2019年04月18日，Genome Biology在線發(fā)表了中國科學(xué)院昆明動物研究所與北京百邁客生物科技有限公司共同合作文章“Whole genomes and transcriptomes reveal adaptation and domestication of pistachio” 中國科學(xué)院昆明動物研究所研究員吳東東為本文通訊作者，中國科學(xué)院昆明動物研究所曾琳，北京百邁客公司大項目負(fù)責(zé)人韓鳳鳴，戴鶴為共同第一作者。本文繪制了開心果的基因組草圖，并對其進(jìn)行了大規(guī)模的基因組重測序并進(jìn)行了比較基因組分析，表明，開心果的應(yīng)激適應(yīng)可能與細(xì)胞色素P450和幾丁質(zhì)酶基因家族的擴(kuò)增有關(guān)。尤其重要的是，比較轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析表明茉莉酸（JA）生物合成途徑在開心果耐鹽性中起著重要作用。此外，研究人員對93個栽培種和14個野生種（P. vera）基因組及35個親緣關(guān)系密切的野生黃連木屬基因組進(jìn)行了重測序，以提供對種群結(jié)構(gòu)、遺傳多樣性和馴化的見解與思路。

研究背景

隨著農(nóng)業(yè)面積的減少和人口的增長，糧食危機(jī)正成為一個日益嚴(yán)重的問題。沙漠約占地球陸地表面積的三分之一，是貧瘠的環(huán)境，幾乎沒有降水，通常有干燥和堿性土壤，因此對大多數(shù)植物和動物的生活條件都很不利。然而，一些沙漠地區(qū)仍可以種植一些作物。洞察這些物種的環(huán)境適應(yīng)和經(jīng)濟(jì)特征，有助于在不同的沙漠地區(qū)種植和繁殖這些作物，這可能有助于緩解世界糧食危機(jī)。

開心果（p.vera，2n=30，圖1a）雙子葉植物綱、無患子目和漆樹科，是起源于中亞和中東的腰果家族成員。它是一種沙漠植物，對鹽漬土有很高的耐性。開心果最近成為第五大堅果作物，除了具有經(jīng)濟(jì)、營養(yǎng)和藥用價值外，對非生物脅迫也有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，被認(rèn)為是一種能耐受干旱和鹽堿脅迫的物種，是干旱和鹽堿區(qū)重新造林的理想選擇。

盡管基因組測序的快速發(fā)展有助于發(fā)現(xiàn)許多作物馴化和改良的遺傳基礎(chǔ)，但關(guān)于開心果的研究卻很少。據(jù)估計，開心果的基因組大小約為600 MB，雜合率高。Moazzzam Jazi等人利用全基因組轉(zhuǎn)錄組，通過對照和鹽處理兩個開心果品種的比較，發(fā)現(xiàn)了耐鹽性相關(guān)的標(biāo)記物和應(yīng)激反應(yīng)機(jī)制。

在本研究中，為了更好地了解開心果馴化的分子進(jìn)化歷史，研究人員組裝了開心果的基因組草圖，并對107個全基因組進(jìn)行了重測序，包括93個馴化和14個野生的開心果以及35個不同野生黃連木屬物種。整合基因組和轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析顯示，擴(kuò)張的基因家族（如細(xì)胞色素P450和幾丁質(zhì)酶）和茉莉酸（JA）生物合成途徑可能參與應(yīng)激適應(yīng)。比較群體基因組分析顯示，開心果大約在8000年前被馴化，馴化的關(guān)鍵基因可能是那些涉及樹木和種子大小的基因，這些基因經(jīng)歷了人工選擇。這些基因組序列應(yīng)該有助于未來的研究，以了解沙漠作物的農(nóng)業(yè)和環(huán)境相關(guān)特性的遺傳基礎(chǔ)。

材料方法

開心果（P.vera）二代測序denovo：

測序材料：開心果栽培種“Batoury”；Illumina Hiseq 2500[包括兩種類型小片段文庫（270 bp和500 bp）]和六種類型 mate-pair文庫（3 kb、4 kb、8 kb、10 kb、15 kb和17 kb）；PacBio sequel

重測序：107個開心果（93個馴化+14個野生）、35個不同野生黃連木屬物種；Illumina；

轉(zhuǎn)錄組：A：鹽處理：Ohadi（根：salt treatment 3 rep vs control 3 rep；葉：salt treatment 3 rep vs control 3 rep）；B：野生型和馴化型：Ohadi和Sarakhs[根：Sarakhs (wild 3 rep) vs Ohadi (control 3 rep)；葉：Sarakhs (wild 3 rep) vs Ohadi (control 3 rep)]；

注：Ohadi與Sarakhs分別代表Pistacia vera的不同品系，Ohadi被認(rèn)為是馴化型，Sarakhs是野生型）。

研究結(jié)果

1.?開心果的基因組進(jìn)化

利用Illumina Hiseq 2500平臺組裝了569.12 Mb的開心果基因組草圖，Contig N50為20.69kb和Scaffold N50為768.39 Kb。為了提高連續(xù)性，進(jìn)一步通過PacBio sequel系統(tǒng)組裝了671 MB的基因組草圖，ContigN50為75.7 Kb，Scaffold N50為949.2 Kb?；蚪M質(zhì)量與先前報道的植物基因組相一致，有助于一些令人信服的數(shù)據(jù)分析。裝配尺寸略大于估計的基因組尺寸，這可能是與開心果的高雜合度（1.72%）有關(guān)。轉(zhuǎn)座因子占開心果基因組的70.7%，其中46.75%為LTR（長末端重復(fù)轉(zhuǎn)座）。CEGMA分析表明，96.94%的核心蛋白編碼基因被恢復(fù)。BUSCO評估表明有94.51%完整的基因模型。

作者首先進(jìn)行了比較基因組研究，以評估該物種的古歷史。利用9個植物基因組單拷貝家族基因的系統(tǒng)基因組分析表明，開心果在58百萬年前從柑橘中分離并在105百萬年前從毛果楊中分離出來。4DTV結(jié)果表明，開心果基因組在其與這些物種的分化之后沒有經(jīng)歷譜系特異性的全基因組復(fù)制。文中還通過將開心果基因組與基礎(chǔ)被子植物無油樟基因組進(jìn)行共線性分析，表明每個無油樟區(qū)域最多有三個開心果區(qū)域，而每個開心果區(qū)域最多有兩個毛果楊區(qū)域（圖1b）。共線性分析支持這樣一個結(jié)論：開心果中沒有發(fā)生譜系特異性基因組復(fù)制，但它們與真雙子葉植物中發(fā)生的γ復(fù)制相同，而毛果楊經(jīng)歷了譜系特異性基因組復(fù)制事件。

圖1 開心果基因組進(jìn)化

2.?開心果應(yīng)激適應(yīng)相關(guān)的擴(kuò)張基因家族

為了揭示開心果表型（如耐鹽性）的遺傳基礎(chǔ)，利用OrthoMCL通過識別不同植物之間獨(dú)特和共同的基因家族來研究基因家族的進(jìn)化。開心果與擬南芥、柑橘、雷蒙德氏棉、葡萄相比有9735個共有基因家族，而含有1381個基因的707個開心果有特基因家族。對這些基因進(jìn)行GO與KEGG富集分析，并都發(fā)現(xiàn)了許多與“防御反應(yīng)”有關(guān)的基因，其中包括許多包含NB-ARC domain和NBS-LRR domain的基因。這種基因以植物抗病性著稱，對開心果的防御反應(yīng)具有相當(dāng)重要的意義。

接下來，作者研究了開心果基因家族的擴(kuò)張和收縮（圖1c）。由于很難從基因家族規(guī)模的收縮或與未在該參考基因組中成功組裝的基因有關(guān)，這里只分析了擴(kuò)展的基因家族。對擴(kuò)展基因家族的基因富集分析發(fā)現(xiàn)，它們在代謝類別中豐富，如萜類、黃酮類、倍半萜類和生物堿的生物合成。基因家族的擴(kuò)展發(fā)生在長期進(jìn)化之后，并推動了黃連木屬和柑橘屬之間的進(jìn)化差異，而不是開心果從野外馴化的非常短期的進(jìn)化。因此，我們認(rèn)為上述基因的擴(kuò)展可能與野生黃連木中有機(jī)化合物的代謝有關(guān)。野生黃連木的植物化學(xué)篩選發(fā)現(xiàn)了許多植物化學(xué)物質(zhì)，如生物堿、黃酮、香豆素、甾醇、單寧、萜類和倍半萜類。

此外，豐富的術(shù)語“氧化還原過程”包含許多細(xì)胞色素P450基因，這些基因編碼參與多種功能復(fù)雜代謝途徑的蛋白質(zhì)，并在多個過程中發(fā)揮重要作用，特別是在應(yīng)激反應(yīng)中發(fā)揮作用。在187個細(xì)胞色素P450基因中，我們發(fā)現(xiàn)許多可能具有耐鹽功能。例如，透水性研究發(fā)現(xiàn)，CYP94家族基因表達(dá)水平的升高可減輕水稻的茉莉酸反應(yīng)，增強(qiáng)水稻的耐鹽性。在開心果的這些擴(kuò)張基因家族中，有14個CYP94基因。大豆中，CYP82A3參與茉莉酸和乙烯信號通路，增強(qiáng)對鹽堿和干旱的抗性，開心果擴(kuò)張基因家族中有20個CYP82基因成員。毛果楊CYP714A3的異位表達(dá)增強(qiáng)了水稻的耐鹽性，開心果擴(kuò)張基因家族中有10個CYP714A基因。因此，一些細(xì)胞色素P450基因可能與開心果的耐鹽性有關(guān)。

3.?RNA-seq揭示了開心果鹽適應(yīng)的遺傳機(jī)制

進(jìn)一步研究開心果的耐鹽性潛在遺傳機(jī)制，研究者進(jìn)行了鹽度實驗。開心果砧木（P.vera?L.cv.Ohadi）的葉和根在正常條件和鹽度條件下進(jìn)行RNA測序。使用Tophat-Cufflinks-Cuffdiff?pipeline，在鹽水條件下處理的植物與對照之間表現(xiàn)出差異表達(dá)，鑒定214和461蛋白質(zhì)編碼基因分別在葉和根組織中（ncontrol = 3, nsalinity = 3, corrected P < 0.05,）?；蚋患治霭l(fā)現(xiàn)許多差異表達(dá)基因（31個基因）參與到“氧化還原進(jìn)程”中（圖2a，b）。像比較基因組分析一樣，該類別中的15個基因是細(xì)胞色素P450基因，特別是CYP74A（即AOS），其編碼細(xì)胞色素P450 CYP74基因家族的一個成員，其起到丙二烯氧化物合酶（AOS）的作用。這種酶催化茉莉酸酯合成中的第一步[即茉莉酸（JA）]。AOS中每千堿基外顯子的表達(dá)片段（FPKM）值在葉片中從對照中的近0增加到鹽水條件下的2163.75，在根中從對照中的1.87增加到鹽水處理的87.74。研究者還發(fā)現(xiàn)了7個差異表達(dá)的基因(ChiC, TT4, ILL6, MYB108, MYB6, PRB1, and TIFY5A)被富集到“茉莉酸反應(yīng)”中。以前的研究表明，干旱和高鹽度導(dǎo)致水稻葉片和根部JA含量增加。鹽度處理可以增加濕地物種鳶尾（Iris hexagona）中的內(nèi)源JA水平。茉莉酸酯激活植物對生物脅迫（即病原體攻擊）和非生物脅迫（即鹽）的反應(yīng)。在此，用鹽水處理增加了在葉和根中參與茉莉酸反應(yīng)的這些基因的表達(dá)水平（圖2c）。這些基因的表達(dá)增加（例如，AOS作為酶催化茉莉酸酯合成中的第一步）應(yīng)該增加茉莉酮酸酯的合成，因此，它們很可能被開心果用于應(yīng)對鹽脅迫。

差異表達(dá)的基因富集到“幾丁質(zhì)結(jié)合”，其中四種基因編碼幾丁質(zhì)酶(CHIB, EP3, ChiC, AT2G43590)。植物幾丁質(zhì)酶涉及多種生物系統(tǒng)。植物中的一些幾丁質(zhì)酶是針對環(huán)境脅迫（如高鹽濃度，寒冷和干旱）而表達(dá)的，并且可以通過植物激素如乙烯，茉莉酸和水楊酸來上調(diào)。例如，基因ChiC編碼V類幾丁質(zhì)酶，其表達(dá)可由茉莉酸和擬南芥鹽度引起的脅迫來誘導(dǎo)。研究者的轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析表明，編碼幾丁質(zhì)酶的基因和參與JA生物合成途徑的基因可能有助于開心果適應(yīng)鹽水環(huán)境。

?圖2 鹽處理下開心果的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析

4.?不同野生種間混和

為了研究開心果的種群歷史和適應(yīng)性進(jìn)化，研究者對107個開心果基因組進(jìn)行重測序，包括93個品種和14個野生開心果，平均測序深度為6-8X。作者還重新測序了來自不同近緣種的35個基因組，包括P.mutica，P.khinjuk，P.integerrima和P. palaestina。用stringent GATK pipeline，發(fā)現(xiàn)14.77百萬個單基因變異位點，其中2.42百萬個在基因區(qū)。使用鄰近法和最大似然法的系統(tǒng)發(fā)育分析清楚地分離了5種不同的種群，即?P.vera, P.mutica, P. khinjuk, P. integerrima, and P. palaestina。通過TreeMix程序在一些物種之間檢測到漸滲的信號，這表明雜交可能在自然界中的不同近親之間發(fā)生，并且與植物中被發(fā)現(xiàn)的普遍雜交一致。然而，從其他開心果物種到馴化的開心果沒有檢測到漸滲，這種現(xiàn)象來源于野生的P. vera（圖3）。

?圖3 不同野生種間的基因漸滲

5.?開心果兩步馴化歷程

基于重測序數(shù)據(jù)，研究人員推測了這些物種的有效群體大小的變化，并發(fā)現(xiàn)在 Pleistocene期間發(fā)生了瓶頸事件，且在 ~200 kyr前，有效群體大小增加。系統(tǒng)發(fā)育樹顯示馴化和野生開心果之間的分離（圖4a）。利用δaδi推算野生和馴化開心果的分化時間在 ~8000年前，這與早在公元前6750年就表明開心果種子是一種常見的食物這一考古記錄相似。為了深入了解開心果種質(zhì)之間的遺傳關(guān)系，研究人員進(jìn)行了兩項經(jīng)典分析：群體結(jié)構(gòu)和主成分分析（圖4b，c）。這些分析清晰的顯示栽培種質(zhì)分為兩個群。栽培種Group I的LD最高，栽培種Group II和野生開心果的LD衰減值相近。Group II包括 Qazvini，Italiaei和Badami

Zarand在內(nèi)的5種類型的個體，且這些種質(zhì)被記錄為古代具有種子的材料（圖4d）。與系統(tǒng)發(fā)育樹一致，這三個品種含有較高比例的野生血統(tǒng)（圖4e）,這些結(jié)果支持了其兩步馴化的過程，初步馴化，然后通過作物育種進(jìn)行改良。

圖4 野生和馴化開心果的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系分析

6.?開心果馴化的遺傳機(jī)制

群體核苷酸多態(tài)性θπ分析揭示了馴化型種質(zhì)的核苷酸多態(tài)性低于野生型種質(zhì)，通過分析發(fā)現(xiàn)，栽培種質(zhì)中基因組上的一些區(qū)域的多態(tài)性降低，這些區(qū)域可能含有受到人工選擇的基因。此外，研究人員鑒定了栽培型和野生型樣品分化水平增加的區(qū)域。在馴化和野生的開心果之間，在基因組上約有9.2 Mb的區(qū)域被鑒定為具有高水平的群體分化。栽培種間遺傳多樣性降低，且超過95%的閾值。遺傳多樣性減少的區(qū)域和群體分化增強(qiáng)的區(qū)域在馴化或育種過程中經(jīng)歷了選擇性清除。共計有665個基因定位在該區(qū)域。研究人員定位了受正向選擇的候選基因，其可能與馴化過程中重要的表型進(jìn)化相關(guān)。在開心果馴化的過程中，其樹形大小經(jīng)歷了人工選擇（圖5a）。研究人員發(fā)現(xiàn)了基因SAUR55（圖5b），編碼生長素應(yīng)激蛋白，在植物的生長過程中發(fā)揮重要的作用，其在開心果的人工選擇下進(jìn)化而來。除此之外，基于也和根的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，馴化種與野生種相比，基因SAUR55表現(xiàn)出了顯著增加的表達(dá)水平（圖5c）。這些結(jié)果與在其它作物（如水稻和小麥）中生長素應(yīng)激性基因的選擇性清除的研究結(jié)果一致，并揭示了在作物馴化期間類似特征性狀的人工選擇。果實重量是作物馴化和育種期間最重要的特征之一，包括開心果。在栽培種中，品種成分與果實重量呈正相關(guān)（圖4e）。這支持了一個結(jié)論，在開心果中，果實重量的人工選擇發(fā)生在馴化與人工選擇期間。研究人員指出，基因CYCD7-1在人工選擇的進(jìn)化下，野生種和馴化的栽培種之間具有高度的群體分化特征。該基因編碼D型細(xì)胞周期蛋白，控制細(xì)胞分裂及種子發(fā)育過程中的生長率。CYCD7-1基因的過表達(dá)包括在胚胎和胚乳中的細(xì)胞增殖和細(xì)胞增大，其在擬南芥中導(dǎo)致種子過度生長?；?em>CYCD7-1在花粉和早期發(fā)育中顯示特殊表達(dá)，但在葉和根中沒有表達(dá)。因此，有希望在未來的實驗中比較野生型和馴化型開心果在花粉和早起發(fā)育時期CYCD7-1基因的表達(dá)，研究人員提出在CYCD7-1基因上進(jìn)行的人工選擇可能會改變開心果的重量。

?圖5 開心果果樹大小的人工選擇

結(jié)論

本研究為開心果的局部適應(yīng)和馴化提供了遺傳學(xué)基礎(chǔ)。黃連木屬物種基因組序列有助于未來的研究，以了解沙漠作物農(nóng)藝和環(huán)境相關(guān)性狀的遺傳基礎(chǔ)。

 

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