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周永锋课题组
Yong-feng Zhou lab
Yong-feng Zhou lab
| 题目 | Genomic conservation of crop wild relatives: A case study of citrus |
| 中文 | 作物野生亲缘种的基因组保护：柑橘的案例研究 |
| 参考 | Wang N, Cao ST, Liu ZJ, Xiao H, Hu JB, Xu XD, Chen P, Ma ZY, Ye JL, Chai LJ, Guo WW, Larkin RM, Xu Q, Morrell PL, Zhou YF*, Deng XX* (2023) Genomic conservation of crop wild relatives: A case study of citrus. PLoS genetics 19(6): e1010811. |
| 作者 | 王楠 |
| 通讯 | 邓秀新, 周永锋 |
| 期刊 | PLoS genetics [2023-6-20 ] 原文链接 文档查看 文章下载 |
| 简介 | 作物野生亲属的保护对于植物育种和食品安全至关重要。关于导致濒危状态或灭绝的遗传因素缺乏明确性，这在试图制定保护柑橘野生亲属（作物的野生亲属）的具体建议时会产生困难。在这里，我们使用基因组、地理、环境和表型数据以及前向模拟来评估野生金桔（Fortunella hindsii）的保护情况。将来自Fortunella属的73个不同种源的基因组重测序数据组合在一起，以研究种群结构、人口数量、近亲繁殖、引入和基因负荷。种群结构与繁殖类型（即性繁殖和无性繁殖）以及在性繁殖种群内的显著分化相关。其中一个性繁殖亚种群的有效种群规模近年来下降到约1,000，导致高水平的近亲繁殖。特别地，我们发现野生和栽培种群之间有58%的生态位重叠，并且野生样本中来自栽培种群的引入程度很高。有趣的是，引入模式和遗传负荷的积累可能受到繁殖类型的影响。在野生无性繁殖样本中，引入的区域主要是杂合的，且全基因组的有害变异以杂合状态隐藏。相比之下，野生性繁殖样本携带更高的隐性有害负担。此外，我们还发现性繁殖样本不具备自交亲和性，这阻止了通过自交减少遗传多样性。我们的种群基因组分析为不同的繁殖类型提供了具体的保护建议和监测建议。这项研究突出了柑橘的野生亲属的基因组景观，并提供了保护作物野生亲属的建议。 |
| 封面 |
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“种子是农业的芯片，种质资源是种业的芯片。”作物近缘野生种拥有远高于作物的遗传多样性，具有栽培品种所缺乏的优良农艺和抗性性状，因此在作物育种和粮食安全中发挥着至关重要的作用。然而，大量作物野生近缘种处于濒临灭绝的状态，野生近缘种的保护迫在眉睫。超过 20种作物野生近缘种已被最新版国际自然保护联盟 （IUCN） 红色名录 （https://www.iucn.org/） 列为受威胁物种。
柑橘既是世界也是我国第一大果树。我国是柑橘的起源地之一，在我国发现的橘、柚、金柑等近缘野生种对于柑橘种质资源的收集、评价、利用与保护具有重要意义。已有7种柑橘近缘野生种被列入《国家重点保护野生植物名录》（2021年9月），包含金柑属野生山金柑 （Fortunella hindsii）。
近日，华中农业大学果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室邓秀新院士团队联合中国农业科学院深圳农业基因组研究所周永锋团队在Nature Index期刊PLOS Genetics在线发表题为Genomic conservation of crop wild relatives: a case study of citrus（以柑橘为例的作物野生近缘种的基因组保护）的研究论文。该研究以野生山金柑为例，利用群体遗传学等研究方法和手段对野生柑橘的遗传资源进行研究，提出了柑橘遗传资源保护的新见解，同时为作物野生近缘种的保护提供了新思路。
作物野生近缘种的保护需要重点关注受到环境因素影响的遗传特征，例如低遗传多样性、近亲繁殖和小的有效群体；栽培品种和野生种的生境重叠，农业生产高度破坏了作物野生近缘物种的生境；进一步，使得栽培种中的基因向野生种流动，对野生种的‘基因池’产生“污染”；导致作物野生近缘种具有较高遗传负荷。此外，作物野生近缘种具有不同的生殖模式系统，对于遗传资源保护应该采用不同的措施。该研究通过金柑属中栽培种和野生近缘种的全基因组测序数据，结合地理生态数据，生殖表型数据以及正向模拟分析，发现了野生种群中明显的群体碎片化，伴随着迅速下降的有效群体大小和高度近交的遗传特征。进一步，发现野生种和栽培种具有高度重合的生态位，导致栽培种的基因流持续向野生种流动。基于对群体水平的基因组负荷研究，发现栽培种群中有害变异位点多，并且基因渗入提高了野生种群的基因组负荷，进一步增加了野生种群灭绝的风险。在不同生殖模式的群体中，例如无融合生殖（一种自发无性繁殖）和自交不亲和性，对有效群体、基因流和遗传负荷均有影响。最后，基于群体遗传学的研究和野生种质资源的长期保护实践，提出了保护柑橘野生种群的具体建议和办法。
前期发掘的橘、柚、金柑等近缘野生种对于柑橘种质资源的收集、评价、利用与保护具有重要意义。已有7种柑橘近缘野生种被列入《国家重点保护野生植物名录》（2021年9月），包括宜昌橙、道县野桔、红河橙、莽山野桔、山橘（山金柑）、金豆和富民枳。柑橘野生种中具有不同的生殖类型，如有性生殖类型和无融合生殖类型（一种自发无性繁殖）。
1. 栽培金柑和野生近缘种的生态位重叠，农业生产高度破坏了作物野生近缘物种的生境
金柑属包含栽培群体（栽培金柑）和野生近缘种（野生山金柑），并且栽培金柑和野生山金柑中均存在两种生殖类型。本研究利用19个气候因子，通过主成分分析、生态因子建模，对栽培金柑和野生山金柑的生境进行分析，鉴定出影响不同种群分布的主要气候因子。结合地理分布数据，发现栽培种群和野生近缘种群存在58%的生态位重叠，栽培金柑还未彻底和野生近缘种的生态位分开，暗示可能存在种群间的交流。
图1. 柑橘亚族系统发育、栽培金柑和近缘野生山金柑的不同生殖类型以及地理分布预测
2. 野生山金柑群体的碎片化、高度近交、低遗传多样性和小的有效群体
结合73份金柑属材料的重测序，构建了金柑属的系统发育关系。鉴定到野生山金柑不同亚群的分化和生殖模式（有性生殖和无融合生殖）有关。不同地理（广东和福建）的有性生殖亚群间存在明显分化。通过分析栽培种不同亚群（CULAPO, CULSEX）对野生种不同亚群（WILDAPO,WILDSEX1和WILDSEX2）的群体大小和近交系数，发现野生种亚群存在有效群体下降和高度近交。
图2. 金柑属不同亚群的群体结构和有效群体大小分析
3. 栽培种向野生种的基因渗入，对野生种的‘基因池’产生“污染”
基于基因渗入分析，鉴定了栽培种向野生群体的基因流动，特别是向其中两个亚群（WILDAPO和WILDSEX2）的广泛渗入。结合拓扑结构分析，鉴定了25%基因组区域存在不稳定的系统发育树，可能受到不完全谱系或者基因渗入的影响。结合ABBA-BABA的统计，以及群体特异性的标记，我们估计出绝大多数个体存在明显的基因渗入片段，最高的基因渗入比例达到30%，对于野生近缘种的‘基因池’有巨大的威胁。
图3. 栽培金柑和野生山金柑的基因流分析
4. 野生种基因组中累积了较高的遗传负荷
利用全基因组变异图谱鉴定有害变异位点，估计群体的基因组适应性。研究发现，有害变异的积累模式受到繁殖类型的影响，无融合个体积累更多杂合有害变异。同时，有效群体大小影响有害变异的频率分布，高度近交的野生种亚群会固定更多的纯和有害变异，不利于自然选择的清除过程。结合单倍型的系统发育树和距离分析，发现广泛渗入或亚群间基因交流有利于无融合生殖个体中基因渗入区段的保留。
图4. 金柑属群体中有害变异的积累模式
5. 野生山金柑繁育体系影响遗传多样性
基于基因组杂合位点丰度图，我们鉴定到遗传多样性下降的模式不是大片段的纯和，可能与自交抑制过程有关。通过群体重组率分析发现，控制自交不亲和的遗传区域具有高度重组，与群体长期的平衡选择有关。因此，部分野生亚群的自交不亲和性有利于减缓遗传多样性下降。对野生群体的自交不亲和的S单倍型进行检测，发现至少8个S单倍型，这对于野生山金柑亚群的原地保护具有重要作用。
图5. 野生亚群的遗传多样性和繁育系统的关系
6. 通过田间调查、群体遗传学、生殖表型调查和生物地理学等研究，提出了保护柑橘近缘野生种需要关注7个遗传特征
（遗传漂变、群体结构、遗传多样性、S位点多样性、生殖转变、基因渗入和近郊衰退），并且需要区分不同生殖类型。在原地保护的过程中，监测基因渗入和S位点的变化十分重要；而迁地保护过程中，活体保存和不同生殖类型的野生亚群间杂交可以在一定程度上增加遗传多样性，并且有利于限制生殖模式转变。
图6. 柑橘野生近缘种保护的遗传特征和方案
华中农业大学博士，中国农业科学院深圳农业基因组研究所博士后王楠为该论文第一作者，华中农业大学邓秀新院士和中国农业科学院深圳农业基因组研究所周永锋研究员为该论文共同通讯作者。柑橘团队郭文武教授、徐强教授，柴利军教授和叶俊丽副研究员对该研究开展提供了重要指导。明尼苏达大学Peter L. Morrell教授和周永锋研究员课题组博士后刘众杰、肖华、徐小东、马志尧，硕士生曹硕等参与了该研究。华中农业大学邓秀新院士课题组胡健兵博士，湖南省农科院园艺所陈鹏老师对该研究的材料和分析提供了重要帮助。该研究得到了国家重点研发计划、海外优青等项目的资助。