Week36:梅花全基因组重测序研究

文献解读

Title: The genetic architecture of floral traits in the woody plant Prunus mume

Abstract:

梅花全基因组重测序的完成将为其分子标记辅助育种的研究提供重要的理论框架，也将在应用上为其花色、花型、株型等重要观赏性状基因的遗传选育及品种改良提供重要平台，对梅花重要观赏性状的遗传解析具有里程碑的作用。梅花（Prunus mume）著有花魁之称，属蔷薇科李属植物，在我国已有3000多年的栽培历史，深受国人喜爱。其生物学特性最为可贵之处在于花期早，可在晚冬及早春时节开花。

鉴于梅花栽培品种经过长期的人工驯化和自然授粉，其遗传背景极为复杂，为了揭示梅花和李属的演化历史，开展梅花分子标记辅助育种工作，揭示梅花重要观赏性状的遗传机理，该项目选取333株梅花品种、15株野生梅花以及梅花的近缘物种山杏、山桃和李开展全基因组重测序研究，利用Illumina HiSeq 2000的测序平台，平均测序深度19.3X，挖掘到534万个SNP标记（单核苷酸多态性标记），极大地推动了梅花群体遗传学分析、全基因组关联分析和李属泛基因组研究的顺利开展。

Methods

• 收集333个地方梅花品种，15个野生梅花和3个李属近亲材料。对这些材料记录24个表型性状。利用CATB提取DNA，构建IlluminaPE 文库，插入片段500bp，测序深度19.27X。
• 收集了来自两个梅地方品种（MDL对WYY）鲜花的RNA-seq，每个样品收集3个重复样品。
• 利用BWA+GATK进行SNP标记开发，SV通过BreakDancer进行分析。
• 对9个梅花和3个李属其他材料进行深度测序，70X深度测序，进行泛基因组分析。

Results

• 本研究共采集了348份材料，其中包括333份地方品种和15份野生材料，根据中国分类系统，可以分为11地方品种，测序深度为19.27X，总共获得了13.71Gclean reads。对8个梅花和3个地方品种测序深度提高到70X，进行泛基因组分析。
• WGS发现了12.7M的SNP，经过过滤后开发了5.34M的SNP，其中1.2MSNP在基因组编码区内，733K非同义的。共同开发了7317个deletion和1117个insertion和623个SV。
• 利用SNP进行系统发育分析，最终确定了16个亚组，利用梅花进行群体结构分析，材料可以分为8个亚群，在系统发育树上亚群分化情况基本一致，与16个亚组按照2:1的方式合并。

• 通过LD分析，在大多数品种亚种群中发现相对于野生种群更高的LD。粉红双重和单花，比其他品种的亚种群和野生种群的LD低，这应该是由其他物种对这两个亚种群的大量渗入引起的。

• 梅品种有3个主要分支 ，这三个类别可以在系统发育树上区分开。 16个杏品种中有14个被聚类到P1群外，这与这些梅品种起源于梅与杏之间天然杂交的事实一致。野生梅种质出现在几个谱系中，而许多现有品种与杏或杏梅杂交种遗传上更接近，这也与栽培种与杏/杏梅之间的人工杂交事件相一致。综合起来，在梅属品种中应该有广泛的渗入事件。
  

• 所有测序材料共享的核心和泛基因组是研究驯化期间出现的种群和基因组变异中遗传多样性的有力工具，使用相同的方法重新组装了参考基因组，并将测序读取与每个物种的组装基因组进行对比。一致比率（〜98.13％）和测序深度表明该方法具有良好的质量。每个基因组的组装结果为：15.5kb的contig N50和约22.6kb的scaffold N50

• 通过分析梅的特异性基因，与黄酮类，苯丙素类，二苯乙烯类，二芳基庚酸类和姜酚生物合成相关的基因以及苯丙氨酸代谢相对富集，黄酮类化合物是影响花朵着色的重要植物色素，除了它们在木材形成中的作用外，苯丙素还可以作为花色素和香味化合物的重要组分。同时分析发现PAVs在地理亚群体内表现出特定的模式，并减少了可能反映驯化的覆盖率。
  

• 使用13个单独的李属材料和三个来自蔷薇科的测序亲属鉴定的核心基因构建系统发育并重建了李属的进化历史。 我们的研究结果表明，与现有研究中的任何其他李属物种相比，西伯利亚鲟可能与梅的关系更密切，这与以前的报道一致。 我们估计P.mume和其他Prunus物种之间的分化时间为〜3.8 MYA，野生和栽培mei之间为〜2.2 MYA，远远早于栽培梅的估计驯化

• 通过GWAS分析，对24个性状进行分析，在梅花基因组上发现了花瓣颜色，柱头颜色，花萼颜色，芽的颜色，花粉丝颜色，木材颜色，花瓣数量，雌蕊特征，花蕾孔径等十种性状相关的显著信号。在转录组测序中的差异标记基因中鉴定了76个与花瓣，柱头，花萼和芽色相关的SNPs。
  

• GWAS结果显示木材和花粉丝的颜色与位于染色体Pa3上的两个区域，我们还通过计算这些亚群的Fst29和π值，发现部分区域由人工选择驱动的选择性消除也影响了性状。