Horticulture Research | 基因组变异揭示了莲花的种群历史和生物适应性
莲是一种孑遗植物，起源于距今1.4亿年前的白垩纪，是莲科唯一的属，其具有很高的观赏、文学、药用和生产价值，目前广泛分布于亚洲、大洋洲和美洲，存在2000多个种，而在中国有超过7000年的驯化历史。目前对莲的研究集中于产量及观赏价值，对其种群历史以及与灭绝和适应相关的进化问题研究很少。
2022年武汉大学生命科学学院与广昌白莲花研究中心合作，在《Horticulture Research》上发表了“Genomic variation reveals demographic history and biological adaptation of the ancient relictual, lotus (Nelumbo Adans.)”。该论文组装了高质量的‘太空莲3号’基因组，研究了莲突变积累系（MA）的基因组变异，并基于野莲资源的重测序数据重建了野莲群体历史，探讨了野莲迁徙的历史路径及亚洲野莲的受选择分析。
本文的研究数据来自于两种材料，一个是课题组种植的突变积累系，同一个L0分芽后无性繁殖6年，取叶片用于测序，选择其中的L3进行基因组组装；另外公共数据库中美国、东南亚和中国的32个野生莲种质被用于进行群体研究。
图1 突变积累系材料培养过程
1. 基因组组装
作者组装了一个大小为807.01Mb的‘太空莲3号’，BUSCO显示胚胎植物基因中有94.24%可以被完整找到；LAI（长末端重复序列组装指数）为10.26，说明组装达到参考基因组水平。一共注释到28274个基因，其中97.71%位于染色体上。
图2 基因组全景图
由外至内分别是：a.染色体长度标尺；b. Gene密度；c. GC%；d. 转座子(TE)；e. 反转录转座子(RT)；f. LTR-RT；g. SNP；h. InDel；i. 共线性。
2. 体细胞突变分析
以高质量的太空莲3号基因组为参考基因组，对8个突变累积系的变异进行分析和验证，在每个突变累积系中累积的突变的数量在3和9之间，通过公式:
估算出莲的干细胞突变率为1.4e-9/代/碱基。8个突变累积系共产生了43个遗传下来的SNP，它们在染色体上的分布不均匀，38个发生在基因间区域，4个发生在内含子，1个发生在编码序列区域，且65%为G:C → A:T型（图3）。该结果有助于阐明干细胞遗传稳定程度、克隆植物遗传多样性的形成、体细胞突变的累积可能产生的生态与进化适应性等问题；同时，也为莲的品种繁育及提纯复壮提供了理论依据和参考。
图3. 积累SNP统计
3. 种群演化与生物适应性分析
根据地理位置，野生莲花被分成了泰国莲、云南莲、长江黄河流域莲和东北莲。其中泰国莲花被认为是热带莲，中国区域的是温带莲。群体历史分析（图4左）显示莲花经历过两个瓶颈期，分别在100万和10万年前；热带莲和温带莲群体64万年前与共同祖先发生分化之后仍存在基因流。同时作者根据Fst和θπ鉴定候选区域（图4右）。热带和温带莲之间存在453个分化的基因，温带莲的两个亚群之间存在410个这样的基因，这些基因进行功能富集后发现有许多与环境差异相关。
图4 种群演化与生物适应性分析
论文链接：https://academic.oup.com/hr/article/doi/10.1093/hr/uhac029/6532238
- 发表于 2023-09-28 16:32
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- 分类：文献解读
