【成功案例】百邁客助力芥菜研究新作

1.研究背景

異源多倍體芥菜(Brassica juncea L.)是蕓薹屬禹氏三角的重要組成部分,蕓薹屬包含多種菜用、油用和調味作物。芥菜在中國分部廣泛,具有長達6000–7000年的栽培時間。菜用芥菜不同的品種中可觀察到巨大的表型變異,根據食用的器官不同可分為葉型,莖型,根型等不同的變種。油用芥菜作為蕓薹屬三大食用油來源之一,主要分布在印度次大陸和中國西北地區。其在加拿大個澳大利亞作為油菜作物,同時在歐洲,中國和其它地區作為調味品作物。
大約在半個世紀前,科學家提出阿富汗及其毗鄰地區是是芥菜的主要起源中心,而小亞細亞半島,中國中西部和印度東部是次要的多樣性中心。后續的一些研究提出,芥菜根源于幾種基于細胞遺傳學和生物化學證據的獨立雜交。近期,通過油用芥菜的SSR研究分析表明,中國與印度分別是其多系起源于遺傳多樣性的中心。然而,還有一觀點認為中國是芥菜的主要起源中心,這一觀點被在中國的西北部發現了野生的蕪菁和黑芥,中國芥菜品種的豐富性和具長期栽培歷史的考古證據所支持的。在2016年,基于重測序技術的蕓薹屬作物A亞基因組的基因組學分析中發現了油用芥菜與菜用芥菜的單系起源。但是芥菜作物的系統發育進化史已有了數十年的爭議。

2.材料選擇

109份芥菜(來自中國,印度,澳大利亞和歐洲國家)自然群體,根據其農業上的用途,分為菜用芥菜和油用芥菜兩個群。

3.研究策略

測序平臺:illumina Hiseq 2000;
簡化基因組測序(SLAF-seq);
開發100000 SLAF標簽,利用170181 SNPs進行群體進化分析。

4.分析軟件

BWA,GATK和SAMtools;
MEGA 5.2,ADMIXTURE,EIGENSOFT;
RAxML v8.2.4;PAML v4.0

5.研究結果
研究結果一:群體分層分析

1. 系統發育樹構建
109份材料主要分為4個群,2個菜用芥菜群體和2個油用芥菜群體。來自中國的食用器官分別為葉(28份材料)和莖的材料(27份材料)構成了一個群體,稱為Vegetable (Leaf/Stem);來源于中國的15個根型芥菜聚類成一個獨立的群體,稱為Vegetable (Root)。油用芥菜中來自澳大利亞(9份材料),中國(7份材料)和歐洲(6份材料)形成一個群體,成為Oil (A,C,E);來自印度的共計14份材料聚為一個群體,稱為Oil (IN)。系統發育樹如下圖1。來自澳大利亞,中國西北部和歐洲國家的油用芥菜具有棕色或黃色的種子,而來自印度的油用芥菜的種子的顏色為淺棕色或深棕色。

圖1 109份芥菜系統發育樹

2. PCA主成分分析
利用主成分分析來評估遺傳變異,分析結果顯示主要分為4個群:Vegetable(Leaf/Stem),Vegetable (Root),Oil (IN)和Oil (A,C,E),該結果與系統發育樹結果一致。

圖2 109份芥菜的PCA主成分分析

3. 群體結構分析
群體結構分析結果顯示分為4個最優祖先群。

圖3 109份芥菜的群體結構分析(K=4)

研究結果二:芥菜不同群體分化時間的估算
研究中分析了菜用芥菜和油用芥菜的B亞基因組的SNP變異。研究結果顯示多態性的SNP大于B亞基因組中固定的SNP,這種模式與A亞基因組相似,支持了芥菜的單系起源問題。
研究中還發現了Vegetable (Root)型最先分化,然后是Oil (A,C,E),最后是Oil (IN) 與Vegetable (Leaf/Stem)的分化,并計算分化時間,分別是:0.067 Mya,0.065 Mya和0.032 Mya

圖4 芥菜不同群體的系統發育關系

研究結果三:芥菜起源地與馴化
研究中發現了Vegetable (Root)芥菜最早發生了分化,表明中國是芥菜的主要起源地和多樣性中心;同時發現了油用芥菜聚類為了2個群體:Oil (A,C,E)和Oil (IN),Vegetable (Leaf/Stem)型在Oil (IN)型中發生了分化,其分別在中國和印度進行種植,但分化時間遠遠晚于tVegetable (Root)型和Oil (A,C,E)型。這些研究結果表明:Vegetable (Leaf/Stem)行和Oil (IN)型在馴化中新形成的。

此篇文章發表是百邁客科技服務在簡化基因組測序及數據深度挖掘領域實力的再次印證!百邁客期待與您的合作!

參考文獻:
Jinghua Yang, Changtong Zhang, Ning Zhao,et al. Chinese Root-type Mustard Provides Phylogenomic Insights into the Evolution of the Multi-use Diversified Allopolyploid Brassica juncea[J]. Molecular Plant,2017.

基因組事業部 張學雯丨文案
李緒明 | 審核
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