蘋(píng)果是世界溫帶地區栽培面積最大的果樹(shù)之一，其起源演化與人類(lèi)文明進(jìn)步密不可分，一直以來(lái)備受?chē)H蘋(píng)果研究界的廣泛關(guān)注。蘋(píng)果基因組是如何被人類(lèi)選擇重塑的，以及小而又酸的野生祖先是如何演變成現代的大而甜的蘋(píng)果？
針對這一問(wèn)題，山東農業(yè)大學(xué)陳學(xué)森教授研究團隊與美國康奈爾大學(xué)費章君研究團隊于2017年8月在《Nature Communications》 上發(fā)表題為“Genome re-sequencing reveals the history of apple and sup ports a two-stage model for fruit enlargemen”（基因組重測序揭示蘋(píng)果起源演化歷史及果實(shí)大小的二步馴化模型,IF=12.124）的文章，利用全基因組重測序、SNP基因型鑒定及群體遺傳學(xué)分析等在分子水平上揭示了蘋(píng)果起源、演化和馴化的規律，并證明世界栽培蘋(píng)果起源于我國新疆。
研究發(fā)現，從新疆境內采集的塞威士蘋(píng)果保持較高的同源性、最原始，而同屬中亞地區的哈薩克斯坦境內的塞威士蘋(píng)果基因雜合度則相對較高。這充分說(shuō)明，世界栽培蘋(píng)果起源于中國新疆。該研究確認全世界 蘋(píng)果的共同祖先是新疆野蘋(píng)果，歐洲的森林蘋(píng)果作為重要的基因貢獻者與現代蘋(píng)果之間存在大規?；驖B透。
1.實(shí)驗設計
由中國大陸沿著(zhù)絲綢之路包括亞洲、歐洲、美洲等廣大范圍內采集分屬24個(gè)種的117份蘋(píng)果種質(zhì)資源，其中：
1. 全基因組重測序、SNP基因型鑒定及群體遺傳學(xué)分析
35份綿蘋(píng)果(接穗*24份和砧木品種*11份)、10份歐洲森林蘋(píng)果、 29份新疆塞威士蘋(píng)果、 9份八棱海棠、6份山荊子、4份花紅、4份湖北海棠和20份野生種質(zhì)；
2. RNA-seq測序和差異表達分析
果實(shí)發(fā)育過(guò)程中5個(gè)時(shí)期的樣本（分別是開(kāi)花后18天、37 天、67 天、90 天、132 天）。
2.研究結果
1.基因組重測序結果
對117份蘋(píng)果品種進(jìn)行基因組重測序，共產(chǎn)生1060Gb高質(zhì)量clean reads,平均每個(gè)樣本9.06Gb，深度12.2。共得到7,218,060個(gè)SNPs，431,597個(gè)indels。隨機選擇958個(gè)SNP位點(diǎn)進(jìn)行聚合酶鏈式反應（PCR）擴增和Sanger測序， 準確率高達（98.1％）。
2.117個(gè)馴化和野生蘋(píng)果的群體結構分析
a 梨作為外群，用SNPs構建野生種和栽培種的NJ系統發(fā)育樹(shù)；
新疆塞威士蘋(píng)果是綿蘋(píng)果和歐洲森林蘋(píng)果的祖先，野生種起源于北美，跟梨很近，其次是亞洲野生物種。
b 主成成分分析（PCA）結果跟系統發(fā)生樹(shù)一致；
即綿蘋(píng)果, 新疆塞威士蘋(píng)果, 和歐洲森林蘋(píng)果種質(zhì)形成密切相關(guān)的簇，與其他野生種分開(kāi)。
c 基于貝葉斯聚類(lèi)算法與混合模型來(lái)估計每個(gè)種質(zhì)的祖先比例。
每種顏色代表一個(gè)祖先背景, ΔK分析表明K=5是分群。當K=3時(shí)，綿蘋(píng)果和它的近緣種、新疆塞威士蘋(píng)果和歐洲森林蘋(píng)果，與其他野生種明顯分離，支持了馴化蘋(píng)果的進(jìn)化歷史；隨著(zhù)K從4到5，兩個(gè)新的亞群體在野生種出現，而不是出現在新疆塞威士蘋(píng)果和歐洲森林蘋(píng)果中，表明它們與馴化蘋(píng)果之間具有更高的多樣性和更遠的遺傳距離。
3.蘋(píng)果進(jìn)化地圖構建
a 根據群體結構分群結果，提出一個(gè)橫跨歐亞大陸的蘋(píng)果進(jìn)化圖；
綿蘋(píng)果(2.20?×?10-3)的全基因核苷酸多態(tài)性（Π）比哈薩克斯坦野蘋(píng)果(2.35?×?10-3),歐洲森林蘋(píng)果(2.55?×?10-3)和野生亞種 (4.26?×?10-3)低，其中新疆塞威士蘋(píng)果(1.30?×?10-3)是最低的。綿蘋(píng)果和它的祖先新疆塞威士蘋(píng)果有相同水平的核苷酸多態(tài)性，表明了其瓶頸非常薄弱。
b 對每組的連鎖不平衡（LD）分析進(jìn)一步支持了一個(gè)非常弱而幾乎檢測不到的馴化瓶頸；
c 成對Fst矩陣的多維縮放（MDS）圖；
每組之間的歐氏距離顯著(zhù)地代表了相應的Fst值。
d 接穗和砧木品種的主要等位基因從哈薩克斯坦野生蘋(píng)果和歐洲森林蘋(píng)果中獲得。
4.馴化蘋(píng)果的差異化選擇分析
a 綿蘋(píng)果和新疆塞威士蘋(píng)果的選擇性清除分析；
b 綿蘋(píng)果和歐洲森林蘋(píng)果的選擇性清除分析；
對性狀果實(shí)酸度（A），顏色（C），硬度（F），激素（H），可溶性糖（S）和次生代謝產(chǎn)物（M）進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，把關(guān)鍵功能性酶基因標記在點(diǎn)峰之上，紅色垂直框表示選擇性清除分析的性狀，藍色框和黃色框表示性狀關(guān)聯(lián)到區域的GO富集，對兩個(gè)分組進(jìn)行比較。
5.蘋(píng)果馴化前和馴化期間果實(shí)增大
在果實(shí)大小進(jìn)化方面，該研究首次提出了二步馴化模型。在遺傳背景方面，研究表明，由于蘋(píng)果的自交不親和特性、歐洲森林蘋(píng)果等多種源基因的大規模滲透，導致栽培蘋(píng)果雖經(jīng)幾千年人為馴化但并不存在育種的“基因瓶頸”，具有良好的遺傳多樣性及育種潛力。
a 馴化清除分析潛在的蘋(píng)果果實(shí)大小的QTLs；
在fw1和fw2的兩個(gè)果實(shí)重量的物理間隔（橙色框）內，顯示了XP-CLR得分的分布。選擇性清除用紅色標記，基因標記在峰值之上。
b 具有大果實(shí)的綿蘋(píng)果和具有非常小的果實(shí)的其他野生種之間，MiRNA172g/miRNA172h和兩個(gè)靶基因包含高度不同的SNPs；
c 蘋(píng)果果實(shí)大小的兩步演變示意圖。
6.蘋(píng)果馴化過(guò)程中果實(shí)硬度增大
a 綿蘋(píng)果來(lái)自新疆塞威士蘋(píng)果(Dom_SieK)在6號染色體選擇區域XP-CLR（跨種群復合似然比檢驗）得分分布與核苷酸多態(tài)性（π）分布關(guān)聯(lián)到果實(shí)硬度的關(guān)鍵基因；
b 綿蘋(píng)果來(lái)自新疆塞威士蘋(píng)果(Dom_SieK)在17號染色體選擇區域XP-CLR（跨種群復合似然比檢驗）得分和核苷酸多態(tài)性（π）分布關(guān)聯(lián)到果實(shí)硬度的關(guān)鍵基因；
c 綿蘋(píng)果來(lái)自歐洲森林蘋(píng)果Dom_syl)在12號染色體選擇區域XP-CLR（跨種群復合似然比檢驗）得分分布與核苷酸多態(tài)性（π）分布關(guān)聯(lián)到果實(shí)硬度的關(guān)鍵基因。
7.蘋(píng)果馴化過(guò)程中果實(shí)風(fēng)味更豐富
a 新疆塞威士蘋(píng)果的選擇性清除與山梨醇的QTL共定位；
b 歐洲森林蘋(píng)果中含有糖代謝的關(guān)鍵基因的馴化掃蕩；
c 綿蘋(píng)果（紅色），新疆塞威士蘋(píng)果（藍色）和歐洲森林蘋(píng)果（綠色）的Ma1基因核苷酸多樣性（π）分布；
d 新疆塞威士蘋(píng)果（藍色）和歐洲森林蘋(píng)果（綠色）馴化期間Ma1基因的選擇性清除，清除的區域用填充的框標記；
e 綿蘋(píng)果和新疆塞威士蘋(píng)果的Ma1基因Fst分布；
f 綿蘋(píng)果和歐洲森林蘋(píng)果的Ma1基因Fst分布。
參考文獻
Duan N, Bai Y, Sun H, et al. Genome re-sequencing reveals the history of apple and supports a two-stage model for fruit enlargement[J]. Nature communications, 2017, 8(1): 249.
基因組事業(yè)部 楊東曉 | 文案
唐 娟 | 審核
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