以色列卡梅尔山“进化峡谷”野生二粒小麦的群体进化研究

摘要

小麦是世界上重要的粮食作物，在距今10000年前由新石器时代的人类对其野生祖先进行驯化产生。小麦起源于中东的“新月沃地”，即目前以色列和土耳其等国境内。野生二粒小麦是普通小麦A、B基因组的供体物种，含有许多可以直接应用于小麦改良的优异基因，包括控制抗病、抗逆、优质及多分蘖等优良性状的基因，是改良普通小麦的优异基因库。小麦野生近缘种的优异基因导入小麦是提高小麦育种水平的重要基础。 位于以色列卡梅尔山的“进化峡谷”蕴含丰富的麦类作物野生资源，是种质资源发掘和研究物种在微环境下进化的天然实验室。尽管峡谷向南向北的两坡水平距离相距仅200米，但本课题组发现峡谷不同坡的野生二粒小麦群体已经分别针对抗白粉病及干旱胁迫产生了适应性的进化。为了揭示其进化机制，本研究首先利用高通量小麦55K SNP芯片对“进化峡谷”和来源于以色列、土耳其、叙利亚、黎巴嫩等国境内的168份四倍体小麦种质材料进行群体结构分析，明确了梅尔山“进化峡谷”野生二粒小麦群体的唯一进化来源。在此研究基础上，从群体遗传学的角度分析了卡梅尔山“进化峡谷”野生二粒的群体演化史、分化时间、分化指数、基因交流、以及受到选择的基因等，进一步揭示了卡梅尔山“进化峡谷”材料中的进化机制，具体结果如下： 1)借助高通量小麦55K SNP芯片，对来源于“进化峡谷”和以色列、土耳其、叙利亚、黎巴嫩等国境内的168份四倍体小麦种质材料进行群体多样性分析。系统进化树、群体结构和主成分分析结果同时表明，来源于“进化峡谷”的38份野生二粒小麦与小麦起源中心的其他130份四倍体材料相比，进化方向是相对独立的，在峡谷特殊的微环境下向南、向北两坡的材料聚类为不同的分支且拥有共同的祖先。 2)对来源“进化峡谷”的野生二粒小麦进行全基因组重测序，对其进行群体进化分析，发现在距今一万年前，“进化峡谷”的材料为同一种群，该种群在近三千年间因有效群体数量逐渐减少，产生种群瓶颈效应，进而产生了遗传漂变现象。 3)为了探究群体分化后对环境适应性产生的原因，利用全基因组选择与差异转录组分析的方法，挖掘了野生二粒小麦对环境适应性进化过程中的受到选择位点和基因，进一步通过对候选基因的功能富集分析，得到氧化还原过程(oxidation-reduction proces)，氧化还原酶类反应(oxidoreductaseactivity)，过氧化物酶反应(peroxidase activity)等氧化还原反应相关的生物学代谢通路。

目录

声明

符号说明

1 前言

1.1 “进化峡谷”是研究微进化天然实验室

1.2 野生二粒小麦在ECI进化出适应性

1.3 高通量测序技术研究进展

1.3.1 第一代DNA测序技术

1.3.2 第二代DNA测序技术

1.3.3 第三代DNA测序技术

1.3.4 全基因组重测序技术

1.4 小麦族的全基因组测序的研究进展

1.5 原理概述

1.5.1 系统进化树概述

1.5.2 群体主成分分析概述

1.5.3 有效群体大小概述

1.5.4 选择消除分析概述

1.5.5 群体多样性概述

1.5.6 GO富集原理概述

1.6 本研究的目的意义

2材料与方法

2.1 试验材料

2.2 样品提取

2.2.1 植物基因组总DNA提取与建库测序

2.2.2 小麦55K芯片检测

2.3 全基因组重测序数据过滤、基因组比对及SNP鉴定

2.3.1 数据过滤

2.3.2 基因组比对数据比对

2.3.3 SNP鉴定

2.3.4 基因组变异的功能注释

2.4 进化树及血缘关系分析

2.5 群体主成分分析

2.6 有效群体大小分析

2.7 群体结构分析

2.8 选择消除分析

2.9 群体多样性分析

2.10 RNA-seq

2.10.1 总RNA提取与检测

2.10.2 RNA-seq分析

2.10.3 序列比对

2.10.4 表达与定量

2.10.5 RNA-seq相关性分析

2.10.6 差异表达分析

2.11 基因功能富集分析

3 结果与分析

3.1 野生二粒小麦材料芯片数据的遗传结构分析

3.1.1 芯片数据的群体进化树

3.1.2 芯片数据的群体遗传结构

3.2 “进化峡谷”材料重测序分析

3.2.1 重测序数据的比对统计结果

3.2.2 SNP的统计分析

3.2.3 SNP的注释

3.2.4 重测序数据的进化树与主成分分析

3.3 种群进化历史与群体分化

3.3.1 种群历史动态

3.3.2 基因交流分析

3.3.3 SFS1与其他亚群形成后合子生殖隔离

3.4 群体选择信号分析

3.4.1 Fst分化指数分析

3.4.2 XP-CLR选择性清除分析

3.4.3 选择性清除分析候选基因富集分析

3.5 转录组数据分析

3.5.1 转录组数据质控

3.5.2 转录组数据比对

3.5.3 表达定量分析

3.5.4 相关性分析

3.5.5 基因差异表达分析

3.5.6 GO富集分析

4 讨论

4.1 生态选择压驱动同域物种形成

4.2 自然界中同域物种形成

4.3 群体间发生分化的外部条件

4.4 群体间发生分化的内在因素

4.5 遗传漂变是全基因组快速进化或生殖隔离产生的副产品

5 结论

5.1 “进化峡谷”的野生二粒小麦群体来源于同一祖先

5.2 群体最初分化的主要因素

5.2 基因组水平上的选择信号

参考文献

致谢