|
英文題目：Multiply to conquer: Copy number variations at Ppd-B1 and Vrn-A1 facilitate global adaptation in wheat 期刊名：BMC Genetics 發(fā)表日期: 2015年12月 研究背景： 過去幾十年QTL定位研究表明作物的重要農(nóng)藝性狀變化很大程度上受DNA多態(tài)性控制。由于現(xiàn)有的基因分型技術(shù)，這些研究幾乎都是基于SNP與小的插入缺失。然而目前DNA拷貝數(shù)變異（CNV）能影響人的表型并且與疾病相關(guān)。然而在農(nóng)作物中，關(guān)于某個(gè)特定座位不同拷貝數(shù)的頻率，它們的地理分布以及它們對表型變異的作用仍然是不清楚的。CNV是指與參考基因組比較，1 kb-1Mb的DNA片段的缺失、插入、重復(fù)等。大部分的CNV發(fā)生在基因間區(qū)，但是也發(fā)生在基因編碼區(qū)，這些調(diào)控元件或功能區(qū)的CNV反過來會(huì)改變這些基因的表達(dá)水平。大麥的研究表明，硼轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的拷貝數(shù)增加能夠增強(qiáng)對硼毒性的耐受性。在大豆中，包含rhg1位點(diǎn)基因組片段的CNV與大豆胞囊線蟲病的抗性有關(guān)。然而相對于人類，關(guān)于CNV對作物農(nóng)藝性狀影響的研究才剛剛開始。 CNV對作物重要性狀影響的一個(gè)重要例子就是小麥開花時(shí)間。開花時(shí)間的變化是由光周期相關(guān)基因Ppd-1和春化相關(guān)基因Vrn-1決定的，它們都在春化過程（一，二年生的植物，經(jīng)過低溫處理后，才能從營養(yǎng)生長階段過渡到生殖生長階段的現(xiàn)象）中被上調(diào)表達(dá)。Ppd-1在小麥B，D基因組上的同源基因分別是Ppd-B1和Ppd-D1，它們是小麥最重要的光合調(diào)節(jié)因子。Ppd-B1被證明存在不同的拷貝數(shù)，從而能改變光周期敏感性：當(dāng)Ppd-B1有1個(gè)拷貝時(shí)小麥?zhǔn)峭黹_花；當(dāng)有2-4拷貝時(shí)小麥能早開花，然而這個(gè)研究是基于來自溫室的表型數(shù)據(jù)，并且品種數(shù)量比較受限。后來有兩個(gè)研究又在田間的更多品種中調(diào)查了Ppd-B1的CNV，結(jié)果都發(fā)現(xiàn)在澳大利亞小麥和歐洲小麥中存在不同的CNV并且報(bào)道了Ppd-B1的CNV對開花早晚的影響。研究發(fā)現(xiàn)春化相關(guān)基因Vrn-1拷貝數(shù)增加能延遲開花。然而目前關(guān)于這兩個(gè)基因不同拷貝數(shù)的頻率和不同拷貝數(shù)對不同起源小麥的影響仍然是未知的。因此本文想解決的問題是：（1）調(diào)查全球1110個(gè)冬小麥品種Ppd-B1 ，Vrn-A1不同拷貝數(shù)形式的地理分布，頻率和系統(tǒng)發(fā)育起源；（2）評估Ppd-B1 ，Vrn-A1的不同拷貝數(shù)形式對開花時(shí)間的影響。 研究材料：世界范圍內(nèi)的1110個(gè)冬小麥品種； 技術(shù)平臺(tái)：
Ppd-B1 和Vrn-A1的拷貝數(shù)檢測 這項(xiàng)研究基于世界范圍內(nèi)的1110個(gè)冬小麥品種，但是主要關(guān)注歐洲品種（Table 1）。 Ppd-B1的拷貝數(shù)有3種：1個(gè), 2個(gè)和3個(gè)拷貝（Table 1）。波蘭注冊的品種‘Naridana’的Ppd-B1發(fā)現(xiàn)根本沒有任何拷貝，大部分品種的Ppd-B1只有1個(gè)拷貝（90.6 %）；只有一少部分品種有2個(gè)（5.1 %）或3個(gè)拷貝（4.1 %）。
Table 1 Ppd-B1不同拷貝數(shù)形式對田間條件下小麥抽穗時(shí)間（HD）的影響 。
 分析發(fā)現(xiàn)Vrn-A1的拷貝數(shù)有4種：1個(gè), 2個(gè)，3，4個(gè)拷貝（有3個(gè)品種的Vrn-A1拷貝數(shù)是4個(gè)，這3個(gè)品種分別是‘Valentina’，‘Lai Yang Qiu’和‘Chozo Mestnaja’）（Fig. 1a） 。對于Vrn-A1，7.0 %的小麥品種有1個(gè)拷貝；48.3 %的小麥品種有2個(gè)拷貝；44.4 %的小麥品種有3個(gè)拷貝；0.3%的小麥品種有4個(gè)拷貝。 
Fig. 1 不同拷貝數(shù)形式以及它們在世界小麥范圍內(nèi)的分布。a Vrn-A1的不同拷貝數(shù)。每個(gè)品種8個(gè)重復(fù)計(jì)算其平均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差。b 1110個(gè)小麥品種的遺傳關(guān)系以及它們在基因座位Ppd-B1，Vrn-A1的拷貝數(shù)。 3個(gè)小麥品種的Vrn-A1攜帶4個(gè)拷貝（箭頭標(biāo)示）。
Ppd-B1，Vrn-A1不同拷貝數(shù)形式的系統(tǒng)發(fā)育分析為了評估Ppd-B1，Vrn-A1的CNV與它們可能的地理起源的關(guān)系，利用簡化基因組測序（GBS）得到的全基因組標(biāo)記數(shù)據(jù)來評估1110個(gè)小麥品種的遺傳關(guān)系并且把得到的進(jìn)化樹和所有個(gè)體的Ppd-B1，Vrn-A1的CNV結(jié)合起來（Fig. 1b）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)Ppd-B1的3拷貝數(shù)形式主要集中在中國小麥品種中；而2拷貝形式存在于相對親緣關(guān)系較近的群中，但是在系統(tǒng)樹的其它群中也存在。同樣，Vrn-A1的相同拷貝數(shù)形式主要存在于相對親緣關(guān)系較近的群中。 評估Ppd-B1，Vrn-A1不同拷貝數(shù)形式在不同地理區(qū)域的頻率 接著對這些已知地理起源品種中Ppd-B1，Vrn-A1不同拷貝數(shù)形式的頻率進(jìn)行了評估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Ppd-B1，Vrn-A1在不同地理區(qū)域有不同的頻率（Fig. 2）。在歐洲Ppd-B1主要是以1拷貝形式存在，只有歐洲北部和中部國家的極少數(shù)品種攜帶多拷貝數(shù)，例如法國（FR）有些品種有2個(gè)拷貝；意大利（IT）和巴爾干地區(qū)前南斯拉夫（YUG）品種則具有2個(gè)或3個(gè)拷貝。美國（US）品種的Ppd-B1拷貝數(shù)頻率與南歐地區(qū)類似，主要以1個(gè)拷貝形式存在；而超過半數(shù)的中國（CN）和澳大利亞品種（AU）的Ppd-B1拷貝數(shù)大于1，中國品種主要以3個(gè)拷貝形式存在。 類似的頻率也在發(fā)生在Vrn-A1上（Fig. 2）。在歐洲，多拷貝數(shù)形式的分布反映了小麥起源國家的氣候條件。北歐國家瑞典和丹麥以及有更多大陸性氣候國家（如德國DE、波蘭PL、奧地利AT、前捷克斯洛伐克CSK）小麥品種的Vrn-A1主要以3拷貝形式存在；荷蘭（NL）、比利時(shí)（BE）、英國（GB）、法國（FR）品種的Vrn-A1主要以2拷貝形式存在；1拷貝形式主要存在于南歐品種；中國（CN）和美國（US）品種的Vrn-A1主要以3拷貝形式存在，也有一定數(shù)量的中國品種以1拷貝形式存在。 
Fig. 2 Ppd-B1和Vrn-A1不同拷貝數(shù)形式的地理分布。
分析Ppd-B1和Vrn-A1不同拷貝數(shù)形式在不同時(shí)間的分布接著分析了不同拷貝數(shù)形式在不同時(shí)期的頻率（以品種的注冊時(shí)期為參考）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)本次研究中的最老品種（1960年）存在所有拷貝數(shù)形式，這些拷貝數(shù)形式隨著時(shí)間變化不大（Fig. 3）。 
Fig. 3 在不同時(shí)期注冊的1110個(gè)冬小麥品種中分析了Ppd-B1和Vrn-A1不同拷貝數(shù)形式的時(shí)間分布。
評估Ppd-B1 ，Vrn-A1的不同拷貝數(shù)形式對開花時(shí)間的影響為了評估Ppd-B1，Vrn-A1不同拷貝數(shù)形式對田間條件下小麥抽穗期（抽穗期標(biāo)志著由營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)向生殖生長，如開花）的影響，使用多點(diǎn)田間試驗(yàn)對1110種小麥品種進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Ppd-B1拷貝數(shù)越多小麥越提前抽穗開花 （Table 1）。在評估Ppd-B1拷貝數(shù)變異作用效果時(shí)也對Ppd-D1進(jìn)行了分型用來解釋這個(gè)光周期主要調(diào)控因子的作用。在這1110個(gè)小麥品種中，Ppd-D1CNV能解釋基因型差異（pG ）的48.2 %，而Ppd-B1的CNV能解釋基因型差異（pG ）的8.3 %。在歐洲（EU）品種中，Ppd-D1的CNV能解釋基因型差異的38.7 %，而Ppd-B1的CNV僅能解釋基因型差異的2.6 %。這個(gè)差異可以通過Ppd-D1和Ppd-B1在不同歐洲國家的顯著變化來解釋：Ppd-D1解釋法國（FR）和意大利（IT）品種中基因型差異的比例最高，而Ppd-B1解釋荷蘭（NL）和比利時(shí)（BE）品種中基因型差異的比例最高。Vrn-A1不同拷貝數(shù)形式對小麥抽穗期影響的分析結(jié)果表明美國，荷蘭品種Vrn-A1的CNV能分別解釋基因型差異的22.6 %和9.0 %，美國品種Vrn-A1的拷貝數(shù)增加能延遲抽穗開花，而荷蘭品種Vrn-A1的拷貝數(shù)增加能促進(jìn)抽穗開花。
Table 1 Ppd-B1不同拷貝數(shù)形式對田間條件下小麥抽穗時(shí)間（HD）的影響 。
平均抽穗時(shí)間 ± 標(biāo)準(zhǔn)差；能解釋基因型差異的比例 （pG in %） ；等位基因替換對基因型的作用效果（α） ；CNV對基因型的作用效果（CNV）。AT：奧地利； BE：比利時(shí)；CN：中國； CSK：前捷克斯洛伐克；DE ：德國； DK：丹麥；EU：歐洲； FR：法國；GB：英國； IT：意大利； NL：荷蘭；PL：波蘭； SE：瑞典；US：美國； YUG：前南斯拉夫
|
