Advanced Science |GWAS分析揭示广东桑关键农艺性状的遗传基础

桑树是养蚕和传统医药中重要的经济植物。然而，桑树的遗传和进化史在很大程度上仍然是未知的。

近期，发表在Advanced Science（IF=17.5）上的文章“Genomic Resequencing Unravels the Genetic Basis of Domestication, Expansion, and Trait Improvement in Morus Atropurpurea”，对中国南方的广东桑（Morus Atropurpurea）进行了染色体基因组的组装，并进行了群体基因组分析，解释了桑树驯化、扩张和性状改良的遗传基础。

技术方法概述

本研究采用高通量测序技术对我国南方地区两个广东桑优良品种（即雄株品种“Huiqiu1”和雌株品种“Tang10”）构建了染色体级别的高质量基因组，并将其作为参考基因组，对425份不同地理区域的桑树材料进行了群体重测序分析。

主要结果

1、广东桑染色体级别基因组以及比较基因组

本研究基于Illumina HiSeq、PacBio和高通量染色质构象捕获（Hi-C）技术进行全基因组测序组装得到了广州桑（Morus Atropurpurea）染色体级别基因组，从雄株品种“Huiqiu1”中分别获得了两个单倍型（305.25和310.49 Mb）的组装基因组，其scaffold N50分别为20.47和21.53 Mb。而从雌株品种“Tang10”中获得了328.97 Mb的组装基因组，scaffold N50为21.53 Mb。基于分子年代测定的系统发育树和基因家族的扩张和收缩分析结果表明，M. atropurpurea和M. alba与两者的最近共同祖先在14.8个百万年前分化，M. atropurpurea和M. alba在5.8个百万年前发生分化；在M. atropurpurea发现272个基因家族经历了扩张，1213个基因家族经历了收缩（图1c）。

表1 广州桑（Morus Atropurpurea）染色体级别基因组组装信息

图1 “Huiqiu1”基因组的De novo组装和基因家族的扩张和收缩

2、桑树群体遗传分析

对425桑树材料进行群体重测序，共鉴定到2,375,117个高质量的SNPs以及934,187个InDels。系统发育树将425份材料分为了5个不同的遗传类群，同时structure分析结果显示，当K=5时，群体遗传差异与主成分分析（PCA）结果一致，分为5个亚群，各群体均明显分离，支持了系统发育树的结果（图2）。

根据品种的地理来源和系统发育树，所有桑树品种都形成了一个单系群，是从野生桑树驯化而来（图2a）。桑树的驯化迁徙路径初步推断为两条：一条是从中国南部迁移到东南亚，另一条是从中国中南部迁移到东亚、欧洲和美洲（图3）。F3和ABBA-BABA统计数据发现不同桑树种和群体间存在广泛的基因流动（图3c），表明种间和种内基因渐渗频繁，这可能是桑树驯化栽培过程中的历史种质交换造成的。为深入研究桑树种群的规模，研究人员使用PSMC和SMC++分析检验了桑树的有效种群大小（Ne）。这两种方法均检测到种群规模下降的趋势，并且显示出MM和MA的Ne与M. atropurpurea（Landrace1，Landrace2和MECMA）相比较低（图3d）。

图2 425份重测序桑树材料的系统发育关系和群体结构

图3 桑树的进化历史

3、关键农艺性状的遗传基础

叶片品质和生物量是家蚕饲料和蚕丝生产的重要农艺性状。与Landrace1和Landrace2相比，优良栽培桑树（MECMA）的叶的大小和重量更大（图4a、b）。为了检测控制桑树叶片大小和生物量的基因组位点，研究评估了极大叶片和小叶片品种之间以及Landrace1和MECMA类群之间的遗传差异。基于GWAS分析本研究确定了调控桑树叶子尺寸调控的关键候选基因MaBXY5（位于7号染色体）以及与开花时间性状关联的关键候选基因MaERF110（位于5号染色体上）。同时，研究还鉴定出位于6号染色体的性别决定区，并分析了该区域的基因组结构和进化。