大豆Soja亞屬基因組變異與人工進(jìn)化特征研究

大豆Soja亞屬基因組變異與人工進(jìn)化特征研究大豆Soja亞屬隸屬豆科（Leguminosae）、蝶形花亞科（Papilionoideae）、大豆屬（Glycine）,包括栽培大豆[Glycinemax（L.）Merr.]和一年生野生大豆（GlycinesojaSieb.etZucc.）兩個(gè)一年生種。其中栽培大豆由野生大豆馴化而來,源在我國(guó),長(zhǎng)期的自然選擇和人工馴化創(chuàng)造了豐富的大豆種質(zhì)資源,它們適應(yīng)不同的生態(tài)環(huán)境、氣候特征和耕作條件,形成了各種獨(dú)特的表型性狀,客觀上反應(yīng)了基因組上豐富的遺傳變異。大豆是國(guó)人植物蛋白和植物油脂的主要來源,目前也是世界上重要的商品貿(mào)易作物。大豆籽粒性狀是最重要也是最直接接受馴化和改良的農(nóng)藝性狀,且均為由多基因控制的復(fù)雜性狀,闡明其遺傳基礎(chǔ)對(duì)大豆遺傳學(xué)研究和品種改良都具有重要的意義。本研究以遺傳多樣性盡可能豐富的涵蓋全國(guó)6大生態(tài)區(qū)的大豆Soja亞屬（野生大豆、大豆主產(chǎn)區(qū)的栽培大豆地方品種以及近百年大豆遺傳改良所得育成品種）的代表性抽樣材料為試驗(yàn)群體,利用基于酶切的簡(jiǎn)化基因組測(cè)序技術(shù)獲得全基因組SNP標(biāo)記,由此構(gòu)建了一張高分辨率的單倍型圖譜,進(jìn)而系統(tǒng)分析了大豆Soja亞屬全基因組的遺傳變異;在此基礎(chǔ)上從不同進(jìn)化程度的主要籽粒性狀入手,利用改進(jìn)了的能提高高度自交作物全基因組關(guān)聯(lián)分析準(zhǔn)確性的方法進(jìn)行QTL定位,并對(duì)所得QTL進(jìn)行單倍型構(gòu)成剖析,用以組建性狀相關(guān)QTL單倍型矩陣,最后從QTL單倍型矩陣的層面搜索不同強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間人工進(jìn)化性狀的基因組結(jié)構(gòu)特征。主要結(jié)果如下:1.大豆Soja亞屬兩階段馴化過程除了檢測(cè)到傳統(tǒng)的"遺傳瓶頸"效應(yīng)外,均檢測(cè)到"單倍型新生"現(xiàn)象通過簡(jiǎn)化基因組測(cè)序技術(shù)對(duì)全國(guó)6大生態(tài)區(qū)下1,024份大豆Soja亞屬代表性材料（203份野生大豆、栽培大豆375份地方品種和446份現(xiàn)代育成品種）進(jìn)行低豐度測(cè)序,構(gòu)建了含有145,558個(gè)SNP位點(diǎn)的基因型數(shù)據(jù)庫。SNP多樣性（π值）結(jié)果顯示從野生大豆（1.168×10-3）到栽培大豆地方品種（0.787×10-3）,再到栽培大豆育成品種（0.712×10-3）呈逐漸下降的趨勢(shì)。同樣,以相鄰SNP間連鎖不平衡程度D’≥0.7為標(biāo)準(zhǔn),將145,558個(gè)雙等位變異的SNP標(biāo)記轉(zhuǎn)化成了36,952個(gè)更符合自然群體實(shí)際情況的具有復(fù)等位變異的SNPLDB后發(fā)現(xiàn):野生大豆共97,532個(gè)單倍型,平均離散度為0.590;栽培大豆地方品種共84,496個(gè)單倍型,平均離散度為0.398;而到育成品種中只有79,221個(gè)單倍型,平均離散度為0.362。以上結(jié)果均證實(shí)大豆Soja亞屬馴化過程中的"遺傳瓶頸"效應(yīng)。基于SNPLDB單倍型分析還發(fā)現(xiàn),整個(gè)大豆Soja亞屬兩個(gè)馴化階段除了"遺傳瓶頸"效應(yīng)外,還都有"單倍型新生"現(xiàn)象。具體體現(xiàn)為除了野生大豆、栽培大豆地方品種和育成品種三類群體共有的74,294個(gè)單倍型外;有7,936個(gè)單倍型是野生大豆和栽培大豆地方品種兩類群體共有的;有12,855個(gè)單倍型是野生大豆群體所特有的;栽培大豆地方品種相對(duì)于野生大豆有2,266個(gè)單倍型是新生的,且其中的2,186個(gè)單倍型傳遞到了育成品種;育成品種相對(duì)于地方品種有294個(gè)單倍型是新生的?？梢?第一個(gè)野生大豆到栽培大豆地方品種的5,000年馴化階段新生了2,266個(gè)單倍型,同比第二個(gè)栽培大豆地方品種到育成品種的100年改良階段新生了294個(gè)單倍型。2.大豆Soja亞屬各群體分化明顯并具有大量馴化相關(guān)染色體區(qū)段,通過不同生態(tài)區(qū)分化程度和遺傳距離分析推斷野生大豆第Ⅳ生態(tài)區(qū)可能是栽培大豆的馴化起源中心栽培大豆地方品種是在先民無意識(shí)的選擇條件下,從野生大豆中經(jīng)過幾千年歷史逐漸形成的;而育成品種是從地方品種中經(jīng)過短時(shí)間目的性選育得到的,兩者持續(xù)的時(shí)間和選擇的強(qiáng)度不同,但是都是對(duì)表型的選擇,或者是對(duì)不同等位基因的組合效果的選擇。本試驗(yàn)群體主成分和遺傳聚類的分析結(jié)果首先證實(shí):大豆Soja亞屬野生大豆和栽培大豆確實(shí)相對(duì)獨(dú)立;另外,栽培大豆地方品種和育成品種遺傳基礎(chǔ)雖較為相近,但仍有很大程度上的分化,且只有部分地方品種分散在育成品種的聚類中。其次,大豆Soja亞屬連鎖不平衡程度同樣體現(xiàn)不同的分化程度:野生大豆群體的LD半衰距離為54.60kb左右,栽培大豆地方品種群體為114.50kb左右,而育成品種群體為153.87kb左右。第三,進(jìn)一步進(jìn)行群體間分化指數(shù)（FsT）分析發(fā)現(xiàn)野生大豆和栽培大豆地方品種間的分化強(qiáng)烈（平均為0.335）,其中有1053個(gè)區(qū)段的FST≥0.60（最大0.903）,這些區(qū)段可能涉及很多早期馴化相關(guān)的基因;而栽培大豆地方品種和育成品種間的群體分化指數(shù)FST平均為0.053,其中只有32個(gè)區(qū)段的FST≥0.25（最大0.348）,體現(xiàn)了大豆近期人工改良過程相比馴化過程較少和較弱的人工選擇。這些區(qū)段為大豆Soja亞屬馴化相關(guān)基因的發(fā)掘和研究提供了候選。野生大豆通過自身的傳播,經(jīng)過長(zhǎng)期自然選擇后形成了現(xiàn)有分布;而栽培大豆則是起源于某地,通過自然選擇和人工選擇的共同作用,逐漸被人為地?cái)U(kuò)散到不同的地域,并在不同的生態(tài)環(huán)境下被固定下來。通過分子方差分析,本研究發(fā)現(xiàn)大豆Soja亞屬三類群體間具有較明顯的遺傳分化,即70%的遺傳方差來自群體內(nèi),群體間為30%;另外,三類群體各生態(tài)區(qū)間的遺傳聚類表明野生大豆第Ⅳ生態(tài)區(qū)的材料與其他栽培大豆的生態(tài)區(qū)具有最近的遺傳距離,群體分化程度同樣顯示該區(qū)的材料與其他栽培大豆的生態(tài)區(qū)具有最小的遺傳分化系數(shù);結(jié)合豆科植物一年生和多年生種的全球分布以及大豆光周期的敏感性等證據(jù),本研究推測(cè)中國(guó)栽培大豆的馴化源于中國(guó)野生大豆第Ⅳ生態(tài)區(qū)。3.大豆,亞屬不同進(jìn)化方向性狀的遺傳構(gòu)成表明重組和突變是大豆人工進(jìn)化性狀形成和前進(jìn)的動(dòng)力,且重組對(duì)性狀改良仍具有很大潛力,突變新生具有一定的生態(tài)特異性通過對(duì)1,024份大豆Soja亞屬代表性材料的田間試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室分析發(fā)現(xiàn):從野生大豆到栽培大豆地方品種,再到栽培大豆育成品種,百粒重（從平均2.41g上升到12.28g,最后上升為16.95g）、籽粒油脂含量（從平均12.12%上升到16.98%,最后上升為19.43%）和籽粒油酸含量（從平均14.89%上升到21.24%,最后上升為26.42%）這些性狀呈遞增趨勢(shì),可以定義為"正向進(jìn)化性狀（Positiveevolutiontraits）";另外,籽粒亞麻酸含量（從平均12.98%下降到8.92%,最后下降為7.18%）和亞油酸含量（從平均56.19%下降到55.14%,最后下降為51.61%）呈遞減趨勢(shì),可以定義為"負(fù)向進(jìn)化性狀（Negativeevolutiontraits）";其他如棕櫚酸含量（野生大豆平均12.61%,地方品種11.16%,而育成品種11.23%）和硬脂酸含量（野生大豆中平均3.33%,地方品種3.48%,而育成品種3.50%）呈波動(dòng)趨勢(shì),可以定義為"中性進(jìn)化性狀（Neutralevolutiontraits）"。利用改進(jìn)了的適合自交作物全基因組關(guān)聯(lián)分析方法對(duì)大豆Soja亞屬三類不同進(jìn)化方向的性狀進(jìn)行定位,獲得大量性狀相關(guān)QTL位點(diǎn),基因注釋后發(fā)掘了一批控制相關(guān)性狀的關(guān)鍵基因,包括抗旱、抗寒、耐鹽等重要抗性相關(guān)基因和其他調(diào)控因子等,為后續(xù)的性狀相關(guān)基因克隆和功能驗(yàn)證奠定了基礎(chǔ)。同時(shí),解析性狀相關(guān)QTL的SNPLDB單倍型構(gòu)成后發(fā)現(xiàn):首先,三類性狀都具有大量正效和負(fù)效單倍型,且正向進(jìn)化性狀隨著方向性進(jìn)化導(dǎo)致正效單倍型積累增多,而負(fù)效單倍型減少;負(fù)向進(jìn)化性狀隨著方向性進(jìn)化導(dǎo)致負(fù)效單倍型積累增多,而正效單倍型減少;中性進(jìn)化性狀正負(fù)效應(yīng)單倍型數(shù)量相對(duì)差別不大。其次,正向和負(fù)向進(jìn)化性狀都具有與進(jìn)化方向相反的單倍型（主要指野生大豆中的那些沒有在栽培大豆中被利用的單倍型）,中性進(jìn)化性狀相對(duì)沒有這類特殊單倍型。因此如果通過雜交等手段把野生大豆中的這些優(yōu)異單倍型加以利用,一定程度上應(yīng)該可以提高現(xiàn)有栽培品種的遺傳改良潛力。第三,還檢測(cè)到大量的突變事件,且突變新生的單倍型表型效應(yīng)有正有負(fù)。但是總的來看,對(duì)于正向進(jìn)化性狀來說,保留下的正效突變新生單倍型多于負(fù)效單倍型;對(duì)于負(fù)向進(jìn)化性狀來說,保留下的負(fù)效突變新生單倍型多于正效單倍型;對(duì)于中性進(jìn)化性狀來說,突變新生的正、負(fù)效單倍型數(shù)目差異不大。因此,對(duì)突變新生的單倍型的利用也是提高現(xiàn)有栽培品種的遺傳改良潛力之一。大豆籽粒性狀相關(guān)QTL新生單倍型具有生態(tài)特征,即在育成品種中,百粒重相關(guān)QTL具有2個(gè)新生的正效應(yīng)單倍型Gm09_SNPLDB_<sub>1</sub>527-AGACGCATGGC和Gm04_SNPLDB₉11-C,籽粒油酸含量相關(guān)QTL具有2個(gè)新生的正效應(yīng)單倍型Gm20_SNPLDB1614-A和Gm15_SNPLDB1579-T,亞油酸含量相關(guān)QTL具有1個(gè)負(fù)效應(yīng)單倍型Gm02_SNPLDB<sub>8<