前沿热点 | 基于机器学习的群体遗传分析揭示葡萄驯化中的适应性/非适应性渐渗
近期，中国农业科学院深圳农业基因组研究所周永锋研究员和加州大学尔湾分校Brandon Gaut教授共同通讯，采用基于机器学习的群体遗传分析发现了葡萄单一驯化的证据以及欧洲野生种的渐渗演化历史。
文章题目
Adaptive and maladaptive introgression in grapevine domestication
第一作者：Hua Xiao, Zhongjie, Nan Wang
通讯作者：Brandon S. Gaut, Yongfeng Zhou
通讯单位：中国农业科学院深圳农业基因组研究所和加州大学尔湾分校共同通讯
杂志：PNAS
影响因子：11.205/Q1
文章链接：
https://doi.org/10.1073/pnas.2222041120
研究背景
作为食用水果和葡萄酒的来源，驯化葡萄是世界上最有价值的园艺作物之，它也迅速成为研究多年生驯化动力学、交配系统进化以及克隆/基因组育种进化遗传的模式植物。先前的群体基因组分析已经解决了葡萄基因组多样性包括驯化事件的时间和数量、人口统计学等重要问题。
个体基因渗入事件的结果是由进化过程的相对强度决定的，意味着这些结果可能会有很大差异；适应性基因渗入可以将遗传变异重新整合成有益的组合。虽然人们普遍认识到基因渐渗可以促进局部适应，但我们对适应性渗透影响的后果、遗传结构和性状的理解仍然相当有限。
驯化葡萄品种大约在3000年前传到欧洲，之前的研究已经揭示了欧洲野生葡萄向栽培葡萄的基因渗入信号，但这些渗入事件的时间、模式、基因组模式和生物学效应尚未得到研究；基于机器学习的群体遗传方法已成功应用于人类遗传学和作物育种和性状预测。然而，它还没有被用来研究与植物驯化相关的过程。
技术方案
基于机器学习、溯祖模拟、正向模拟和进化保守性等群体遗传学方法
研究意义
与芳香化合物合成相关的基因通路在被选择和渐渗的区域都富集，这表明欧洲野生葡萄是改善栽培葡萄风味的重要资源。尽管渐渗对葡萄改良具有潜在益处，但也带来了有害负担，大多数有害SNPs和结构变异隐藏在杂合状态中。栽培酿酒葡萄受益于与野生葡萄的适应性渐渗，但渐渗也增加了其遗传负荷。因此，研究葡萄基因渗入的利、害效应对葡萄基因组育种利用野生资源具有重要意义。
▲群体间的关系及其杂合性
研究旨在对基因渐渗区域和影响这些区域的进化过程进行分类，之所以关注基因渗入，是因为它不仅对当前重要作物的育种工作很重要，而且因为基因渗入一直是水稻、橄榄、苹果和玉米等作物遗传多样性形成的主要驱动力。然而，遗传渗入的基因组范围还没有在任何作物中得到清晰彻底的表征，也没有对驱动成功遗传渗入事件的适应性动力进行仔详细说明。
目前存在至少有两种适应性场景可能适用于渗入区域的保留：第一种观点认为，基因渐渗有助于产生影响农艺性状的适应性等位基因，如玉米的高原适应性、马铃薯的抗逆性等；第二种非排他性的适应性解释是，基因渗入推动了适应度的提高，因为它引入了减少有害负担的基因组片段，从而降低了所谓的驯化成本。
▲人口统计学推断和渗透检测
当作物从驯化中心扩散到新的野生种群或物种时，就有可能发生适应性渗入，葡萄向西欧的迁移为研究提供了一个理想模式，欧盟种群的遗传分化为检测基因渗入事件提供了机会。
研究中使用了ABBA-BABA统计，但也采用了基于机器学习的补充方法。研究人员确定了836个从欧洲野生到酿酒葡萄基因组的基因渗入片段，只有47个片段是相反方向的基因渗入。考虑到欧洲sylvestris和酿酒葡萄之间的渐渗，一个重要的问题是它是否具有适应性基础。
研究发现渗入区域内的基因丰富，可以解释与芳香品质有关的生物过程，包括木质素分解代谢过程、L-苯丙氨酸分解代谢过程、肉桂酸生物合成过程，以及一些与开花有关的过程，但不涉及疾病防御基因的富集，因为这些基因在野生葡萄品种之间经常交换，并且通常与当地适应有关。防御反应基因在栽培葡萄的5% fd区域富集，而在酿酒葡萄中没有。酿酒葡萄中苯丙素代谢、次生代谢和芳香化合物的富集表明，欧洲野生葡萄主要作为与酿酒有关的风味相关性状的来源。
▲渗入和选择性扫描的机器学习分析
通过表征酿酒葡萄渗入区域内选择性扫描的特征来建立渗入事件的适应性，从836个渗入窗口中确定了298个窗口，进行了大量富集。通过构建和分析34个不同时间和方向的基因流模型，研究了基因流的时间和强度，最佳拟合模型表明，在过去的1800年里，葡萄的渗入一直在进行，大致与葡萄向欧洲扩散的时间相对应，尤其是从欧洲野生葡萄向酿酒葡萄的扩散。这些模型还推断，从欧洲野生种到栽培种的基因流量相对较低，大约是酿酒葡萄基因流动的1/100，fd分析和叶绿体和线粒体系统发育树进一步支持了这一结果。
▲酿酒葡萄类群基因渐渗区变异特征及渐渗等位基因的正向模拟估计
关键问题仍然是渐渗区域是否通过减少有害负荷而提供适应性益处，研究发现在酿酒葡萄的渐渗区通常比基因组背景有更多的假定有害突变。平均而言，渗入区域的杂合有害SNPs频率是随机选择的相同长度区域的3倍；相比之下，在非渐渗区域，约40%的dSNPs频率<9%。尽管如此，如果有害突变是隐性的，它们在杂合状态下不会对适应度造成损害。
总的来说，这些观察结果提供了多方面角度以了解驯化葡萄基因驱动渗透的力量。研究人员发现克隆繁殖可以在短时间内(< 100代)快速选择有利和有害的渐渗等位基因，而非异交群体(> 2000代)。有趣的是，大多数有益渐渗等位基因最终固定在异交群体中，而不是在克隆群体中。在葡萄的杂合状态下，渗入有助于有益和有害变异的互补，这些有益或有害变异可能被证明是葡萄育种基因组设计的主要目标，包括清除可能在有性繁殖过程中发现的假定有害变异。
▲含有Fer-like基因区域被预测为已从欧洲野生种渗入并处于筛选中
