文献集锦 | 群体基因组分析揭示红米果皮颜色演化历史

当前位置：

2023-12-15 15:43

近期，浙江大学作物科学与生物信息研究所在Plant Communications上发表了研究成果，对全球5104份水稻材料的群体基因组分析揭示了红米、白米和野生稻的混合进化关系，基于2794份色素果皮的全基因组关联研究发现了与红色果皮性状相关的新候选基因。

文章题目

Population genomic analysis unravels the evolutionary roadmap of pericarp color in rice

第一作者：Lingjuan Xie

通讯作者：Longjiang Fan

通讯单位：浙江大学作物科学与生物信息研究所

杂志：Plant Communications

影响因子：10.5/Q1

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2023.100778

研究背景

水稻作为主要粮食作物已被驯化了几千年，稻谷的果皮有红色、棕色、紫色或黑色，色素大米富含花青素和原花青素等酚类化合物，具有抑制氧化应激、缓解高脂血症和预防肥胖等生物功能。随生活水平的提高，红米对人体健康的益处逐渐受到广泛关注。水稻籽粒的红色色素沉着是由两个驯化相关基因Rc和Rd决定的。据报道，Rc基因的多个等位基因编码bHLH蛋白，Rcr和Rc-g最终导致红果皮表型；Rc-s等位基因的特征是在Rc基因内发生C到A的反转，导致Rc蛋白过早终止和果皮变白；Rd编码DFR，该酶在催化二氢黄酮醇转化为白花青素中起着至关重要的作用，Rd本身不产生色素，但调节原花青素在果皮中的积累；Rc-rd基因型产生糙米粒，而rc-rd和Rc-rd基因型都产生白米粒。

野生稻(O. rufipogon)中没有观察到黑色的籽粒颜色，几乎所有野生稻都有红色果皮，野生植物经历了前驯化栽培阶段，在此期间某些驯化特征在考古植物学记录中有记载，反映了不同程度的驯化。在漫长的驯化过程中，关于红米和白米是如何、何时以及在何处形成的细节仍有待探究，野生稻、驯化稻和去驯化稻的果皮都为红色。因此，红米包含了广泛的水稻遗传背景，为研究水稻驯化和遗传改良的历史研究提供了全面的资源。

技术方案

基因组测序

系统发育分析

群体基因组分析

全基因组关联研究

研究意义

GWAS用于果皮颜色的研究已有很长的历史，与以往的研究相比，本研究样本量的大幅增加使得相关位点的检测更加全面。研究结果表明，除了Rc基因的显著作用外，新发现的基因为后续研究提供了重要参考价值的候选者，可以加深对原花青素形成和积累遗传基础的认识，未来的功能基因组学研究需要进一步验证这些基因的作用并确定其功能变异机制。研究使用的材料是迄今为止研究红米群体遗传的最丰富最庞大的数据材料，为红米进化轨迹提供了基因组证据，为今后色素水稻的遗传研究和改良育种提供了宝贵的基因组资源。

▲研究中使用的基因组数据和工作流程概述

研究人员收集了85份来自中国不同地区的红米材料，对其进行深度测序，并利用前人研究的5019份水稻材料高深度全基因组序列数据。总共对全球5104个水稻种质资源的基因组(以下简称“5k基因组”)进行了整合和分析，其中2794份(53.30%)材料(以下简称“2.8k颜色基因组”)可根据果皮颜色分为黑色(紫色)、红色(棕色)和白色三类；这一颜色基因组还可分为542种栽培红米、7种栽培黑米、481种杂草稻(红果皮)和1764种栽培白米。最终选择990个地方品种和330个地方杂草稻作为“1.3k基因组”数据集进行进化分析。

首先分在5k基因组与Nipponbare参考基因组的clean paired-end reads中共鉴定出约4600万个SNPs和约560万个InDels。基于4,251,459个高质量同义SNPs的最大似然系统发育树清楚显示了亚种与野生群体的分化，这一发育树展示了一个由红稻、黑稻、白稻和杂草稻组成的镶嵌结构，尽管特定分支由单一水稻类型主导。栽培红米和白米的种群结构与PCA/admix分析结果一致。进一步对野生稻中每个次要等位基因频率范围的衍生等位基因频率进行调查，结合先前的结果发现，杂草稻可能是从栽培红稻中去驯化的。

考虑到地方稻基因组中有少量来自栽培白米的基因渗入，研究利用由地方稻和地方杂草稻组成的1.3万个基因组来研究红米的驯化历史。使用导致红果皮的因果基因Rc构建系统发育树，根据不同Rc等位基因对990个地方稻、330个杂草稻和180个野生稻进行了明确区分：显然红米与野生米的位置最近；几乎所有的水稻品种都聚集在一起，并在野生祖先中嵌套，表明野生稻是水稻亚群中Rc基因的直接供体；几个杂草稻品种嵌入了栽培红稻，但与野生稻相距甚远，表明杂草稻可能是从保留了Rc基因的红米中去驯化而来的。

估算不同水稻类群的核苷酸多样性(π)来比较其遗传多样性，红米在水稻起源地的多态性最高，表明其极有可能是由野生稻驯化而来。还计算了来自同一地区的红/白地方稻和野生稻之间的IBS，所有地区的栽培红色地方品种比栽培白色地方品种表现出更接近野生稻的遗传亲和性，意味着红色地方品种对野生稻的遗传渗入更多，红色地方品种更有可能起源于野生稻。

▲红米遗传多样性与分化

研究估计了红米和白米的分化时间，结果表明，不同地区(包括东亚、南亚和东南亚)的GJ红米和白米品种在距今近2200年BP内分化为不同的类群，不同地区的XI红壤和白壤的分化时间估计在公元前约3500年，rc突变(如白米)在水稻群体中的存在时间较长，最终在较晚的阶段被固定。

为了深入了解Rc基因的突变分布，研究人员构建了2.8k颜色基因组的Rc基因单倍型图谱，并根据生态型、区域和亚种对它们进行了分类。单倍型图谱表明，所有野生材料均含有Rc等位基因，证实了其作为野生红果皮表型祖先等位基因的地位。此外，在一些来自aus亚群的白米中，原花青素积累的缺失是由于Rc-s等位基因的缺失。在除非洲外所有地区的红米中都观察到这两个突变同时缺失，这可能与驯化过程中的人类选择有关。

为了进一步探索表型背后的基因组模式并寻找红果皮因果基因，重点研究了在Rc位点(即Group1, Group2, Group3)表现出表型与基因型矛盾的水稻材料。通过比较三组Rc基因100kb侧翼区域内SNP和等位基因频率，确定了三个可能导致矛盾的候选变异，包括Rc基因下游74,266bp的T缺失，下游64,077bp的G-A突变和下游55,140bp的T-C突变：T-缺失可能影响转座酶编码基因的功能；G-A突变为mRNA结合蛋白的上游基因变异，Group1中含有参考等位基因(G)的数量超过91%，Group2和Group3中含有替代等位基因(A)的数量分别超过85%和81%；对于T-C突变， Group1中携带参考等位基因(T)的数量超过87%，Group2和Group3中携带替代等位基因(C)的数量分别超过86%和88%。

为了探索红色果皮表型的新基因，对GJ和XI群体进行了全基因组关联研究。在GJ群体Os01g0152951上游发现了一个关联信号，该位点在红米和白米群体中具有不同的显性单倍型。单倍型网络分析表明，75.7%的GJ红米主要含有单倍型hap2和hap3，hap1和hap4分别占GJ白米的79.0%和90.2%。为了更好地验证候选基因，研究人员利用之前从两种红米和两种白米中获得的RNA-seq数据，分析发现两种表型之间Os01g0152951的表达水平存在显著差异。进一步的序列分析表明，Os01g0152951基因在Q76_W和297_W两个白米中缺失。通过比较红米和白米群体之间OsHMA5内各SNP的等位基因频率，发现红米和白米在chr04:27834266处的等位基因频率存在显著差异。计算了Kala4中每个SNP的连锁不平衡，发现其连锁性很低，表明OsHMA5是红皮表型的另一个候选基因。