倍体花生基因denovo及与栽培四倍体花生的比较分析

在之前的研究中研究者已经利用二代Illumina、三代PacBio、光学图谱和Hi-C组装了野生四倍体花Arachis monticola的基因组。该基因组与二倍体祖先基因组相比，存在诸多倒置和易位。野生四倍体花生和栽培四倍体花A.hypogaea基因组结构变异高度保守，且比野生祖先二倍体更加保守。

A、B亚基因组的单系起源和多样性

对17个二倍体野生种（AA、BB、EE、KK和CC）和30个野生和栽培四倍体花生进行了进化树和PCA分析。结果表明，栽培四倍体花生与野生四倍体花生最接近，A和B亚基因组的单系起源。野生花生（A.monticola）大约是在11,690年前由A.duranensis和A.ipaensis杂交而形成的，然后经历了染色体加倍。

图1花生野生系和栽培系的亚基因组起源及系统发育分析

四倍体花生不对称亚基因组进化及表达差异

    栽培花生和野生花生的亚基因组间的同源序列交换率(HSE)分别为2.46%和2.54%；野生花生中A到B的HSE富集的基因为类黄酮生物合成和昼夜节律途径的基因，暗示不对称HSEs在生物学功能中的作用。

图2异源四倍体花生的非对称亚基因组进化

 sv对荚发育和驯化相关基因表达的影响及抗病基因鉴定

    对野生四倍体花生和栽培四倍体花生不同发育阶段荚果的SV分析发现SV在荚果发育过程中基因表达的变化上可能起着重要作用；同时使用RGA对野生四倍体花生基因组进行预测，共鉴定到2,294个抗病基因。在栽培四倍体花生中鉴定到190个SV抗病基因，其中32个基因在接种后易感组或抗性组中表现出显著的表达变化。这些结果表明SV在RKN抗性中的潜在作用。野生花生A.monticola的优异等位基因提供了大量的遗传资源，可以应用于花生的抗性育种计划中。

图3 荚发育的驯化中的SV相关基因

总结

    本研究通过组装的高质量野生四倍体花生基因组，揭示了花生亚基因组单系起源和遗传进化模型，表明了野生和栽培四倍体花生亚基因组发生了不对称进化；此外，野生花生中存在的独特等位基因可以改善栽培花生的抗性和荚果大小等形状，为研究多倍体基因组进化、作物驯化和基因组辅助花生生产改良提供独特的价值。

参考文献