三种蓝莓物种的选择效应和全基因组复制(WGD)事件的分子足迹:通过转录组数据集

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三种蓝莓物种的选择效应和全基因组复制(WGD)事件的分子足迹:通过转录组数据集

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蓝莓品种间的遗传关系

阐明生物之间的遗传或系统发育关系对育种项目的亲本选择有很大的帮助[56].近30年来,RAPD、AFLP、SSR、SNP等分子标记在种内和种间个体系统发育关系研究中发挥了重要作用[57,58].在基因组时代,通过使用下一代高通量测序技术以前所未有的速度开发了大规模SNP数据[59,60],这使得SNP标记成为研究生物系统发育关系最常用和最方便的工具[61,62].除上述分子标记外,单拷贝同源基因也被认为是研究种内和种间二倍体或多倍体个体系统发育关系的优良标记[63,64].蓝莓品种来源复杂,系统发育关系的阐明对蓝莓种质资源的鉴定、保护和育种具有重要意义。以往的研究使用不同的分子标记,包括RAPD、SSR和SNP作为工具,构建不同遗传来源的蓝莓种质的系统发育关系[65,66,67,68,69].尽管蓝莓品种或育种材料来源不同,倍性水平不同,但SSR和SNPs标记似乎是区分和分类蓝莓品种的有效工具[65,67,69].本研究利用单拷贝核基因数据重建了三种蓝莓品种的系统发育关系,发现不同来源的蓝莓品种之间存在良好的分化和分组。

T1、T2、T3单拷贝基因的选择效应

全基因组复制事件在开花植物的进化过程中非常普遍[70].然而,一些基因在经历复制事件后会恢复到单拷贝状态,因为在下一次进化过程中,一个拷贝会由于遗传漂变或剂量敏感选择而在基因组中随机丢失[71,72].近年来,单拷贝的基因已经吸引了众多研究人员,因为在遗传学优秀的应用,例如,单拷贝基因是构建物种进化树[一个很好的分子工具73].逻辑上,如果没有重复复制,单拷贝的同源基因就可以视为同源基因,而同源基因不干扰进化分析,这使得单拷贝基因成为生物选择效应和物种形成的分子机制的值得研究的对象[27,34,36,55,64,73,74].在本研究中,我们也仅使用Ka/Ks方法检测单拷贝unigenes来识别选择效应的分子足迹。在进化遗传学中,Ks表示蛋白质编码基因的同义替代率,Ka表示蛋白质编码基因的非同义替代率。一般认为,同义突变不受自然选择的影响,而非同义突变则受自然选择的影响,其原因是编码蛋白中氨基酸组成的变化导致结构和功能的改变[75].嘉/ Ks的指示改变特定蛋白质的结构和不改变特定蛋白质的突变率,和值给出一个清晰的思路去判断整个密切相关,但分歧的物种同源蛋白质编码序列[进化动力学76,77].理论上认为Ka/Ks = 1表示中性进化下的蛋白编码基因,Ka/Ks > 1表示在直系进化中出现的非同义替换较多,说明基因是在正向选择下进化的。Ka/Ks 0.5基因结合Tajima’检验和Fu & Li’检验进行了适应性进化,因此Ka/Ks > 0.5的阈值一直被认为是正选择[78,79,80,81].在本研究中,我们按照之前的标准,设置1 > Ka/Ks > 0.5为弱阳性选择,Ka/Ks > 1为强阳性选择。我们还过滤了Ks值为> 0.1的候选直方图,因为它们可能是Zhang等人所描述的拟对数[78和周等人[82].结果表明,大多数单拷贝基因是通过中性模式进化的。部分单拷贝单基因发生了负选择,其数量远多于正选择(表S)2).这一结果说明蓝莓基因组中有害突变的发生频率高于有益突变。在发生正向选择效应的unigene0000660和T3-Unigene0000319同源基因中,我们鉴定了编码“抗病蛋白RPS2”的同源基因(T2-Unigene0000660和T3-Unigene0000319),该同源基因参与“植物-病原体互作(ko04626)”代谢通路(表S4).推测该同源基因为蓝莓品种的选育和改良及其生态适应提供了有益的候选基因。据我们所知,这是关于三个物种的蓝莓基因组或基因选择效应的首次报道。

蓝莓进化史上的全基因组复制

植物基因组学时代的到来揭示了WGD或多倍体在物种进化史上的重要性和普遍性[83],因为利用Ks年龄分布分析、基因组内与基因组间共线区域的检测与比较分析、基于高通量基因组数据构建分子系统发育树等方法,可以方便、准确地重建古WGD事件[84].Ks年龄分布分析具有计算成本相对较低、适用于有限的副组(例如基于EST收集)、不需要副组位置信息等优点,常用于WGD事件的检测[85]因此,在本研究中,我们还使用Ks年龄分布分析来推断T1、T2和T3进化史中的WGD事件。

Ren et al. (2018) [35]利用不同种子植物的105个基因组/转录组数据检测了广泛的WGD事件,包括诉corymbosum,得出WGDs普遍存在于物种丰富的真核生物谱系中。然而,他们没有发现WGD事件诉corymbosum根据转录组数据。诉corymbosum(T2)为多倍体物种,T1和T3为多倍体物种[40],因此应检测T1、T2和T3进化史中最近或新的WGD事件。Colle等人(2019年)[49推断最近的一次多倍体化事件发生在诉corymbosum根据高丛蓝莓同源体之间的Ks差异和4个单倍型之间的配对LTR差异0.18-0.20%,推测在大约69 - 7.7万年前。然而,这种多倍体化现象是否为其他蓝莓物种所共有还不清楚。在本研究中,尽管三种蓝莓不同转录组的Ks年龄分布直方图并不完全一致,但我们在三种蓝莓中检测到三个显著的正态分布峰。根据正态分布曲线拟合,T1、T2、T3第一个峰的中位Ks值和标准差基本相同,第二和第三个峰的趋势相似。因此,根据T1、T2和T3各副对数数据集构建的Ks年龄分布直方图,我们推断蓝莓物种进化史上至少发生了3轮WGD事件。最近WGD事件发生大约904万年前被发现前三个蓝莓物种分化,甚至可能Cyanococcus分化之前的部分,其中包括大约20个物种和它们中的大多数都是多倍体,因为所有三个WGD事件共享的三个物种,而这次WGD事件可能在蓝球藻物种的形成和进化中发挥了重要作用。Vaccinium是物种丰富的属,由约450个物种组成[38].多倍体化事件是植物物种多样化的重要动态[11,86].因此,第二次WGD事件距今约4344万年,可能对属的形成有重要贡献Vaccinium.在本研究中,我们还发现了约1.1639亿年的古WGD事件,这与eudiicots共有的古六倍体化事件(γ)一致[86,87].三种蓝莓种与其他种的中位Ks值的差异可以解释为不同植物谱系间的替代率不同[86,88,89].该结果为蓝莓物种历史上发生的三轮WGD事件提供了清晰的分子足迹,有助于理解蓝莓物种甚至杜鹃花科系复杂进化的分子机制。



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