栽培蘋果起源、演化及馴化機理的基因組學(xué)研究.pdf

1、為在基因組層面探討栽培蘋果起源、厘清栽培蘋果及主要野生資源親緣關(guān)系、明確栽培蘋果關(guān)鍵性狀馴化機制；本文首次對117個栽培蘋果、栽培蘋果近緣種及蘋果屬主要野生資源進行了全基因組重測序及群體遺傳學(xué)研究。其中在中國測序47種：包括新疆塞威士蘋果14份，中國特有蘋果屬野生種質(zhì)33份；在美國測序70份：包括哈薩克斯坦塞威士野蘋果15份，森林蘋果10份，栽培蘋果23份，砧木資源12份，美洲及歐洲來源的蘋果屬野生種質(zhì)10份。材料選擇范圍遍及蘋果在世界

2、主要分布區(qū)，涵蓋了中國、中亞、北美及東歐。選取的材料囊括了蘋果屬主要種及栽培蘋果的近緣種，首次將栽培蘋果及其近緣種整合進行群體進化分析，厘清了栽培蘋果起源、各近緣種為蘋果馴化的貢獻以及蘋果關(guān)鍵性狀的馴化機制。主要結(jié)果如下：
　　1.構(gòu)建首張?zhí)O果屬種群 SNP變異圖譜。對蘋果屬24個種的117個樣品進行重測序，共檢測到7,218,060個高質(zhì)量 SNPs，其中栽培蘋果組中有3,376,976個（46.8％）；哈薩克塞威士蘋果組中有2

3、,190,136（30.3％）；新疆塞威士組中有1,665,236個（16.1％）；其他野生種中有6,493,769（90.0％）。開發(fā)了1,039,264個標簽 SNP s，為蘋果分子育種提供了海量有價值的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
　　2.提出完善的栽培蘋果進化路線圖。進化樹分析發(fā)現(xiàn)栽培蘋果與森林蘋果屬于一個亞類，此亞類又屬于以塞威士為祖先的一個混合家族。群體遺傳結(jié)構(gòu)分析表明哈薩克塞威士蘋果摻雜了祖先雜交種的成分，新疆塞威士因地理隔離有較高的

4、同源一致性。π值分析表明栽培蘋果與哈薩克塞威士蘋果多樣性接近（M. sieversii2.35x10-3；M. domestica2.20x10-3），蘋果栽培馴化具有微弱或難以檢測到的瓶頸效應(yīng)。種群分離度 Fst分析表明栽培蘋果46%的基因組來自哈薩克塞威士蘋果，21%來自森林蘋果，31%未知。等位基因位點來源分析表明森林蘋果向接穗種群的滲透比向砧木種群高10%，說明森林蘋果為栽培蘋果的優(yōu)異性狀提供了重要遺傳基礎(chǔ)。完善了蘋果進化路線圖

5、：賽衛(wèi)士蘋果沿著絲綢之路向西經(jīng)歷早期馴化，與森林蘋果等其他古蘋果雜交滲透后誕生了西洋蘋果。哈薩克塞威士蘋果沿絲綢之路向東，與山荊子等野生種雜交、馴化而產(chǎn)生了早期中國蘋果。
　　3.栽培蘋果的差異選擇。選擇性清除分析表明，與果實酸度相關(guān)的基因只在與森林蘋果的選擇性清除（Dom_Syl）中有富集；而與果實糖度、果實硬度相關(guān)基因在蘋果與塞威士蘋果及森林蘋果選擇性清除（Dom_Syl及 Dom_SieK）中均有富集。通過分析栽培蘋果與其他

6、野生種的高分離SNP（top1%Fst values），發(fā)現(xiàn)了大量病程、逆境、抗性相關(guān)蛋白基因上存在非同義突變，顯示了蘋果屬野生種質(zhì)在不同生境的強適應(yīng)性；而接穗與砧木間的高分離SNP與矮化抗病基因有關(guān)。說明栽培蘋果馴化是一個差異選擇的過程。
　　4.栽培蘋果果實關(guān)鍵性狀的馴化機制。1）栽培蘋果果實大小的馴化，GWAS分析鑒定了一個果實大小主效 QTL gwa_w1，證明其在蘋果栽培馴化之前及馴化過程中發(fā)生的果實增大都起到了重要作用

7、。對控制果實大小的miR172干擾RNA進行了聚類分析及多樣性分析發(fā)現(xiàn)了兩個新的干擾RNA即：miR172g和miR172h，并證明其作用是在蘋果栽培馴化之前。印證了前人所發(fā)現(xiàn)的QTL fw1及fw2與選擇性清除Dom_Sie K有共定位，揭示其在蘋果栽培馴化過程中對為果實增大起了重要作用。提出了蘋果果實大小進化的二步模型。第一步是塞威士種的形成過程（Speciation），此階段多個miR172與 QTLs：fw1, fw2及 gwa

8、_w1共同作用，塞威士蘋果果實較大，蘋果馴化起始就有相當(dāng)?shù)膬?yōu)越性。第二步是塞威士蘋果與森林蘋果雜交馴化的過程（Domesticati on）。由QTLs：fw1, fw2及gwa_w1起作用，使蘋果果實只發(fā)生了略微增大，這暗示蘋果果實增大仍有潛力。2）栽培蘋果果實質(zhì)地的馴化，GWAS分析鑒定了1個果實質(zhì)地主效 QTL gwa_f1，證明果實硬度在馴化前及馴化后均受到了較強的選擇壓力。另外，結(jié)合選擇性清除分析，首次在12、17號染色體發(fā)現(xiàn)

9、了7個果實硬度相關(guān)基因。揭示了果實馴化過程中，果肉質(zhì)地趨硬的遺傳學(xué)基礎(chǔ)。3）栽培蘋果果實風(fēng)味的馴化，在由哈薩克塞威士蘋果向栽培蘋果進化的選擇性清除中，都與1個山梨醇主效QTL存在共定位，其中包含4個山梨醇轉(zhuǎn)運蛋白、2個糖轉(zhuǎn)運蛋白、2個己糖激酶、2個丙酮酸激酶和2個轉(zhuǎn)錄因子。同樣，在森林蘋果到栽培蘋果的選擇性清除中，13號染色體上發(fā)現(xiàn)一個強選擇壓力的區(qū)域，包含了重要關(guān)鍵代謝基因，其中有2個蔗糖合成酶也存在于由塞威士蘋果到栽培蘋果的選擇性清