SSR基因分型在遺傳多樣性研究中的應(yīng)用進展

發(fā)稿時間：2018-08-07來源：天昊生物

 

SSR（簡單重復(fù)序列，或稱微衛(wèi)星）作為一類遺傳分子標(biāo)記，在種質(zhì)資源的遺傳多樣性分析中扮演著十分重要的角色。近期發(fā)表在BMC Plant Biology上的一篇文章，就利用SSR基因分型結(jié)果系統(tǒng)解析了地中海盆地和中亞地區(qū)栽培葡萄和野生葡萄的遺傳多樣性情況。

 

 

發(fā)表期刊：BMC Plant Biology 發(fā)表時間：2018-6-27 影響因子：3.93

 

摘要一覽

背景

高加索和中國之間的山區(qū)被認(rèn)為是葡萄馴化的中心。盡管中亞在葡萄種植歷史上非常重要，但與地中海盆地周圍的野生和栽培葡萄相比，關(guān)于該地區(qū)葡萄遺傳變異程度和分布的信息有限。本研究的主要目的是調(diào)查高加索、中亞和地中海盆地野生和栽培葡萄種質(zhì)的遺傳多樣性和相互關(guān)系，了解基因流動、可能的馴化事件和適應(yīng)性滲入。

結(jié)果

利用20個SSR標(biāo)記對地中海盆地周圍和中亞收集的1378種野生和栽培葡萄進行了基因分型。遺傳數(shù)據(jù)經(jīng)過分析(聚類分析、主坐標(biāo)分析和群體結(jié)構(gòu)分析)確定了群體分組情況，結(jié)果還通過Nei’s遺傳距離、成對F_ST分析和分配檢驗得到驗證。所有這些分析確定了三個遺傳群體: G1，來自克羅地亞、法國、意大利和西班牙的野生資源；G2，來自亞美尼亞、阿塞拜疆和格魯吉亞的野生資源；G3，來自西班牙、法國、意大利、格魯吉亞、伊朗、巴基斯坦和土庫曼斯坦的品種，其中包括來自格魯吉亞和克羅地亞的少量野生資源。喬治亞的野生資源與同一地區(qū)種植的葡萄聚集在一起，但也與西歐聚集在一起，支持喬治亞成為葡萄馴化的古老中心。此外，聚類分析表明，西歐野生葡萄與來自同一地區(qū)的栽培葡萄聚在一起，表明栽培的西方proles occidentalis區(qū)比來自東歐的野生葡萄對葡萄酒葡萄的早期發(fā)展貢獻更大。

結(jié)論

通過對基因型遺傳關(guān)系的分析，為地中海盆地和中亞野生和栽培品種間遺傳關(guān)系提供的新的證據(jù)。遺傳結(jié)構(gòu)表明有相當(dāng)多的基因流動，這限制了這兩個亞種之間的分化。結(jié)果還表明，在野生葡萄被馴化的地區(qū)，有著混合祖先葡萄的出現(xiàn)。

 

 

實驗方法

用ABI 3500進行SSR基因分型，GeneMapper 4.0對等位基因條帶判讀。

 

數(shù)據(jù)分析方法

遺傳多樣性

對群體間和所有群體的遺傳多樣性進行估計。用標(biāo)準(zhǔn)化SSR基因型數(shù)據(jù)確定不同等位基因數(shù)(Na)、有效等位基因數(shù)(Ne)、Shannon’s指數(shù)(I)、觀測雜合度(Ho)和預(yù)期雜合度(He)。這些參數(shù)由GenAlEx軟件完成。每個基因座F-統(tǒng)計(F_IS，F_IT，F_ST) 以及每個群體的F_IS值由FSTAT和Arlequin軟件完成。每個群體的等位基因豐富度(AR)和特有等位基因豐富度(PAR)是用rarefaction估計，該方法彌補了HP-Rear1.1軟件對群體間樣本量(即稀有等位基因豐富度)的差異。使用GENEPOP 3.4軟件的特有等位基因法，估計了12個葡萄群體以及兩個亞種之間的世代遷移有效數(shù)(Nm)。

遺傳關(guān)系與分化

使用R語言Poppr包構(gòu)建NJ系統(tǒng)進化樹，距離矩陣為Nei’s距離，無根樹由R語言ape包實現(xiàn)。為了檢驗樹中的層次結(jié)構(gòu)所代表實際距離的程度, 使用R語言計算獲得共表性相關(guān)系數(shù)(CCC)。Hclust R函數(shù)用來校正NJ層次聚類。為了闡明各地理群體內(nèi)部和之間的遺傳關(guān)系, 對多位點微衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行了主坐標(biāo)分析 (PCoA), 然后利用R語言adegenet包排列到地理分組中。利用GenAlEx軟件中的成對Nei’s遺傳距離和成對 F_ST 進行聚類驗證和多元分析。最后,用Arlequin軟件對種群和遺傳分組中遺傳變異的劃分進行AMOVA分析。

群體結(jié)構(gòu)分析

利用STRUCTURE軟件對SSR分型數(shù)據(jù)進行基于貝葉斯模型的聚類分析, 確定遺傳分組的最佳數(shù)目。STRUCTURE根據(jù)基因型數(shù)據(jù)將個體分配到多個群中(K), 從而最大限度地減少與哈迪-溫伯格和連鎖不平衡的偏差。該程序使用馬爾可夫鏈估計P (X|K)，用以判斷符合K簇假設(shè)的后驗概率。分析根據(jù)隸屬度系數(shù)(Q值)將個體分配給每個K簇, 得到統(tǒng)一性最好的K值。STRUCTURE設(shè)置為忽略群體信息, 并使用相關(guān)等位基因頻率的admixture模型, 因為它被認(rèn)為是微小種群結(jié)構(gòu)的最佳選擇。K變化從2到10, 并進行了20次復(fù)制運行, 以量化變化的可能性，在整個運行中最大可能性 (Ln P(D)) 的 K 值通常被推斷為最可能的簇數(shù)。然而，對K的解釋應(yīng)該小心對待, 因為它只是提供一個臨時近似，有時真正的和精細(xì)的群體結(jié)構(gòu)可能被STRUCTURE軟件錯過。因此, 本研究還使用了一個特殊的ΔK來選擇統(tǒng)計的最佳簇數(shù) (K)。

 

 

研究結(jié)果

表1、根據(jù)地理來源對1378種栽培和野生資葡萄的分類列表

 

  表2、為1378種不同葡萄基因型多樣性指數(shù)計算結(jié)果 

 

 

表3、野生和栽培葡萄群體遺傳多樣性估計

 

 

圖1、1378種栽培葡萄和野生葡萄NJ聚類圖

 

 

 

圖2、1378種栽培葡萄和野生葡萄PCoA圖

 

 

 

圖3、1378種栽培葡萄和野生葡萄群體結(jié)構(gòu)（K = 3）分析

 

   

表4、野生和栽培葡萄群體內(nèi)成對Nei’s遺傳距離(對角線以下)和F_ST值(對角線以上)估計

 

 

 

 

 

結(jié)論

 1、本研究對葡萄sativa和sylvestris兩個亞種進行了系統(tǒng)分析，SSR基因分型結(jié)果表現(xiàn)出高度的多態(tài)性和雜合性，說明葡萄亞種內(nèi)部和亞種之間都存在顯著的多樣性(表2和3)。

• 來自佐治亞地區(qū)的sativa和sylvestris具有最高的有效等位基因數(shù)量和等位基因豐富度，這表明該地區(qū)是釀酒葡萄多樣性的中心。
•  對Ho、He值及F_IS的比較結(jié)果表明，來自同一野生種群的個體之間存在高度的遺傳關(guān)系，特別是在西班牙和格魯吉亞的種群中，這種交配會影響個體和群體的動態(tài)，增加近親交配幾率。然而，在隨機交配群體中，一些野生群體的F_IS值接近于零，這些相反的結(jié)果可以用樣本大小導(dǎo)致的亞群中等位基因的隨機遺傳漂移來解釋。
• 與其他研究類似，本研究也發(fā)現(xiàn)sylvestris樣本中觀察到的多樣性水平的降低。由于森林砍伐和城市化，世界許多地方的sylvestris品種被認(rèn)為瀕臨滅絕，支離破碎。人為的和自然的地理障礙也可能導(dǎo)致野生群體在他們的自然棲息地被隔離，并可能導(dǎo)致顯著的近親繁殖，減少不同地理群體內(nèi)部和之間的基因流動，從而降低雜合度。
•  除了意大利品種外，栽培品種的F_IS值接近于零，表明為隨機交配。意大利群體的負(fù)F_IS值表明雜合子過多，但在統(tǒng)計學(xué)上沒有顯著性(表3)。大多數(shù)栽培群體中純合子的缺失表明，它們是由具有不同群體統(tǒng)計學(xué)(奠基者效應(yīng)、瓶頸、擴散)和選擇歷史的種質(zhì)組成的。種質(zhì)收集通常是基因型的混合物。因此，這些集合中的地理群體表現(xiàn)出相對較高的分化水平，導(dǎo)致雜合度高于預(yù)期水平。

 

2、聚類分析和PCoA分析表明，亞種內(nèi)部和亞種之間的遺傳結(jié)構(gòu)和分化具有顯著差異(圖1和圖2)。

• 兩種分析都發(fā)現(xiàn)西歐野生葡萄和高加索地區(qū)野生樣品之間有明顯的區(qū)別，而法國和西班牙野生葡萄關(guān)系密切，有著密切的遺傳關(guān)系。 
• 西班牙野生葡萄表現(xiàn)出等級分化，表明相鄰種群間的基因流動導(dǎo)致了種群結(jié)構(gòu)的墊腳石模型?；蛘撸燃壊町惪赡苁遣煌乩韰^(qū)域氣候差異的結(jié)果。
• 克羅地亞的sylvestris與歐洲的sylvestris個體相關(guān)，形成了一個基礎(chǔ)姐妹群，表明它們有著共同的基因庫。包括亞美尼亞、阿塞拜疆和格魯吉亞在內(nèi)的外高加索野生葡萄藤組成了一個獨特的亞群。
• 在sativa中，觀察到來自格魯吉亞的兩組不同的品種，一組是意大利、法國和西班牙品種的姐妹品種(圖1)，另一組與意大利sativa和格魯吉亞sylvestris亞組密切相關(guān)。這一結(jié)果可能表明，中亞和高加索地區(qū)的第一批馴化品種在西歐資源中留下了遺傳足跡。這種遺傳親緣關(guān)系也可能是地中海地區(qū)早期育種計劃的反映，在那里，具有優(yōu)良果實的sylvestris或雜交野生藤本植物被用于與馴化品系的雜交。
• PCoA描繪的總體分化模式非常類似于NJ聚類分析。來自格魯吉亞和亞美尼亞的sylvestris品種中的集群重疊，并與來自格魯吉亞、巴基斯坦和土庫曼斯坦的栽培形式密切相關(guān)。

3、STRUCTURE分析支持主要群體之間的差異，而一些群體之間的細(xì)微差異，尤其是那些混合群體之間的差異并不明顯(圖3)。

• 遺傳結(jié)構(gòu)的貝葉斯推斷表明，這兩個亞種之間有相當(dāng)大的基因流動，并有適度的分化。這些結(jié)果表明釀酒葡萄的種植和釀酒促進了野生葡萄的馴化、新品種的創(chuàng)造和葡萄歷史早期生長技術(shù)的進步。
• 本研究結(jié)果表明西歐sylvestris向一些當(dāng)前西歐品種存在著滲入現(xiàn)象。
• 對高度瀕危的栽培葡萄樹祖先作為抗病育種基因資源的潛力提供了的支持。鑒于歐亞、北非和亞洲野生葡萄種質(zhì)和種質(zhì)在很大程度上還未被開發(fā)，它們的鑒定、保存以及生物和非生物抗性和漿果品質(zhì)的特征對于葡萄酒和葡萄產(chǎn)業(yè)的未來非常重要。

關(guān)于天昊：

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