原创解读| 基因流动和染色体重排在面包小麦基因组形成中起着重要作用

2021年2月3日，英国布里斯托大学Alexandra M. Przewieslik-Allen团队和利物浦大学、诺丁汉大学、JIC中心等单位合作在Nature Plants上在线发表了题为“The role of gene flow and chromosomal instability in shaping the bread wheat genome”的研究论文，揭示了基因流动和染色体重排对小麦品种遗传多样性塑造的重要作用，并评估了基因渗入对未来小麦育种策略的影响。 

 普通小麦（Triticum aestivum）是世界重要主粮作物之一，拥有三个不同的基因组A、B和D，是一个异源六倍体。在约一万年前，通过二倍体节节麦（DD）和四倍体硬粒小麦（AABB）自然杂交形成。由于参与最初杂交的个体数量有限，再加上随后的近亲繁殖，使得其遗传多样性水平显著降低，尤其是在D基因组中，这极大地限制了育种家培育优良新品种的能力。

在育种中，作为六倍体面包小麦初级基因库成员的四倍体品种，仍然是遗传多样性的重要来源，其与面包小麦杂交相对容易。当然，第二和第三基因库的成员也对面包小麦基因组的多样性做出了贡献。例如，黑麦1R染色体短臂与小麦1B染色体长臂的易位，其在20世纪20年代的几个育种项目中独立发生，被认为是六倍体面包小麦中最成功的外来渗入。还有一些渗入涉及Aegilops ventricosa 7D染色体；小麦品系Robigus及其子代中含有野生二粒小麦遗传资源的渗入。此外，通过二倍体和四倍体杂交创造人工合成的六倍体小麦是全球育种计划中增加D-基因组多样性的另一种渗入。作者基于小麦-山羊草多个物种的高密度（HD）分子标记芯片，对面包小麦及其近缘种间的基因流动进行了全面研究。

首先作者利用Axiom 820k高密度分子标记芯片对471份材料（358个六倍体小麦品系和113个近缘物种）进行了筛选，六倍体小麦的call rates平均为98.5%（95.5%-99.3%），而小麦近缘种则为93.5%（82.5%-98.5%）。超过80%（657217）的多态性SNPs在IWGSC组装的基因组上有明确的位置，其在着丝粒周围的数量有所下降，这是由该芯片上的多态性SNP位点衍生于外显子造成的（图1）。

图1. SNPs在IWGSC v0.4组装染色体上的定位

然后作者对传统的和现代的六倍体小麦进行了多样性分析，基于注册时间和育种方法将分析的材料分为5个集合，合成的六倍体小麦在三个基因组均展示了最高的遗传多样性（图2）。在传统育种的品种中，collection 1（1790-1930）的遗传多样性水平最高，其次是collection 3（1966-1985）、collection 4（1986-2015）和collection 2（1930-1965）。在这些集合中，B基因组的遗传多样性最高，而D基因组的遗传多样性最低。相比之下，在人工合成的材料中，D基因组的多样性最高。随后作者又进一步分析了五个collections各单条染色体的遗传多样性并做了PCA分析，发现每条染色体的聚类模式是不同的，表明这些材料存在不同的历史相关性（图3）。

图2. collection 1-collection 5小麦的遗传多样性

图3. 六倍体小麦单条染色体PCA分析

在主成分分析时，作者发现有的品系是孤立的，有的又以小的亚群聚在一起，且这些亚群往往属于同一个集合。鉴于此，作者对偏离主成分分析的九个材料做了基因组荧光原位杂交分析，发现品系Russet、SoGood、Diablo、Atou和Gondola中存在小片段的染色体重排，品系Watkins 816和CIMCOG 59在植株间存在染色体数目变异（表1，图4）。作者认为这种大规模的基因组重排及缺失是导致PCA中出现以上现象的主要原因。

表1. 偏离主成分分析的品系

图4. GISH分析a：Russet；b：Diablo

随后，作者利用高密度分子标记芯片筛选了113个小麦近缘品种，从一级、二级和三级基因库层面分析了小麦近缘种的基因渗入情况，发现各群体和各染色体在渗入片段大小和区域上存在很大差异（图5）。和Collection 1相比，Collection 2、3和4基因渗入较少。在Collection 4中，B基因组的平均渐渗片段为80.7Mbp，明显高于A基因组的36.5Mbp。与之相反，Collection 1中A基因组平均渐渗片段（83.1Mbp）则高于B基因组（65.0Mbp）。作者还发现不同时期小麦品种间的渐渗模式存在明显差异，在所有二级和三级基因库中，Collection3和Collection 4始终具有最大的平均总渗入（图6）。在1960年以前培育的材料中六倍体和四倍体基因流动呈增加的趋势，而在1960年以后的材料出现了更多的外来渗入，这反映了自绿色革命60年来育种家对基因库使用的变化。 

 图5. 各群体中每条染色体所渐渗的最大片段热图

图6. 基于预测的小麦近缘种供体，各群体平均渐渗片段大小

蓝色：Collection 1；黄色：Collection 2；绿色：Collection 3；橘色：Collection 4；灰色：Collection 5

作者利用单核苷酸多态性标记对近150年来45个近缘种的面包小麦种质资源进行了比较，探讨了小麦近缘种对面包小麦遗传多样性的贡献。研究表明，许多面包小麦品种与小麦的二倍体和四倍体祖先的近亲具有几乎相同的单倍型，而一些品种则表现出来自更远物种的基因渗入和种间结构变异。因此，基因渐渗和染色体重排在品种遗传多样性方面起着重要作用。由于基因从近亲流向面包小麦是一个持续的过程，作者评估了基因渗入可能对未来育种策略的影响，并创建了一个交互网站，可用于查看结果。 

原文链接：

https://www./articles/s41477-020-00845-2